(R) Sistema de Izaje

FACULTA DE D E INGENIERIA

Elementos de Perforación

TEMA 2 Principales componentes del equipo de peroración Objetivo: El alumno identificará el funcio cionamiento e interrelación de los los sist sistem emas as que que cons consti titu tuye yen n el equi equipo po de perf perfor orac ació ión n rota rotato tori rio. o.

1.

Siste stema de de su suministro de de en energía.

2.

Sistema de izaje.

3.

Sistema de ci circulación.

4.

Sistema rotatorio.

5.

Sistema de control.

6.

Sist Sistem ema a de de med medid idor or de pará paráme metr tros os de perf perfor orac ació ión. n.

FACULTA DE D E INGENIERIA 2.


Sistema de izaje

Objetivo: Aportar los medios para levantar y bajar la sarta de perforación, la tubería de revestimiento y otros equipos sub superficiales, para realizar cone conexi xion ones es y viaje iajes. s. El sist istema de izaje es un componente vita ital de un equipo de perfo erforración. Este sist istema sumini inistra un medio por el cual se da movimie imien nto vertic tical a la tubería que esta dentro del pozo; esto es, bajar y sacar la sarta de perforación ión y la T.R. Los Los prin princi cipa pale les s comp compon onen ente tes s de este este sist sistem ema a son: son: 

Mástil y subestructura.



El malacate.



La corona y la polea viajera (sistema de poleas).



El cable de perforación.



Equipo auxiliar tal como elevadores, gancho, etc. etc.



Sistema de izaje

Componentes

Componentes del sistema izaje.

Componentes de izaje

Corona

Línea viva Línea muerta Malacate Ancla Polea viajera Carrete del cable

Gancho


Sistema de izaje

Elementos de Perforación Mástil

Las Las torr torres es conv conven enci cion onal ales es son son unas unas pirá pirámi mide des s de cuat cuatro ro lado lados s cons constr trui uida das s en acer acero o estr estruc uctu tura rall y pued pueden en ser ser por portáti tátile les s o fija fijas. s. Las Las fija fijas s está están n en desu desuso so y las las por portáti tátile les s se cono conoce cen n com como mástil . Evolución de las torres de perforación.



Sistema de izaje

Mástil

Mástil, Mástil, Es una estructura de acero con capacidad para soportar todas las cargas verticales, cargas excedentes y el empuje por la acción del vien iento. La longitud de estos varía de 24 a 57 m y sopo soport rtan an carg cargas as está estáti tica cas s de 125 125 a 1,50 1,500 0 tons tons.. Por su cons constr truc ucci ción ón se divi divide den n en: en:

Voladizo

Plegable

Telescópico

Altura capacidad

9 a 12 m



Sistema de izaje

Mástil

Cons Consid ider erac acio ione nes s para para el dise diseño ño del del mást mástil il:: 1.

El mástil debe soportar con seguridad todas las cargas (jalón) y cargas que excedan la capa capaci cida dad d del del cabl cable. e.

2.

Deberá soportar el empuje máximo por la velocidad del viento.

3.

La plataforma de trabajo tiene que estar a la altura apropiada para el buen manejo de la tube tuberí ría a (lin (linga gada das) s)..

La capa capaci cida dad d del del másti ástill (CM) (CM) se obtie tiene con con la sigu siguie ien nte fórm fórmu ula: la: CM =

Carga suspendida (Cs) x Número de líneas corona (N) Eficiencia (E) x Número de líneas en pole a viajera (n)

+ Peso de corona (Pc) + Peso polea viajera (Ppv)

Donde: E = Carga real real / Carga equivalente equivalente

Ej. Deter termine ine la capacidad de un mástil til (de dos piernas) si la carga a levantar (carg arga muerta) es de 375,000 lbs, teniendo un arreglo de 6 líneas en la polea viajera, 8 en la corona, una efici iciencia del 85% y un peso de la corona y la polea lea viaje iajerra de 12,000 lbs.

CM =

375000 x 8 (0.85 x 6)

+ 12000 = 600,235 lbs


Sistema de izaje

Elementos de Perforación Subestructura

Subestructura. Subestructura. La subestructura se construye de acero estructural y las cargas que debe soportar tar son superiore iores s a las las que soporta el mástil til, ya que ademá emás de soportar tar al mástil til con su carga, soporta al malacate, a la mesa rotaria, el piso de trabajo y debe tener una altura sufi sufici cien ente te para para perm permit itir ir la inst instal alac ació ión n del del conj conjun unto to de prev preven ento tore res s y la líne línea a de flot flote. e.


Sistema de izaje

MALACATE



Sistema de izaje

Elementos de Perforación Malacate

Malacate. Malacate. Es el elemento que utiliza la energía del sistema de potencia para aplicarle una fuerza al cable de perforación. Esta provisto de un sistema de frenos para controlar las altas cargas y un sistema de enfriamiento para disipar el calor generado por la fricción en las balatas. El tambor del malacate tiene un ranurado (lebus) para acomodar el cable de perforación.

Componentes Embrague

Cabrestante am or e eva or Frenos

Tambor principal. principal.-- Es el que transmite la fuerza al cable de perforación y realiza la acción de subir o baja bajarr la pole polea a viaj viajer era. a. a res an e.- . on am ores co oc oca os a am os lados del malacate y son usados para realizar operaciones operaciones rutinarias. rutinarias. Frenos.- Son unidades importantes ya que de ellos depende parar el movimiento. El freno principal de un malacate es mecánico del tipo de fricción (tambor o disco). Para reducir el calor generado por los frenos de fricción se utilizan fre frenos nos aux auxilia iliare res s que que eje ejecut cutan una gran gran parte arte de la acci acción ón de fren frenar ar..

Embrague.- Se usa usa para para acop acopla larr mecá mecáni nica came ment nte e el tamb tambor or elev elevad ador or con con la fuer fuerza za tran transm smit itid ida. a.


Sistema de izaje


Sistem Sistemas as auxili auxiliare ares s de frenad frenado. o. Los equipos mecánicos utilizan un freno auxiliar del tipo hidromático, el cual trabaja impu impuls lsan ando do agua agua en dire direcc cció ión n opue opuest sta a a la rota rotaci ción ón del del tamb tambor or prin princi cipa pal. l. Los Los equi equipo pos s eléc eléctr tric icos os usa usan un fren freno o aux auxilia iliarr del del tipo tipo ele electr ctromag omagn néti ético en el cua cual se gene generran dos dos camp campos os magn magnét étic icos os opue opuest stos os cuya cuya magn magnit itud ud depe depend nde e de la velo veloci cida dad d de rota rotaci ción ón..

Capacidades

Ranurado lebus


Sistema de izaje


El sistema de fre frenos de fric fricc ción del carrete del malacate es imp importante para la corr corre ecta operac operación ión.. Sus requer requerimi imient entos os genera generales les son: son:   

Seguri Seguridad dad y confia confiabili bilidad dad Efectividad Facilid Facilidad ad de mante mantenim nimien iento to

La segu seguri rida dad d y la conf confia iabi bili lida dad, d, se obti obtien ene e con con dise diseño ños s cuid cuidad ados osos os.. Para Para que que un sist sistem ema a de fren frenad ado o sea sea efec efecti tivo vo debe debe tene tenerr las las sigu siguie ient ntes es cara caract cter erís ísti tica cas: s: 

Debe ebe redu reduc cir la fuer fuerza za que que debe ebe ser ser aplic plicad ada a para para ope operar rar el fre freno. no.

Debe relevarse así mismo conforme el carrete empieza a girar en la dirección de levantamiento. 

La fuerza de frenado del malacate proporciona una ventaja mecánica muy alta, permitien iendo que el frenado, aún para gran randes carg argas, se realic lice con una fuerza manual razo razona nabl ble e apli aplica cada da sobr sobre e la pala palanc nca a de oper operac ació ión n del del fren freno. o. Se dice dice que un sist siste ema de fren frenad ado o esta sta bien bien cali calibr brad ado, o, cua cuando ndo el pes peso de la polea olea via viajera jera es soste osteni nid do únic única amente ente con con el peso eso de la pala palanc nca. a.



Sistema de izaje

Malacate

Dime Dimens nsio ione nes s del del tamb tambor or elev elevad ador or Como la clasificación del malacate y el diámetro del cable de perforación están relacionados, el diámetro del tambor elevador debe aumentar con la capacidad del equipo. El uso de un tambor de menor capacidad de la requerida causaría esfuerzos máxim áximos os en el cabl cable, e, dañá dañánd ndo olo y acort cortan ando do su vida vida útil útil.. El diámetro mínimo del tambor debe ser de 24 veces mayor que el diám diámet etro ro del del cabl cable. e. La longitud del carrete deberá estar en función a una lingada de tubería, de tal manera que se maneje sin que la lín línea enrolla llada en el carr carre ete, te, sea sea may mayor de tres tres camas amas.. Si existen más de tres camas ocur ocurri rirá rá una una abra abrasi sión ón sobr sobre e el cabl cable. e.

l d



Sistema de izaje

Malacate

La long longit itud ud del del tamb tambor or elev elevad ador or pued puede e ser ser obte obteni nida da con con la sigu siguie ient nte e fórm fórmul ula: a:

Lc =

Ll x N x Dc 6π 6π x Rt

+ 9 (p (pg); Do Donde:

Dt = 24 Dc

Lt Ll N Dc Rt Dt

longitud del tambor (pg) longitud de la lingada (pug) número de líneas en el gancho diámetro del cable (pg) radio del tambor (pg) diámetro del tambor (pg)

Ej: Cuál deberá ser la longitud del tambor elevador para un equipo de perforación que opera con 6 líneas en la polea viajera, si la longitud de la lingada es de 29 m y el diám diámet etro ro del del cabl cable e de perfo erfora rac ción ión es de 1 1/8 1/8” pg? pg?. Dt = 24 Dc = 24 x 1.125 = 27 pg 3.5 pg Rt = Dt / 2 = 13.5

Lc =

(29x (29x3 39.37 9.37)) 6 x 1.12 1.125 5 6π x 1.125 x 24 /2

+ 9 = 39.3 39.3 pg


Sistema de izaje

Elementos de Perforación Cable

CABLE



Sistema de izaje

Cable

Cable. Cable. El cable de perforación une al malacate con el ancla del cable y está guarnido a trav través és de la coron orona a y la pole polea a via viajera jera con con obje objeto to de darle arle movim ovimie ient ntos os vert vertic ica ales les a esta esta . El cable esta formado por torones y un alma, varios torones se tuercen alrededor de un alma para para form formar ar el cabl cable. e.

Corona

Línea viva

Toron

Línea muerta

Alma

Malacate

El alma o núcleo puede ser de fibra o acero

Ancla Polea viajera Carrete del cable

La trama de un cable describe la dirección en la que los alambres y los torones están envueltos uno del otro. Es el tipo de construcción del cable. El trab trabaj ajo o prin princi cipa pall que que desa desarr rrol olla la un cabl cable e es: es: 

Durant Durante e la perfor perforaci ación. ón.



Viaje iajes s para para camb cambio io de barr barren ena. a.



Introd Introducc ucción ión de tuberí tuberías as de revest revestimi imient ento. o.



Operac Operacion iones es divers diversas as (pesca (pesca,, núcleo núcleos, s, etc.) etc.)



Sistema de izaje

Cable

constr tru ucció cción, n, la resi resis sten tencia cia del del mate materi rial al y La resi resist sten enc cia de un cab cable depen epende de de: su cons de su diám diámet etro ro.. Depe Depend ndie iend ndo o de su cons constr truc ucci ción ón los los cabl cables es se clas clasif ific ican an en: en: El cabl cable e más utili tiliza zado do en la indu indust strria pet petrole rolerra tien tiene e una clas clasiifica ficaci ció ón 6 x 19 SEALE con cen centro tro de cabl cable e inde indepe pend ndiient ente. El número 6, se refiere al número de torones que rodean al cada acer acero o inde indepe pend ndie ient nte; e; el número alma de cada 19, 19, indi indica ca que que cada cada toron oron tien tiene e 19 alam alambr bres es.. 6 x 19 SEALE El diseño SEALE nos indica el número de alambres internos y exter externo nos s del del toron toron..

El API API clasifica los cables como se indica a continuación: De acero ranurado extra mejorado (EIPS) De acero ranurado mejorado (IPS) De acero ranurado (PS) De acero ranurado suave (MPS)



Sistema de izaje

Cable

El diámetro corre orrec cto del cable es el del circ irculo circunscrito tangente a todos los torones exterior iores como se muestra tra en la figu igura. Para medir el diámetro en la forma correcta se recomienda el uso de un calibrador en la forma forma indica indicada. da.

El cable es un elemento de transmisión entre el sistema de potencia y el trabajo de leva levant ntam amie ient nto o del del apar aparej ejo o y dura durant nte e su oper operac ació ión n es some someti tido do a: roza rozami mien ento to,, esco escori riad ado, o, vibrado, torcido, compresión y estirado; razón por la cual se debe aplicar un factor de segu seguri rida dad d en su dise diseño ño.. El API API prop propor orci cion ona a los los sigu siguie ient ntes es fact factor ores es:: Tipo de servicio

Factor de diseño 3



Sondeo



Levantar y bajar mástil



Introducir TR

2



Pescas

2

2.5

La resis sisten tencia cia a la ruptu upturra de un cabl able extramejorado se puede obtener media mediante nte la siguie siguiente nte expre expresió sión: n:

Rc = D2 x 100,000 lb



Sistema de izaje

Cable

La princ rincip ipa al func funciión de un cabl cable e de perfo erfora raci ción ón con conjunt juntam amen ente te con otro otros s com compone ponent nte es (poleas) del sistema de izaje es la de dar una vent ventaj aja a mecá mecáni nica ca (Vm) (Vm) para para leva levant ntar ar o bajar jar la sarta rta de perforación. Si la tensión en la lín línea viva iva que esta unida al malacate se defi define ne como como Tf, Tf, ento entonc nces es la vent ventaj aja a mecá mecáni nica ca es: es:

Vm =

Tf =

Wg Tf Wg g

donde:

Wg es el peso en el el gancho gancho (lbs) Tf tensión en la línea viva (lbs)

donde:

N Eg

es el número de líneas en la polea viajera (gancho) es la eficiencia aplicada al gancho

Ej: Ej: Se usará un cable de 1 3/8 pg, 6 x 19 SEALE para correr una T.R. que pesa 500,000 lbs. Se desea saber si con un guarnido de 10 líneas el cable cumple con un factor tor de seguri uridad de 2. La resist istencia del cable es de 192,00 ,000 lb y la eficien iencia por pole polea a de 0.98 0.98.. Eg = (0.98) 10 = 0.817

Fs =

Rcable Tf

=

192,000 61 199

Tf =

= 3.137

Wg N Eg

=

500,000 (10) (0.817)

= 61,199 lbs

Si cumple con el factor de seguridad


Sistema de izaje


El fact factor or de segu seguri rid dad (FS) (FS) del cab cable tam también ién puede uede ser ser obte obteni nid do de la sigui iguien ente te form forma: a: Fs = (Rc x N x Eg) / Wg Donde:

Rc resistencia del cable (lbs)

Fs = (192000 x 10 x 0.817) / 500000 Fs = 3.137

Si el Fs hubiese resulta ltado menor de 2, se tendría que cambiar el cable o aumentar el número mero de lín líneas eas en la pole polea a viaje iajera ra..



Sistema de izaje

Cable

La pote otencia ncia req requeri uerid da (HP) (HP) al ganc gancho ho para para leva levant ntar ar una deter eterm mina inada carga arga,, se calc calcu ula con: HPg caballos de potencia potencia al gancho gancho (HP)

Wg V HPg = 33000 HPm =

donde:

V

velocidad de izaje en (pies/min)

HPm caballos de de potencia de salida en los motores motores (HP) (HP)

HPg 33000 Eg Em

donde:

Eg

eficiencia del gancho

Em

eficiencia del malacate

Ej: Ej: Se usará una sarta de perforación para perforar un pozo que tendrá un peso de 300,000 lb, la velocidad de izamiento será de 93 pies/min. Se tienen 8 líneas guar guarni nida das s al ganc gancho ho.. El equi equipo po tiene tiene los los sigu siguie ient ntes es comp compon onen ente tes: s: Motor 1 Flechas 4 Cadenas 3 7 Total

2 6 5 11

3 7 4 11

Supo Supong nga a una una efic eficie ienc ncia ia del del 75% 75% en los los conv conver erti tido dore res s de torsión y del 98% para cada polea. Calcular los requ requer erim imie ient ntos os míni mínimo mos s de pote potenc ncia ia en los los moto motore res. s.


Sistema de izaje


Solución: HPg = (300000) (93) / 33000 = 845 HP

Caba Caball llos os requ requer erid idos os en el ganc gancho ho..

Eg = (0.98) 8 = 0.850

Efic Eficie ienc ncia ia del del sist sistem ema a del del ganc gancho ho

HPm = HPg / 0.850 = 994 HP

Caba Caballo llos s requ requer erid idos os en el mala malaca cate te

E = [(0.98)7 (0.98)11 (0.98)11] / 3 = 0.823

Efic Eficie ienc ncia ia entr entre e los los moto motore res s

HPm = 994 / 0.823 = 1,207 HP

Pote Po tenc ncia ia en los los moto motore res s

HHP = HPM / Ec = 1207 / 0.75 = 1,609 HHP

Requerimiento mínimo de potencia en los los moto motore res s



Sistema de izaje

Cable

Durante la vida operativa de un cable es necesario estar revisando su desgaste. La práctica más común es calcular el número de ton tonelad eladas as – kiló kilóme metr tro o (TK) (TK) de trab trabaj ajo o realizado por el cable. Una tonelada - kilómetro se define como el trabajo realizado por el cable para levantar 1 Ton de peso a lo largo de 1 Km . Los principa ipales fac factores que afect fecta an el desgaste del cable son: los viajes jes redondos, la corr corrid ida a de la T.R. .R. y la perf perfo oraci ración ón.. Las Las tons tons – Km se obtie btiene nen n con con la sigu siguie ient nte e ecu ecuació ación n: TK =

DWtp(Ll+D) 1 579 326

+

D Wg 588.65

+

Llb D W 789 665

donde:

TK = Toneladas – kilómetro del cable D

= Profundidad del pozo (m)

Wtp = Peso unitario (flotado) de la TP; (lb/pie) Ll

= Longitud de la lingada (m)

Wg = Peso del gancho (ton) Llb = Longitud de los lastrabarrenas (m) W

= Peso unitario flotado de los lastrabarrenas - peso unitario flotado de la TP (lb/pie)



Sistema de izaje

Cable

Ej: Calcular las toneladas – kilómetro en un viaje redondo para un pozo con las siguientes siguientes condicione condiciones: s: Profundidad = 4000 m

T.P. 4 ½”, 16.6 lb/pie

Dens. del lodo (ρ) = 1.45 gr/cc

Lastrabarrenas = 180 m y 107 lb lb/pie

Peso ga gancho = 8 to ton

Longitud de la lingada = 29 m TK =

DWtp(Ll+D) 1 579 326

Wtp = Wtp (Ff)

+

D Wgc 588.65

Wlb = Wlb (Ff)

Ff =1 – (1.45 /7.85) /7.85) = 0.815

+

Llb D W 789 665

Donde: Donde: Ff = 1 – (ρl /ρa)

Wtp = 16.6 x 0.815 = 13.53 lb/pie

W = Wlb - Wtp

Wlb = 107 x 0.815 = 87.26 lb/pie

W = Wlb – Wtp = 87.26 – 13.53 = 73.73 73.73 lb/pie lb/pie

TK =

4000(13.53)(4000+29) 1 579 326

+

4000(8) 588.65

+

180(4000)(73.73)

TK = 259.66 259.66 toneladas toneladas - kilómetro kilómetro

789 665


Sistema de izaje


Tarea area No. 2 Calcular las las toneladas – kilómetro tro en un viaje iaje redondo para un pozo con las siguientes tes condiciones: Profundidad = 14,76 ,760 pies T.P. 5”, S-135 = 29.05 .05 kg/m Lastrabarrenas 8” x 3”= 165 m y 107 lb/pie Densi ensid dad del del lodo lodo:: 1.8 1.80 gr/cc r/cc Longitud de la lingada = 28 m Peso del gancho = 26,400 lbs


Sistem tema de izaje

Elementos de Perforación Sistema de poleas

S I STE MA D E




El sistema de poleas es el que une mediante el cable de perforación al malacate con la tubería de perforación o revestimiento y proporciona un medio mecánico para bajar o levantar dichas tuberías. El sistema de poleas se compone de: la corona y la polea viajera. La coro corona na es una serie de poleas fijas colocadas en la parte superior del mástil.

La pole polea a viaje iajera ra,, como su nombre lo indica, es de libre movilidad. También se le conoce como: Block y Ganc Gancho ho..




El sist sistem ema a de pole poleas as nos nos perm permit ita a redu reduci cirr la fuer fuerza za requ requer erid ida a para para saca sacarr o mete meterr la tube tuberí ría. a. Una polea

Tres poleas en la corona y dos en la polea viajera

W = 136,200 kg levantar 0.3 m

W = 136,200 136,200 lb levantar 0.3 m

T = F x d = 136200 x 0.3 = 40,860 kg -m Si realiza el trabajo en un segundo:

Distancia recorrida en el malacate = No. de líneas x la distancia recorrida por la carga.

Potencia = Trabajo / tiempo

D = 4 x 0.3 = 1.2 m

Potencia = 40,860 kg -m

Fuerza del malacate = W / No. Líneas

Si 1 HHP = 75 kg –m

F = 136200 / 4 = 34,050 kg

HP requeridos = 544.8 HP La dist istanc ancia que reco recorr rre e el cab cable en el malacate es la misma que recorre la carg carga a (0.3 (0.3 m). m).

T = F x d = 34050 34050 x 1.2 = 40,860 kg - m Potencia = Trabajo / tiempo Potencia = 40,860 kg -m Si 1 HHP = 75 kg –m HP requeridos = 544.8 HP




Sistema de poleas

El equi equip po de perf perfor orac ació ión n debe eberá eval evalua uars rse e en su sist sistem ema a de pole polea as para para ase asegura gurarr que cum cumpla con con los los requ requer erim imie ient ntos os de segu seguri rida dad. d. Las Las espe especi cifi fica caci cion ones es para para los los fact factor ores es de segu seguri rida dad d son: son: CARGA CALCULADA (TONS)

De 0.0 a 150

FACTOR DE SEGURIDAD

EFICIENCIA D LAS POLEAS VIAJERA

4

151 a 500

4 – (R-150 (R-150)) /350 /350

501 ó más

3

Fg = (0.98) n n es el número de líneas ó poleas del gancho) Nota R es la carga calculada

”, . , . . el gancho tien iene una capacidad para 350 ton. ¿Estará bien dise iseñado el sistema ema de la polea polea viaje viajera? ra?.. Ff = 1 – (ρl /ρa) = 1 – (1.82/7.85 (1.82/7.85)) = 0.77 WTR = 4300 x 3.28 x 53.5 x 0.77 = 581,014 lbs = 264 ton Fs = 4 – (R-150) (R-150) / 350 = 4 – (264-150) (264-150) / 350 = 3.67 La capacidad requerida del equipo = Fs (WTR) = 3.67 x 264 = 968.9 tons De acuerdo a los requerimientos del API el equipo esta bajo diseñado No soporta




Ej: Se requiere correr una T R de 13 3/8”, 77 lb/pie a 2,300 m en un lodo de 1.52 gr/cm. Si el gancho tiene una capacidad para 420 ton. ¿Estará bien diseñado el sistema de la polea polea viaje viajera? ra?..

(R) Sistema de Izaje

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