RODA DE PERFURAÇÃO COM O USO DE JATO SUPERSÓNICO QUENTE

RESUMO

No presente trabalho é apresentado o estudo da técnica de descamação térmica de rochas com o emprego de jatos supersônicos quentes com vistas à possível utilização na perfuração de poços e na abertura de túneis. Tal técnica já foi utilizada com sucesso, permitindo se obter altas taxas de penetração (1 a 10 m/hr) em rochas graníticas, apresentando vantagens econômicas em relação às técnicas convencionais de perfuração para este tipo de rocha. A partir de estudos anteriores, é desenvolvido um dispositivo experimental (motor foguete) utilizando o par Oxigênio/Gás Natural, operando em diferentes razões de mistura sobre amostras de rochas graníticas, com o objetivo de estudar a viabilidade do método e as principais relações envolvidas no processo. São explorados os comportamentos das perfurações com as razões de mistura, variando-se a distância de incidência do jato para a superfície da rocha. A operação do dispositivo aponta a importância de um sistema de resfriamento acoplado, e um mecanismo de avanço do dispositivo de encontro à rocha. Os resultados apresentam um comportamento bem definido das perfurações com o aumento da distância de incidência do jato para a rocha (Stand-off Distance), onde pode-se observar diâmetros equivalentes de perfuração maiores com a proximidade do dispositivo para a superfície. Através dos experimentos pôdese observar que variações na razão de mistura parecem não influenciar nas perfurações, podendo-se prever que pequenas variações de temperatura no jato não são percebidas diante da escala de temperatura necessária para se iniciar o processo. É ressaltada também a importância da quantidade de movimento do jato nas perfurações, apontada como o principal fator na busca de altas taxas de penetração. Por fim observam-se fatores de escala, onde dispositivos demasiadamente pequenos, como o deste trabalho, parecem disponibilizar, durante os testes, quantidades de energia de ordem menor do que a prevista.

ROCK DRILLING USING HOT SUPERSONIC JET

ABSTRACT

This work discusses the possibility of applying the thermal spallation technique i.e., the use of hot supersonic jets for drilling and tunneling processes, on certain rocks of interest of the oil drilling industry. This technique was successfully used on granite rocks achieving high penetration rates (1 to 10 m/hr) compared to conventional techniques. An experimental unit using Oxygen – Natural Gas, was developed based on previous studies and operated under different oxidizer to fuel ratios (O/F) hitting flat granite surface samples with the objective of checking the applicability of that method for drilling this kind of rock. It was investigated the drilling performance under several oxidizer to fuel ratios and with the variation of the distance between the drilling jet unit exit plane and the rock surface. The operation of the unit indicated the importance of using a coupled refrigeration system and a displacement mechanism for drilling into the rock surface. The results showed a well defined penetration behavior with the change of the drilling distance from the rock surface (Stand-off distance), where larger hole equivalent diameters were obtained with the approach of the drilling unit to the rock surface. It was observed also that the drilling performance is not strongly influenced by reasonable oxidizer to fuel ratio changes where small jet temperature changes are imperceptible as compared to the temperature required to start the spallation process which is around 800 K. It was also observed the importance of the jet momentum in the process, which seems to be the main factor for achieving high penetration rates. Finally, the small drilling unit used in this work led to the unavoidable occurrence of scale factors due to the small amounts of energy released during the tests.

SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS 13

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 24

1.1 Introdução à Perfuração de Rochas 24

1.1.1 Técnicas Conhecidas de Perfuração de Rochas 24

1.1.2 Perfuração de Rochas por Jato Quente 25

1.2 Trabalhos Mais Recentes no Ramo de Perfuração de Rochas por 27

Jato Supersônico Quente 27

1.3 Objetivos do Trabalho 28

CAPÍTULO 2 REVISÃO DA LITERATURA 29

2.1 Estudo Bibliográfico 29

2.1.1 Modos de Fratura 30

2.1.2 Modelos Existentes no Estudo da Descamação Térmica 32

2.1.3 Estudos Experimentais Relacionados ao Fenômeno 35

CAPÍTULO 3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARA O PROJETO DO DISPOSITIVO EXPERIMENTAL DE PERFURAÇÃO 39

3.1 Considerações Adotadas Para o Projeto do Dispositivo Experimental 39

de Perfuração 39

3.2 Projeto do Motor Foguete 41

3.2.1 Combustão Associada aos Propelentes Utilizados 42

3.2.2 Cálculo da Tubeira e Relações para Escoamento Compressível 43

3.2.3 Definições dos Parâmetros de Projeto 46

3.2.4 Estimativa da Vazão Mássica Utilizada no Dispositivo Experimental 47

3.2.5 Dimensões e Características Operacionais do Experimento 50

3.2.5.1 Dimensionamento da Parede da Câmara de Combustão 50

3.2.5.2 Dimensionamento do Comprimento da Câmara de Combustão 53

3.2.5.3 Considerações a Respeito do Dispositivo Experimental 54

3.2.5.4 Dimensionamento do Ancorador de Chamas 55

3.2.5.5 Posicionamento da Vela de