Herramientas Direccionales de Perforacion (1)

Tema # 4

Herramientas de Perforación y Deflexión

TEMA 4 – HERRAMIENTAS DE PERFORACION Y DEFLEXION 1. INTRODUCCIÓN Existe un numero de herramientas y técnicas las cuales pueden ser usadas para realizar una perforación direccional y así el trepano pueda realizar una perforación. Estas herramientas y técnicas pueden ser usadas para cambiar el ángulo de inclinación o la dirección azimutal del agujero perforado o ambos. En este capitulo discutiremos brevemente las herramientas usadas en la perforación direccional. Para mayor información sobre alguna de ella es mejor referirse a sus respectivos catálogos de fabricante (Composite Catalog) o a las hojas técnicas (Data Sheet) del fabricante. f abricante. Para la perforación direccional es sumamente importante contar con las herramientas desviadoras adecuadas, así como con las barrenas, herramientas auxiliares y la instrumentación apropiada. Las herramientas desviadoras son el medio para iniciar o corregir la deflexión de la trayectoria. La apertura de la llamada ventana (KOP), resulta una etapa crítica durante la perforación de un pozo direccional, ya que un inicio correcto de la desviación dará la pauta para lograr un desarrollo satisfactorio del curso. Conforme la perforación direccional evolucionó, las herramientas desviadoras han sufrido cambios considerables en su diseño, provocando que en la actualidad no se utilicen algunas de las herramientas usadas en los orígenes de esta técnica de perforación. Tal es el caso de los desviadores de pared, de las barrenas a choro, entre otras, predominando en la actualidad el uso de motores de fondo dirigibles o geonavegables en la perforación de pozos direccionales. A continuación se mencionarán algunas de e stas herramientas de manera general sólo con fines didácticos. didácticos.

2. HERRAMIENTAS DIRECCIONALES 2.1.- PORTAMECHAS (DRILL COLLAR – DC) Los lastra barrenas son tubulares de acero pesados y rígido. Son usados al final del arreglo de fondo de pozo (BHA) para proveer peso y rigidez sobre el trepano. En perforación direccional los portamechas espirales son los más deseados. Las espirales maquinadas en el portamechas reducen el área de contacto con las paredes del pozo hasta el 40%, con una reducción del peso de solo el 4%. Con esto las posibilidades de tener un aprisionamiento por presión diferencial se reducen enormemente. Los portamechas (varios tamaños) normalmente son propiedad del contratista de perforación.

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Portamechas Espiral

Portamechas Lisos o Está Estándar

Fig.1. Tipos de Portamechas

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Portamecha Cortos (SDC).- Es una versión simple y corta de un portamechas de acero. Pueden ser fabricados o cortados de un portamechas convencional para hacer dos o mas portamechas cortos. Existen en longitudes de 5, 10 y 15 pies). Los portamechas cortos y los portamechas cortos no magnéticos tiene una amplia aplicación en la configuración de los BHA’s en la perforación direccional.

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Portamechas No Magnéticos (NMDC).- Estos portamechas son usualmente lisos o estándar (no espirales). Son fabricados de alta calidad, resistentes a la corrosión y de acero austenítico (hierro cristalizado). Los instrumentos de medición direccional son colocados dentro de un portamechas no magnético del suficiente tamaño para poder medir el campo magnético de la tierra sin tener ninguna interferencia magnética externa.

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Portamechas No Magnéticos Corto (SNMDC).- Es una versión corta del portamechas no magnético, son normalmente hechos de cortar un portamechas de tamaño convencional. Pueden ser usados entre el motor de fondo y un portamechas de MWD para contrarrestar las interferencias magnéticas encontradas por debajo. . Es muy usado en lugares donde la inclinación y la dirección del pozo generan alta interferencia magnética. Arreglos de fondo de pozo para pozos horizontales a menudo usan un portamechas corto no magnético.

2.2.- BARRAS PESADAS (HEAVY WEIGHT) Es un componente intermedio de la sarta. Es una tubería de perforación de paredes muy gruesas y juntas extra largas. Tiene las mismas dimensiones de una tubería de perforación normal, pero son más pesadas. Además son menos rígidas que los portamechas y tienen menor contacto con las paredes del pozo.

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El hecho de que solo entre en contacto con las paredes del pozo en 3 puntos, beneficia a la perforación direccional en el sentido que: • •

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Permite altas velocidades de perforación (RPM) con un torque reducido. Pueden ser corridos en pozos que presenten cambios de ángulo y dirección con menos problemas de fatiga y conexión. Minimizan el uso de los portamechas en el arreglo y permite tener mayor peso sobre el trepano.

Fig.2. Barra Pesada (Heavy Weight)

2.3.- ESTABILIZADORES (ESTABILIZERS) Son segmentos de tubería con hojas o aletas puestas en su cara externa. Estas hojas pueden ser lineales o espirales, dependiendo el diseño. Estabilizan el trepano y los portamechas ayudando a los trépanos a rendir mejor mediante la ayuda a dichas barrenas a deslizarse por el fondo del pozo en forma mas plana. Los estabilizadores son usados para: • • •

Control de la desviación del pozo. Reduce el riesgo de atascamientos por presión diferencial. Reduce la severidad de las patas de perro y evita la formación de ojos de llave.

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Existen una gran variedad de diseños de estabilizadores.

TIPOS DE ESTABILIZADORES ► Estabilizador de aletas soldadas: Son para centrar en el pozo los tubos de los portamechas. No son recomendados para perforar formaciones duras, por peligro de fatiga de las aletas. Mejor rendimiento en pozos con formaciones suaves porque permiten un mejor flujo del lodo. Relativamente baratos. ► Estabilizador de aletas integral: Hechos de un solo cuerpo, con aletas contorneadas. Son más caras que de aleta soldada. Tienen revestimiento de metal duro de larga duración con insertos de carburo de tungsteno. Es recomendado para formaciones abrasivas. Estabilizadores de Aletas Soldadas

Fig.3. Tipos de Estabilizadores de Aletas Soldadas

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Estabilizadores de Aletas Integral

Fig.4. Tipos de Estabilizadores Integrales

► Estabilizadores de Aletas Rotativas.- puede ser de aletas rectas o en espiral y en ambos casos las aletas pueden ser cortas o largas. ► Estabilizador de Camisa Reemplazable.- Es de camisa cómodamente reemplazable en el equipo de perforación, Los canales profundos entre la camisa y las aletas quedan al ras con el OD de los portamechas, lo que garantiza libre circulación a través del estabilizador. Existen en configuraciones de dos piezas y tres piezas. Estabilizadores de Camisa Reemplazable

Fig.5. Estabilizador de Camisa Reemplazable

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2.4.- ESCARIADOR (ROLLER REAMERS) Estos dispositivos son diseñados para mantener el calibre del agujero, reducen el torque y estabilizan la sarta de perforación. Son particularmente usados en formaciones muy abrasivas. Ayudan a repasar y evitar, las patas de perros y ojos de llave. Pueden ser diseñados de 3 y 6 puntos de escariado. Sus cortadores están disponibles para formaciones suaves, medias y duras y estos pueden ser cambiados en la locación. Escariadores

Fig.5. Tipos de Escariadores

2.5.- SUBSTITUTO FLOTADOR (FLOAT SUB) Es una conexión substituta (pin x box) el cual debe alojar una válvula flotadora. Comúnmente colocada sobre el motor de fondo. En arreglos de fondo de pozo convencionales las válvula flotadora es insertada dentro del substituto del trepano (arreglos pendulares). Los diseños de las válvulas flotadoras van desde el solenoide hasta el tipo charnela. Algunas empresas no usan esta válvula por que les trae problemas al momento de hacer un control de pozo.

2.6.- SUBSTITUTO DEL TREPANO (BIT SUB) Es una conexión del tipo Hembra x Hembra (Box x Box), la cual se corre inmediatamente encima del trepano (por eso su nombre), cuando no se usa un estabilizador de trepano. Se suele adaptarle una válvula flotadora. Los contratistas de perforación generalmente proveen varios tamaños de este substituto.

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2.7.- DISIPADOR DE VIBRACION (SHOCK SUB) Esta normalmente localizado sobre el trepano para reducir las vibraciones cuando el trepano esta perforando a través de rocas duras. Absorbe las vibraciones verticales a través de un fuerte resorte de acero o algún elemento de goma resistente.

Fig.6. Disipador de Vibración

2.8.- ENSANCHADOR DE AGUJERO (HOLE OPENER) Son herramientas usualmente diseñadas de un diámetro fijo. Los ensanchadores de agujeros son usados para abrir agujeros pilotos. Están disponibles con cortadores para diferentes tipos de formación. Los cortadores y toberas pueden ser reemplazados en la locación.

Fig.7. Ensanchador de Agujero

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2.9.- CODO DESVIADOR (BENT SUB) Es una conexión hembra/macho (box/pin). El cual se conecta en la parte superior de los motores de fondo o turbinas. La parte inferior esta maquinado con un ángulo de desviación fuera del eje del cuerpo. El ángulo generalmente va de 1º a 3º en incrementos de ½º. Este elemento fuerza al trépano a seguir un ángulo de curvatura mientras perfora. Solo pueden ser utilizados sin rotar la herramienta (deslizando)

Cuerpo

Cuerpo del Macho

Fig.8. Ensanchador de Agujero

2.10.- SUBSTITUTO DE ORIENTACION (UBHO) Comúnmente llamado junta o substituto UBHO (Orientación Universal de Fondo de Pozo). Esta junta tienen conexiones hembra/macho compatibles con los codos desviadores y con lo MNDC. Esta compuesto por una camisa de zapato. Antes de torquear todos los componentes intermedio, se debe alinear la llave de la camisa, en línea con el codo desviador. Este elemento servirá para que determinar la posición de la cara de la herramienta (tool face)

Fig.9. UBHO

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2.11.- TIJERAS DE PERFORACION (DRILLING JAR) Son diseñadas para liberar un impacto hacia arriba o hacia abajo. Las tijeras se corren en pozos desviados en el punto de la sarta que puede ser liberada en caso de presentarse un atrapamiento de tuberías por presión diferencial o cerramiento del agujero. Las tijeras pueden ser mecánicas o hidráulicas o hidro-mecánicas. Algunas tijeras solo trabajan en una sola dirección. Las tijeras son usualmente posicionadas en el tope de los portamechas.

Fig.10. Esquema de un Tijera

3. MÉTODOS DE DEFLEXIÓN Y HERRAMIENTAS DESVIADORAS • • •

Desviador de Pared (Whipstock) Chorro de Barrena (Jetting) Motores de Fondo (DHM) con codo desviador (Bent Sub, Bent Housing )

3.1.- DESVIADOR DE PARED (WHISPTOCK) Actualmente son herramientas muy usadas en pozos multilaterales y pueden ser del tipo recuperable o permanente. Desviador de Pared Recuperable.- Consta de una cuña larga invertida de acero, cóncava, con el lado interior acanalado para guiar la barrena hacia el rumbo de inicio de desviación. Los ángulos para los cuales están diseñados estos desviadores, varían entre 1 y 5 grados; en su parte inferior tienen una especie de punta de cincel para evitar que giren cuando la barrena esta trabajando. En la parte superior de la barrena, se instala un lastrabarrenas o portamechas,el cual permite recuperar el desviador. Estos desviadores son muy usados en equipos con bombas de lodo pequeñas, sidetracks en profundidad y pozos muy calientes.

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Desviador de Pared Permanente.- Estos desviadores se colocan en agujeros ademados (donde existan obstrucciones por colapso de la formación) o en agujeros abiertos que contengan un medio donde asentarlos (un tapón de apoyo o un pescado con media junta de seguridad). Comúnmente, se coloca con un conjunto compuesto por un molino, un orientador y tuberías pesadas. Una vez orientado la herramienta se le aplica peso y se rompe el pasador que une el desviador con el molino, girando lentamente la sarta de la molienda. Este tipo de desviador sigue siendo utilizado sobre todo en pozos con accidentes mecánicos. Un arreglo típico con herramienta desviadora de pared, se muestra a continuación: •

Desviador de pared + Trepano piloto + Estabilizador + 1 junta de tubería de perforación + Substituto de orientación + 1 portamechas no-magnético

Ubicar y Orientar

El whipstock es whipstock es asegurado y se empieza la perforació perforación con un diámetro reducido y controlado

El agujero es abierto y perforado con un ensanchador Fig.11. Esquema de uso del Desviador de Pared (Whipstock)

3.2.- CHORRO DE BARRENA Esta técnica es utilizada para desviar el pozo en formaciones suaves y friables, aunque con resultados erráticos y generando patas de perro severas. Una barrena convencional se usa para desviar pozos en el tipo de formaciones mencionadas. Esto se logra taponando dos de las toberas y dejando la tercera sin tobera o con un diámetro muy grande. Esta última se orienta en la dirección a la cual se desea desviar, después se ponen en funcionamiento las bombas, moviendo hacia

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arriba y hacia abajo la tubería de perforación; Una vez fijado el curso apropiado, se gira la sarta y el trepano tiende a seguir el camino de menor resistencia formado por la sección deslavada. Se deben generar velocidades de circulación de aproximadamente 500 pies/seg. Ventajas del uso de la Barrena a Chorro •

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No hay desalineación en el BHA. Entonces los errores de medición son mínimos comparados con lo motores de fondo con arreglo de substituto de deflexión. Las mediciones de dirección pueden tomarse mas cerca al trepano que usando motor de fondo. No existe torque cuando se circula el chorro. La cara de la herramienta (tool face) puede ser orientada con más precisión que usando motores de fondo. Un pozo de calibre completo puede ser perforado desde el inicio.

Desventajas del uso de la Barrena a Chorro • • •

La técnica se limita a formaciones suaves y friables. Resultados erráticos y con severas patas de perro, que no son controladas. En equipos pequeños la capacidad de las bombas puede no ser suficiente para crear el lavado de la formación.

Un arreglo típico de fondo de pozo, con barrena a chorro se muestra a continuación: •

Trepano + Substituto de trepano + Substituto de orientación + MWD + Portamechas no magnético + Estabilizador + Portamechas + Estabilizador.

Orientado y con flujo a chorro

ReReperforando con flujo a chorro Perforando

Fig.12. Esquema de uso del Chorro de Barrena (Jetting)

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3.3.- MOTORES DE FONDO (PDM) O TURBINAS Son operados hidráulicamente por medio del lodo de perforación bombeado desde la superficie a través de las tuberías de perforación. Son usados para perforar tanto pozos verticales como direccionales. Cabe aclarar que el motor de fondo no realiza la desviación por si solo, requiere del empleo de un codo desviador o junta articulada. El ángulo del codo es el que determina la severidad en el cambio de ángulo.

Motores de Fondo (PDM) o Turbinas con Codos Desviadores (Bent Sub) La técnica más común para cambiar la dirección de un pozo es colocar un codo desviador directamente sobre un motor de fondo (PDM) o Turbina. La conexión macho (PIN) del codo desviador ofrece ángulos de 1º a 3º. El codo desviador permite la deflexión del motor de fondo a través de aplicarle peso, sobre una de los lados del pozo. A medida que la perforación avanza, el trepano es forzado a seguir la curva generada. El ángulo de curvatura (severidad de la pata de perro) depende del ángulo del cuerpo del codo desviador (Bent Sub) y del diámetro externo (OD) del motor de fondo, codo desviador y portamechas en relación al diámetro del agujero. También se incluyen factores como la longitud del motor y el tipo de formación. Este tipo de arreglo no debe rotar a medida que se construye el pozo direccional. Un arreglo de fondo de pozo típico es el siguiente: •

Trepano + Motor de Fondo + Codo Desviador + Substituto de Orientación (UBHO) + Portamechas No-Magnético + Tuberías Pesadas + Tuberías de Perforación.

Portamechas No Magnético

Junta de Orientación

Junta Flotadora

Codo Desviador

Motor de Fondo An Angulo del codo desviador Trépanos

Fig.13. Esquema de uso del Codo Desviador (Bent Sub)

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Motor de Desplazamiento Positivo Dirigibles (Bent Housing) El más común de los motores dirigibles es el diseño simple de junta articulada o también llamado codo desviador ajustable (Bent- Housing). Los motores no tienen una junta articulada recta. El ángulo que genera esta junta articulada se llama “angulo de la junta articulada” (Bent housing angle) y usualmente es de 1,5º

Fig.14. Esquema de uso del Codo Desviador Ajustable (Bent Housing) Un motor dirigible se puede usar para realizar puntos de arranque (KOP’s), carreras de corrección y desvíos (sidetrack’s). Sin embargo la aplicación mas común para este tipo de motores es el de ser el principal componente del BHA para ser usado en orientación (modo sliding) o en modo rotario. Si bien esta tecnología ha funcionado en forma extraordinaria, se requiere una extrema precisión para orientar correctamente la sección curva del motor debido a la elasticidad torsional de la columna de perforación, que se comporta casi como un resorte en espiral y se retuerce hasta tal punto que resulta difícil orientarlo. Las variaciones litológicas y otros parámetros también influyen en la posibilidad de lograr la trayectoria de perforación planeada. Como consecuencia se hace difícil rotar la herramienta, lo que acorta la vida del motor de fondo. Esto debido a que la junta articulada se encuentra muy cerca del trepano. El desplazamiento nominal del trepano es mucho menor que cuando se utiliza el método de la junta desviadora (Bent Sub).

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Fig.14. Comparación entre el método convencional y el dirigible

Quizás el mayor problema que se presenta en la perforación por deslizamiento convencional sea la tendencia de la columna no rotativa a sufrir aprisionamientos. Durante los períodos de perforación por deslizamiento, la tubería de perforación se apoya sobre el lado inferior del hoyo, lo cual produce velocidades de fluido alrededor de las tuberías desparejas. Por otra parte, la falta de rotación de la tubería disminuye la capacidad del fluido de perforación de remover los recortes, de manera que se puede formar un colchón de recortes sobre el lado inferior del hoyo. La limpieza del hoyo se ve afectada, entre otros factores, por la velocidad de rotación, la tortuosidad del hueco y el diseño de los conjuntos de fondo. La perforación en el modo de deslizamiento disminuye la potencia disponible para hacer mover la mecha, lo cual, sumado a la fricción de deslizamiento, reduce la tasa de penetración (ROP, por sus siglas en Inglés). Finalmente, en proyectos de perforación de gran alcance, las fuerzas de fricción durante el deslizamiento se acumulan hasta tal punto que el peso axial resulta insuficiente para hacer frente al arrastre de la tubería de perforación contra el hoyo, haciendo imposible continuar la perforación. Si se cambia del modo de deslizamiento al modo de rotación durante la perforación con herramientas direccionales, es probable que se obtenga una trayectoria más tortuosa en dirección al objetivo.

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Fig.14. Comparación entre el modo Deslizamiento y Modo Rotatorio

La perforación direccional con un motor direccional se logra en dos modos: rotación y deslizamiento. En el modo de rotación, la totalidad de la sarta de perforación rota, como ocurre en la perforación rotativa convencional y tiende a perforar hacia adelante. Para iniciar un cambio en la dirección del hoyo, la rotación de la columna de perforación es detenida en una posición tal, que la sección curva del motor se encuentre ubicada en la dirección de la nueva trayectoria deseada. Este modo, denominado modo de deslizamiento, se refiere al hecho de que la porción de la sarta de perforación que no realiza un movimiento rotativo, se desliza por detrás del conjunto direccional.

DESLIZAMIENTO (SLIDING): •

•

Perforación sin rotación de superficie donde el DHM proporciona toda la rotación al trepano. Usado para la construcción del tramo direccional del pozo.

ROTARIO (ROTARY): •

•

Perforación con rotación de superficie mas la rotación transmitida por el motor de fondo. Usado para la construcción del tramo tangente del pozo.

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3.4.- SISTEMA ROTATIVO DIRECCIONAL Hoy en día los avances de la tecnología nos permiten poder contar con motores de fondo capaces de poder cambiar la dirección de su desplazamiento por si solos, sin necesidad de sacar la herramienta para cambiar un codo desviador o ajustar el codo articulado para una nueva inclinación. Partiendo de eso, podemos observar dos sistemas básicos de perforación:

FUERZA LATERAL DIRECTA: PUSH-THE-BIT 

Fuerza opuesta a la del trepano, aplicada a las paredes del pozo (a través de aletas – pads) haciendo que el trepano adquiera la dirección hacia donde necesitamos dirigir el pozo.

Fig.15. Sistema Rotativo Direccional – Push the Bit

EJE EXCÉNTRICO DE LA BARRENA: POINT-THE-BIT 

El trepano es direccionado hacia la dirección donde necesitamos perforar introduciendo un offset – sistema parecido a perforar con un motor con bend housing.

Fig.16. Sistema Codo Desviador Articulado – Point the Bit

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SISTEMA POWER DRIVE

COMPONENTES DE UN SISTEMA ROTATIVO DIRECCIONAL

Fig.16. Sistema Power Drive – Push the Bit

Fig.17. Distribución del Caudal

5% del caudal de lodo es dirigido a activar los pads. La dirección de navegación de la herramienta es controlada por una válvula de disco la cual está conectada al módulo electrónico. Cuando la válvula selecciona una dirección, el flujo de lodo activa los pads de forma tal que estos sólo actúan para empujar en esa dirección preestablecida.

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Fig.18. Motor de Fondo Power Drive

SISTEMA ROTARY STEERING COMPONENTES DE UN SISTEMA ROTATIVO DIRECCIONAL

Fig.19. Sistema Rotary Steering No Activado

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Fig.20. Sistema Rotary Steering Activado

Fig.21. Partes Internas Sistema Rotary Steering

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