1.- OBJETIVO: Cono Conoce cerr en det detall alle las part partes es com compone ponent ntes es del del “SIS SISTEMA TEMA BÁSI BÁSICO CO DE RESISTENCIA” Conocer las distintas funciones del sistema básico de resistencia. •
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2.- INTRODUCCIÓN: En la actualidad la perforación de un pozo se realiza mediante la perforación rotaria. La perforación rotaria se la define como una acción conjugada entre el efecto de rotación y el peso aplicado por un taladro o trépano de acero, este trépano será conectado a una columna de acero compuesta de tubería de perforación, portamechas y todo el equipo que conforma la sarta de perforación. El efecto de rotación lo provee la mesa rotaria que esta colocada en la superficie, durante la perforación se realiza una serie de acciones y trabajos como ser: el retirar la sarta de perforación, el levantamiento de muestras de testigos, etc. Todo esto es controlado desde la superficie. Los pozos de petróleo y gas se perforan en las más diversas condiciones geológicas y climáticas, sus profundidades pueden ser desde varias centenas hasta varios miles de metros. Es por esto que las instalaciones de perforación existentes son de varias clases cada una de las cuales a de satisfacer las exigencias que surjan al perforar en condiciones determinadas. El principal principal parámetro parámetro de una instalación instalación de perforación perforación es la capacidad de levantamient levantamientoo de carga o capacidad elevadora que determinan las estructuras y características de un equipo de perforación. Todo este trabajo realizado durante la perforación de un pozo se lo realiza con grandes esfuerzos, puesto que se trabaja con materiales de acero, todo este esfuerzo de cargas es soportado por el sistema básico de resistencia. El sistema básico de resistencia es una de las partes mas importantes del equipo de perforación ya que es la estructura y base fundamental de este, su función principal es de soportar el sistema de rotación para tener una buena perforación. 3.- ESTRUCTURA DE SUSTENTACIÓN: Todos los sistemas de perforación necesitan el uso de un tipo definido de torre o mástil para sostener el equipo de perforación en posiciones de trabajo y para suspende el aparejo elevador con el cual se levantan las pesadas herramientas de perforación y las columnas de tuberías de revestimiento. Como estos equipos pesan cientos de toneladas y sujetan fuerzas de gran magnitud la estructura de sustentación o estructura superior debe ser: Fuertemente reforzadas en todas direcciones y bien ancladas, cimientos firmes para que no se arranque o derrumbe con la presión de viento. Debe ser alta para disponer espacios libres para que se puedan maniobrar los tiros de herramienta, tuberías de perforación y aparejo elevador entre las poleas de la parte superior y la boca de pozo. La cimentación de esta estructura debe ser rígida e inflexible para resistir las pesadas cargas. Deben ser diseñadas de acuerdo al subsuelo en que se asientan. •
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Las localizaciones de fuerza de la costa (bancos de arena, brazos de ríos, lagos y canales ribereños) pueden exigir que en las torres se levanten las plataformas sostenidas con “pilotes” que son cajones sumergibles que las puedan levantar en islas artificiales para cimentar también. Cuando los pozos son comparativamente poco profundos se puede usar un mástil reforzado, estos mástiles se pueden conseguir de varios tipos y son diseñados para fácil erección y transporte. Sin embargo para perforaciones mas profundas se tienen que utilizar estructuras mas sólidas en forma de torre. 4.- PARTES DEL SISTEMA BASICO DE RESISTENCIA: El sistema básico de resistencia de un equipo de perforación rotaria esta conformado por los siguientes elementos: 4.1.- Torre o mástil 4.2.- La subestructura 4.3.- Playas de almacenaje de material tubular 4.1.- Torre de perforación: Una torre de perforación es una estructura de cuatro lados, piramidal, troncada de sección cuadrada que tiene cuatro pies derechos verticales que forman las esquinas de la estructura, unidas entre si por una serie de travesaños horizontales y contravientos inclinados. Los 4 lados de la torre están inclinados en una pendiente de 1-5 y de 1-12 (grados), dependiendo de la altura y del tamaño de la parte superior e inferior de la torre. La plataforma se erige sobre una infraestructura que sirve para dos propósitos principales: Soporta el piso de la instalación, así proveyendo espacio para equipos y empleados. Provee espacio debajo del piso para enormes válvulas especiales preventores de reventones. • •
4.1.1.- Partes de una torre: Las partes de una torre son: * Travesaños.- Son las partes estructurales que conectan y soportan los 4 pies derechos de la torre. * Contravientos.- Son las partes mas utilizadas para fortalecer la torre, estos son refuerzos propios entre los travesaños por lo que la torre debe también diseñarse para soportar el empuje máximo del viento al cual estará expuesto, los contravientos pueden soportar vientos de 161 a 209 km/h. * Peine.- Es un apoyo donde se colocan las tuberías para bajarlas al pozo ó sacarlas del mismo. * Plataforma superior.- La plataforma superior suministra un lugar seguro para trabajar alrededor del caballete porta poleas. * Plataforma de trabajo.- Es el área donde se ponen los tubos de perforación y sirve para colocar al obrero encargado para manejarlo cuando se saca ó se inserta en el pozo las tuberías. * Pie derecho.- Los pies derechos de la torre son los miembros estructurales más importantes, la distribución de cada pie derecho de la torre en un área relativamente grande se logra utilizando una base que tenga el área necesaria para cada esquina de la subestructura. 4.1.2.- Diseño de la torre:
a) La torre debe diseñarse para soportar con seguridad todas las cargas que se vayan a usar en los pozos, sobre los que se coloca, esta es la resistencia al colapso causado por cargas verticales, o sea; la capacidad de cargas muertas de la torre. Normalmente la carga muerta más grande que soporta una torre será la tubería de revestimiento. Sin embargo esta columna de tubería de revestimiento muy pesada no será el esfuerzo más grande a la cual se someta la torre; la carga máxima principal a la cual se la someta será el resultado de jalar un equipo como tuberías de perforación o revestimiento que se haya pagado en el agujero. Las patas de la torre están sujetas a compresión y a veces a esfuerzo de flexión. El peso muerto de la estructura impone muy poco esfuerzo en las vigas y refuerzos, pero la carga de viento y la carga viva implícita a la operación del equipo se aplican a los miembros horizontales e inclinados que son los sujetos a esfuerzos. Generalmente las vigas horizontales están sujetas a esfuerzo de compresión y las inclinadas a la carga de tensión. b) La torre debe también diseñarse para soportar el empuje máximo del viento al cual estará expuesto, no solamente deberá diseñarse para resistir las fuerzas del viento que actuarán en los dos lados al mismo tiempo, sino que también debe considerarse el hecho de que la tubería este afuera del agujero y apilada en la torre durante periodos de fuertes vientos. Capacidad de carga muerta de una torre.- Para torres de perforación el ingeniero debe considerar la carga máxima que es probable que se le imponga, generalmente la mayor carga muerta que soporta la torre es la de la columna de revestimiento más pesada que se va a introducir en el pozo, esta puede calcularse si conocemos el tamaño y la profundidad a la cual se colocará cada columna de tubería, a la carga muerta de tubería se le añade una tolerancia de 25 a 50%. Otro método para estimar la resistencia de la carga muerta de una torre es suponer que deben ser capaces de resistir el esfuerzo necesario para romper el cable elevador. •
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Cargas de viento.- Es un factor que se debe tomar en cuenta para el diseño de una torre, según el API las torres deben ser diseñadas para resistir la presión de un viento que tenga una velocidad de 112km/h que desarrolla una presión horizontal de 0,0057kg/cm2 en todas las superficies expuestas directamente al viento. Al calcular la superficie expuesta al viento debemos suponer que el viento se aplica a la parte superior del travesaño y en la parte inferior del mismo opuesto. cargas combinadas en las torres: al analizar las cargas se pueden aplicarse a una torre que se usa en operaciones de perforación, debemos considerar no solo en peso de la torre misma y la carga muerta que pueda suspenderse de ella, sino también las cargas vivas causadas por las fuerzas que se aplican en el manejo del equipo y desarrollo del trabajo. La carga muerta de la torre es en si un factor considerable, totalizando en el caso de una torre de acero de 46m unos 13620ª 22700 kg. Una columna larga de tubería de revestimiento de diámetro suspendida en el pozo desde la corona de la torre, puede imponer una carga hasta de 136200 kg., a los que se debe
agregar por lo menos 25% o sea otros 34050 kg. Causados por la fricción si se tiene que elevar la columna de tubería. Al manejar columnas largas de tubería de revestimiento pesadas o al jalar tubería de perforación o revestimiento pesada con maquinas poderosas de 2 cilindros operadas por la alta presión de vapor , con la fuerza multiplicada muchas veces por las resistentes poleas viajeras, con las cargas aplicadas repentinamente, se impone un esfuerzo que ocasionalmente, causa que se doble y aun que se derrumbe completamente la torre. Los pies derechos de las torres funcionan como columnas en compresión y están sin apoyo entre los puntos de entrepaños adyacentes. 4.1.3.- cimentación de las torres: Para distribuir las cargas correctamente conservar todo el equipo mecánico bien alineado la torre debe tener una base rígida. El tamaño de la cimentación que se va a construir puede determinarse solamente después de una inspección del subsuelo sobre el cual se va a descansar, el terreno aluvial es capaz de soportar una carga de 0.489 Kg./cm2 sin ceder, la arena humada soporta 0.978 Kg./cm2, las rocas 14,67 Kg./cm2. Una vez estimada la carga vertical de la torre y la carga viva; el total se divide en partes iguales entre los 4 pies derechos de la torre y se construye una base para cada uno. Es importante que la cimentación sea rígida y resistente porque si no se puede provocar una falla en la torre. La mayoría de fallas en la torre es causada por la distribución desigual de cargas de los pies derechos. Para pozos profundos se usa la cimentación de concreto para dar mayor seguridad contra los derrumbes y mayor resistencia al deterioro. El diseño de los cimientos de los concretos para la torre de perforación, varia con el tipo de equipo, con el tamaño y peso del equipo que se determina por la profundidad a la cual se propone perforar , por la naturaleza del terreno, carácter del suelo. 4.1.4.- Tipos de torres Torres convencionales son unas pirámides de cuatro lados truncados que están construidos con acero estructural, aunque para ciertas partes de la torre se usa a veces acero tubular. Las torres pueden ser portátiles o fijas, llamándose mástiles alas torres portátiles. •
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La torre fija se arma por lo general remachando unos a otros los miembros de la estructura. Por ejemplo cuando se ha terminado de perforar un pozo, la torre puede desarmarse, desempernando y armándose otra vez en la siguiente localización. Como la instalación de la torre puede tardar varios días. Algunas compañías tiene las costumbres de usar dos torres de este tipo con cada equipo de perforación. Después de que se ha terminado un pozo no se procede a desarmar la torre Nº 1 inmediatamente, por que la torre Nº 2 ya se ha instalado en la siguiente localización. Usando las dos torres se ahorra muchísimo tiempo del equipo por que no se pierde tiempo teniendo que esperar que la cuadrilla constructora de la torre la desarme, mueva a
la nueva localización y la desarme otra vez. Cuando el equipo este perforando en el pozo Nº 2 y una vez que se conoce la nueva localización, entonces se desarma la torre Nº 1 y se instala en esta ultima. En terrenos planos algunas veces la torre se desliza a la siguiente localización sin desmantelarla. 4.1.5.- Torre portátil o Mástil Un mástil se define como una estructura que puede moverse sin desmantelarse. Los mástiles usados en la perforación de pozos petroleros pueden variar desde una estructura de 4 píes derechos que se parece mucho a una torre normal. Los mástiles se han fabricado con alturas tan grandes como 45 m y capacidades de carga de mas de 454 ton. Estos mástiles se pueden usar con seguridad hasta profundidades cercanas a 5000 m en algunos lugares. 4.1.5.1.- Mástil de perforación: El mástil es portátil y muchas veces lo llama “torre” aunque en realidad no lo es. La mayoría de las perforaciones modernas utilizan mástiles, aunque todavía existen unas cuantas torres, especialmente en perforaciones marinas que tiene que ser montadas y desmontada cada vez que se cambie de lugar, es por esta razón que para facilitar el montaje rápido del equipo de perforación y su traslado de su localización de un pozo a otro, la torre puede sustituirse por un mástil. El mástil requiere un método sencillo y efectivo de levantarlo y bajarlo lo que generalmente se consigue usando el cable de perforación junto con un marco en forma de “A” de algún tipo. Para levantar el mástil, primero se lo pone en una especie de cuna con ayuda de grúas porque el mástil es muy pesado, luego con el malacate los cables es levantado hasta su posición vertical. Al principio los mástiles fueron desarrollados para profundidades no mayor de 2320mt. Y tenían una altura de 25,5mt. Los mástiles usados en las perforaciones de pozos petroleros pueden variar desde una estructura sencilla para perforar pozos de poca profundidad hasta una estructura de 4 pies derechos que se parece mucho a una torre normal. Los mástiles se han fabricados con alturas tan grandes de 45m y capacidades de carga de mas de 454 ton. Estos mástiles se pueden utilizar con seguridad hasta profundidades cercanas a 5000 m en algunos lugares. Según las especificaciones del API para mástiles de equipo de perforación existen dos clases: Mástiles portátiles de pie derecho libre o de pedestal libre Mástiles portátiles atirantados o retenidos con vientos • •
El primero, como su nombre lo indica no usa tirantes para sostenerse. Si esta bien diseñado podrá resistir cargas tan grandes como cualquier mástil sostenido con tirantes. El segundo, depende de vientos o tirantes de alambre que soportan como miembros esenciales que resiten cargas.
La mayoría de diseño que se fabrican son telescopicos o desarmables para lograr las dimensiones requeridas por las leyes de caminos. El mástil con tirantes no se desmantela para trasladarse pues esta diseñado para plegarse y doblarse en un camión. Mientras el mástil de pie libre se desarma en componente para transportarse en varios camiones. Los mástiles de una sola estructura están hechos de acero tubular, muchos de ellos con tuberías de revestimientos o tubería de línea En general los mástiles y las torres tienen que ser lo mas fuerte posible y a la ves ser portátiles. Hay que tomar en consideración que en un pozo profundo la sarta de perforación puede pesar hasta 250 ton. Sin embargo después de que se termina un pozo, la torre o mástil se traslada a un área nuevo para comenzar otra perforación. 4.2.- Subestructura La subestructura es un gran armazón de acero que es ensamblada (armada, montada) directamente en el sitio de perforación. La subestructura sede los espacios necesarios para los equipos y personal de trabajo bajo el piso de la plataforma de dicha subestructura. Ese espacio necesario dependerá del equipo que se este usando y las presiones de perforación que se encontrarán en el pozo. La subestructura es capaz de soportar tremendos pesos, incluyendo la torre o mástil, el equipo de izaje, mesa rotaria, sarta de perforación (tuberías de perforación, portamechas , etc.), cañería de revestimiento, además el malacate. La subestructura debe asentarse sobre cimientos que resistan las cargas a las que será sometida. El concreto constituye un cimiento excelente pero caro y además en lugares donde la cimentación debe quitarse al terminar el pozo. El quitarlo es un problema. Se ha usado mucho la resistencia de los suelos para resistir las cargas requeridas. Los asientos para cada pie derecho de la torre debe ser mucho mayores que cuando se utilizan concreto para cimiento. La distribución de la carga de cada pie derecho de la torre en un área. Relativamente grande se logra utilizando una base que tenga el área necesaria para cada esquina de la subestructura. Estas bases pueden hacerse de vigas de acero estructural colocadas en una carpeta de tablas de madera. Las bases de acero pueden soldarse y las camas de tablas atornillarse para reducir el tiempo de colocación y desmantelamiento cuando se mueve la torre. Para determinar el tamaño de cada base requerida es necesario conocer la relación del suelo y las cargas máximas esperadas en el faro. 4.2.1.- Partes de la subestructura: 1. Mesa Rotaria 2. Transmisor de potencia
3. Malacate 4. Consola del perforador 5. herramientas para hacer conexiones de tuberías 6. agujero para depositar tubos para hacer la conexión 7. Ratonera 8. Caseta del perforador 9. Rampa para tubería 10. Pasadizo para tuberías 11. Gato hidráulico Los principales elementos que se encuentran en el suelo del equipo de perforación son: 1. Mesa rotaria.- Es la que gira y hace girar a toda la sarta de perforación, además que puede suspender a la misma (tuberías, portamecha, barras pesadas, etc.), la cual puede volver al trepano al fondo del pozo y ponerlo en el mismo. 2. Mando rotario.- Transmite energía del mecanismo elevador a la mesa rotaria. 3. Malacate (mecanismo elevador).- Sube mecanismos de perforación rotaria. 4. Consola del perforador.- En el instrumento principal de la perforación rotaria. Situada normalmente cerca del malacate. La consola es el corazón del sistema de instrumentación del equipo de perforación. La consola provee al perforador con una amplia vista de lo que esta sucediendo en cada uno de los principales subsistemas. La consola mide normalmente la información que viene de: 1. Bombas de lodo. 2. Presión de bomba. 3. Torque a la rotación. 4. Velocidad de rotación. 5. Momento de torque de tenazas. 6. Peso suspendido (nos interesa) 5. Tenazas para enroscar y desenroscar tuberías.- Son grandes llaves usadas para girar secciones de tuberías, portamechas, cañerías, etc., para conectar y desconectar secciones. 6. Hoyo del Ratón.- Es un hoyo revestido proximo a la mesa rotaria, donde una junta de tuberías es colocada para desconectarla del cuadrante (kelly) y del sistema de perforación. 7. Ratonera (rat hole).- Es un hoyo revestido situado cerca de la parte de la torre o mastil, donde el cuadrante (kelly) es colocado mientras se hace un viaje (trip). 8. Caseta del perforador.- Es pequeña, usada como oficina del perforador y para almacenar pequeños artículos. 9. Rampa de tuberías ( pipe ramp).- Es una rampa inclinada donde son colocadas las tuberías antes de alzarlas al suelo del equipo de perforación. 10. Pasillo de tuberías (catwalk).- Es un pasillo entre la tarima para tuberías y la base de la rampa de tuberías, cerca al equipo de perforación, donde están las tuberías antes de ser colocadas en la rampa de tuberías. 11. Gato hidráulico (hydraulic cathead).- Usado para hacer conexiones y desconexiones cuando grandes tuberías o portamechas son agregadas al sistema o removidas durante un viaje sobre o afuera del pozo.
4.3.- Playa o Plataforma de arrume: Estas playas de almacenaje están conformadas por armazones pequeñas hechas preferentemente con material estructural de acero, o puede ser material de descarte de anteriores perforaciones. Su objetivo es suministrar material tubular necesario durante la perforación del pozo (cañerías de revestimiento, tuberías de perforación, portamechas, etc.)
TORRES DE PERFORACIÓN.La gente de la industria petrolera agrupa las torres o plataformas en 6 tipos báscios: 1.- torres en tierras. 2.- torres autoelevadizas 3.- plataformas de perforación 4.- plataforma sumergibles. 5.- plataforma semisumergibles. 6.- buques de perforación o barcos de perforación. 1. Torre de perforación en tierra.- Este tipo de torres es la más común y esta diseñado para perforar pozos solo en tierra, son las torres de perforación más comunes. Estas torres son construidas de diversos tamaños según la profundidad a la que se quiere llegar. Potencia y profundidades Las torres de potencia ligera perforan pozos de 3000 a 5000 pies (1000 a 1500 metros). Las torres de mediana potencia perforan pozos de 4000 a 10000 pies (1200 a 3000 metros). Las torres de gran potencia perforan pozos de 12000 a 16000 pies (3500 a 5000 metros). Las torres de potencia ultra pesadas perforan pozos de 18000 a 25000 pies (5500 a 7000 metros). Los operarios pueden transportar los equipos de perforación en camiones, tractores, traileres, barcazas, helicópteros, dispositivos pesados rodantes y en raras ocasiones en equipos especiales de aire comprimido. Los equipos de perforación ligera son fáciles de mover. Mientras mas potencia tenga la torre más difícil se hace su traslado, aunque también la topografía de donde se quiere perforar es un factor de mucha importancia para el traslado del equipo y por lo tanto también para el costo.
2. Plataforma autoelevadiza.- Esta torre esta diseñada para hacer perforaciones costa afuera, tiene pilares que soportan la cubierta y el casco, cuando se coloca en el lugar de la perforación la base de los pilares se apoya en el fondo del mar. Las plataformas autoelevadizas pueden perforar en aguas que va desde algunos pies o metros hasta los 400 pies o 120 metros de profundidad. A menudo los barcos remolcan las plataformas autoelevadizas con sus pilares retraídos hacia arriba, una vez que la plataforma esta levantada los operarios consiguen anclar los pilares firmemente en el fondo del océano y ajustan y nivelan el fondo de la cubierta del fondo y el casco. 3. Plataformas de perforación.- Una plataforma de perforación es una estructura inmóvil en el mar a poca distancia de la costa, o sea que una vez levantada nunca se mueve del lugar de la perforación, las compañías perforan varios pozos petroleros desde la plataforma, las cuales pueden estar asistidas por buques auxiliares que flotan a un costado de la plataforma la cual esta firmemente anclada al fondo marino, aunque muchas no disponen de buque auxiliar ya que son tan grandes que son autónomas. Las grandes plataformas de perforación incluyen la plataforma con estructura de acero, tipo cajón y de base de hormigón, en aguas profundas los fabricantes de plataformas de perforación construyen estas para que resistan el azote del agua y el viento, dos torres de plataformas flexibles son: La torre retenida y el soporte de tracción para torres. 4. Plataformas sumergibles.- Un equipo de perforación sumergible permanece en el fondo del mar mientras se este perforando, los operarios inundan los compartimientos lo que produce que el equipo de perforación se sumerja y permanezca en el fondo, cunado esta listo para moverse los operarios extraen el agua de los compartimientos esto hace que el equipo salga a flote, los botes pueden entonces remolcar el equipo hasta el lugar siguiente. Los constructores de equipos de perforación diseñan los de tipos sumergibles para perforar en aguas pozo profundas y en profundidades hasta 175 pies. Los equipos sumergibles de perforación incluyen el sumergible de barcazas de pilares, el sumergible tipo botella y el sumergible ártico. 5. Plataforma semisumergibles.- Un equipo de perforación costa afuera (offshore), cuando se inundad con agua los pontones y la columna hacen que la unidad se sumerjan parcialmente a una profundidad predeterminada el equipo de trabajo esta montado en la cubierta, en el lugar de la perforación los operarios pueden anclar el equipo en el fondo del océano o usar un sistema de propulsores o posicionadores para mantener el equipo sobre el pozo. Los operarios montan la cabeza del pozo y los preventores de reventones en el fondo del océano, unos tubos especiales llamados Riser pipers se conectan por encima de los preventores de reventones de la plataforma. En algunos casos los operarios ocupan propulsores para mantener el equipo sobre el pozo, los llamados propulsores de posicionamiento se conectan a una computadora de abordo
para mantener el equipo en posición, algunos semisumergibles posicionados dinámicamente pueden perforar en aguas de una profundidad de 7500 pies (2200 metros), el mantener sobre el pozo los operarios los llaman estación. Las plataformas semisumergibles pueden ser trasladadas completamente armada en buques o cargueros especiales, el cual dejara la plataforma en el lugar de la perforación, esto es cuando las dimensiones mas cortos los operarios remolcan el equipo o mueven el equipo con los propulsores de la plataforma. 6. Buques de perforación.- Un buque de perforación es un grupo flotante y auto propulsado para perforaciones a pozo y mediana distancia de la costa, normalmente usa un sistema similar al de una plataforma semisumergible.
