SISTEMAS DE SEGURIDAD DE LOS TALADROS DE PERFORACIÓN. PERFORACIÓN. Descripcion: El sistema de seguridad del taladro previene el flujo incontrolado de fluidos de la formación hacia el pozo. Cuando la mecha penetra una formación que contiene un fluido a una presión mayor que la hidrostática ejercida por el fluido de perforación, los fluidos de la formación, los fluidos de la formación comenzaran a desplazar al fluido de perforación fuera del pozo. El flujo de fluido desde la formación hacia el pozo, originado por un desbalance hidrostático, se conoce como arremetida. El sistema de seguridad permite:
Detectar la arremetida. Cerrar el pozo en la superficie. Circular el pozo bajo presión para sacar el fluido invasor e incrementar la densidad del lodo. Mover la sarta de perforación con el pozo cerrado bajo presión. Desviar el flujo lejos del personal y equipos. Las fallas del sistema de seguridad originan un flujo incontrolado de fluidos de la formación, lo cual se denomina “reventón” . Este es quizás, el peor desastre que puede ocurrir durante las operaciones de perforación, pudiendo ocasionar perdidas de vidas, equipos de perforación, la mayor parte de las reservas de gas/petról eo del yacimiento y daños ambientales. Debido a esto el sistema de seguridad es uno de los más importantes del taladro.
VÁLVULA DE SEGURIDAD. Descripción: El flujo de fluidos desde el pozo, originado por una arremetida, es detenido con el uso de dispositivos especiales de sellados llamados válvulas impiderreventones (VIR). Los impiderreventones deben ser capaces de detener el flujo desde el pozo, bajo cualquier condición de perforación. Cuando hay tuberías en el hoyo, debe ser posible mover la sarta con el pozo cerrado y adicionalmente, el arreglo de VIR´s debe permitir la circulación a través del espacio anular, bajo presión. Estos objetivos son normalmente cubiertos usando varios impiderreventones de tubería y uno anular (especifico).
Grafico de arreglo de impiderreventones
Arreglo de impiderreventones: El arreglo de impiderreventones puede configurarse de múltiples formas. Los códigos API para describir las diferentes configuraciones aparecen en el boletín RP53. Las designaciones API para estos componentes se muestran a continuación:
A: Impiderreventones anular. G: Impiderreventones rotatorio. R: Impiderreventones de arietes sencillo (puede ser para tubería o ciego) Rd: Impiderreventones de ariete doble. Rt: Impiderreventones de ariete triple. S: Carreto (spool) de perforación. M: 100 lpc, presión de trabajo. Los componentes se especifican de abajo hacia arriba y pueden ser identificados completamente con una denominación sencilla, tal como: 15M – 15M – 7 – 7 – 1/16¨ 1/16¨ - RSRR
Lo cual significa: 15 M: 15000 lpc, presión de trabajo. 7- 1/16¨: Diámetro interno RSRR: Orden del arreglo de impiderreventones (de abajo hacia arriba) La consideración mas importante de cómo debe organizarse el arreglo, parece ser el mayor riesgo que pueda presentarse. Se hacen algunas observaciones:
Los requerimientos del arreglo deben basarse en el tipo de pozo a perforar. Existen muchas configuraciones adecuadas pero, mas arietes hacen el arreglo mas largo, pesado y costoso. Pocos arietes tienen menor flexibilidad y aumentan los riesgos. El mejor arreglo de impiderreventones es aquel que es adecuado para el trabajo y para el área de operaciones y un grado de seguridad acorde a las normas.
Impiderreventones de ariete: El de arietes es el impiderreventones básico. La confiabilidad de ellos es debida en parte, a su simplicidad y en parte al esfuerzo puesto en su diseño. La mayoría de los impiderreventones de arietes se cierran normalmente con 1500 lpc (presión de operación, no de trabajo), y esta presión no debería variarse a menos que las condiciones o el tipo de impiderreventones de ariete requieran presiones diferentes. Los arietes de la mayoría de los sistemas de impiderreventones se cierran mediante pistones accionados en forma hidráulica. Algunos usan tornillos para su cierre pero, las regulaciones vigentes recomiendan que los impiderreventones deban ser operados de manera hidráulica. En caso de fallar el sistema hidráulico, estos impiderreventones pueden cerrarse manualmente a menos que estén equipados con un sistema de bloqueo hidráulico. Después de cerrados, pueden ser asegurados con sistemas hidráulicos o manuales (volantes). La mayor parte de los impiderreventones de arietes se diseñan para sellar contra presión solamente en su cara inferior. Esto significa que no mantendrá las presiones si es colocado con la parte superior hacia abajo, tampoco se prueban con presión en la parte superior y debido a esto, se debe revisar su colocación correcta. La marca del fabricante debe aparecer en la parte superior y los orificios de circulación o salidas deben estar por debajo de los arietes.
Impiderreventones de arietes para tuberías: los impiderreventones de tubería se diseñan para cerrar sobre la misma. Es un bloque de acero cortado para amoldarse al diámetro extremo de la tubería, alrededor de la cual será cerrado. El corte es hecho de tal manera, que provean un sello hermético sobre un tamaño específico de tubería. La goma sellante en la superficie de contacto con la tubería se autogenera para garantizar el sello. Existe otra goma autogeneradora en la parte superior del ariete, para sellar el espacio anular.
Grafico de impiderreventones de arietes para tuberías
Impiderreventones de arietes para tuberías variables: sellan sobre varios tamaños de tuberías y dependiendo del tipo del impiderreventones, sobre una junta Kelly hexagonal. Se usa como el impiderreventones primario para un tamaño de tuberias y, de reserva, para otro tamaño de las mismas (sartas ahusadas).
Impiderreventones de arietes ciegos: Los arietes ciegos son un tipo especial, sin corte para alojar la tubería, es decir, son rectos. Poseen elementos de sello grandes y se diseñan para el cierre del pozo, sin tubería dentro del mismo.
Grafico de Impiderreventones de arietes ciegos.
Impiderreventones de arietes: Poseen cuchillas especiales para cortar tubulares (tuberias de perforación portamechas, tuberias de producción). Deben utilizarse presiones de operación mayores que las normales o convertidores hidráulicos, dependiendo del tipo de
ariete cizallante y del tubular que se requiere cortar. Debido a que el elemento sellante es pequeño, deben limitarse las pruebas para un juego de arietes. No se debe probar este tipo de impiderreventones con más de 200 lpc.
Impiderreventones anulares: Constituyen los dispositivos mas versátiles para el cierre del pozo. Algunos modelos son energéticos por la arremetida, es decir, la presión generada debajo de él lo empuja hacia arriba, proporcionando una fuerza de sello adicional. Se usa para cerrar sobre un rango predeterminado de tamaños de tubería y como un lubricador para mover o arrastrar tubería bajo presión. La mayoría de estos impiderreventones cierran sobre el cuadrante, portamechas, sarta de trabajo, tubería de producción, guaya fina o, en caso de emergencia, su espacio interno.
El impiderreventones consiste de un elemento sellante circular de goma, un pistón circular, normalmente en forma de cuña y el cuerpo. Cuando el fluido hidráulico se bombea dentro de la cámara de cerrado, toma lugar de una secuencia, en la cual el elemento sellante es forzado hacia el centro del pozo. Dependiendo del fabricante, el funcionamiento interno puede variar, de acuerdo a la forma como se obtiene el sellado, pero típicamente esto se logra por desplazamiento vertical u horizontalmente de la empacadura. La mayoría de estos impiderreventones se diseñan para una máxima presión de operación recomendada de 150 lpc, a pesar de que algunos tienen una presión de trabajo en la cámara de 3000 lpc. La mínima presión para lograr sello depende de algunos factores como diámetro interno, diámetro externo de la tubería y presión del pozo. En términos generales, a mayor diámetro interno y menos diámetro de tubería, mayor es la presión hidráulica necesaria para asegurar el sellado, aunque ciertos modelos requieren valores específicos de esta presión. Normalmente la presión regulada para in impiderreventones anular debería estar entre 500 y 800 lpc, cuando se mueve la tubería. El uso de presiones inadecuadas de operación (acumulador) sobre el impiderreventones anular es una de las fuentes principales de fallas de la empacadura del mismo. A pesar de que debe cerrar sobre diferentes tamaños y formas de tuberias, el impiderreventones anular debe pr obarse usando un tubo de perforación del tamaño en uso de la menor presión de operación posible para ayudar a preservar la empacadura. Las operaciones del impiderreventones anular pueden mejorarse observando lo siguiente:
Nunca usar en la unidad de cierre una presión mayor a la necesaria, especialmente moviendo la sarta. Probar su funcionamiento, de acuerdo a las normativas. API/PDVSA. Como referencia, probar estos equipos: cuando se instalan en el arreglo, cuando se cambie algún componente del mismo y en una rutina sugerida de una vez por semana. Deben probarse conjuntamente con los demás componentes del sistema de seguridad. Verificar con los manuales del fabricante los datos operacionales para cada modelo. Arrastrar la tubería con altas presiones de cierre del pozo y operacionales, originan desgastes y fallas prematuramente del elemento sellante.
CARRETO DE PERFORACIÓN Descripcion: Es el equipo utilizado para enlazar el cabezal del reservorio al arreglo de impiderreventones. Además, permite circular fluidos al pozo a través de la línea para matar (Kill line) y hacia el múltiple de estranguladores a través de la línea hacia los estranguladores (Choke line). En esta línea va instalada una válvula hidráulica de apertura y cierre rápido (HCR). Comunica el cabezal del pozo con el múltiple de estranguladores. El Carreto de perforación debe tener la misma capacidad (presión de trabajo) que las válvulas impiderreventones líneas, y múltiple de estranguladores, y se utilizan normalmente para presiones de trabajo de 2000 lpc (2M), 3000 lpc (3M), 5000 lpc (5M), 10000 lpc (10M) y 15000 lpc (15M).
Línea para matar: Su utilización es necesaria cuando se desea desplazar fluidos en una circulación inversa (de anular la tubería), normalmente posee una válvula unidireccional (Check valve), para evitar reflujos.
Línea hacia los estranguladores: Se utiliza para desviar el fluido, cuando se controla una arremetida, hacia el múltiple de estranguladores
Válvula HCR: Es una válvula operada hidráulicamente, de apertura y cierre rápidos, que se instala en la línea hacia los estranguladores. Entre el cabezal y esta válvula se instala una válvula normal, la cual deberá estar permanentemente abierta durante el proceso de perforación. El flujo a través de la línea hacia los estranguladores se evita colocando la válvula HCR en posición cerrada mientras se perfora. En caso de una arremetida, debe abrirse antes de cerrar los impiderreventones para permitir la circulación del fluido hacia el múltiple de estranguladores.
MÚLTIPLE DE ESTRANGULADORES Descripción: Es un conjunto de válvulas que incluye el (los) estrangulador (res), cuya finalidad es la de proveer el control de las presiones generadas durante el proceso de desalojo de una arremetida. Además permite dirigir el fluido, después de pasar por el estrangulador en uso, hacia el sitio adecuado. Sus presiones de trabajo deben considerarse con las del arreglo de impiderreventones utilizado.
MÚLTIPLE DE ESTRANGULADORES Estrangulador manual: Es una válvula mecánica de apertura y cierre manual y progresivo. Comúnmente es de tipo “Aguja”, con un asentamiento cónico. Es el equipo que permite el control de la presión aplicada en el fondo del pozo, cuando se circula una arremetida a través de él, mediante el incremento o reducción gradual del área de flujo.
Estrangulador hidráulico: Es un regulador cuya apertura y cierre se logra a través de fluido (aceite) presurizado. El tipo común, al igual que el manual, es de asiento ahusado y aguja.
Cámara de expansión: Se encuentra ubicada a la salida del múltiple de estranguladores. Es un tubo de mayor diámetro que el diámetro nominal del múltiple, para permitir la expansión del fluido, disminuyendo su presión. El diámetro de la cámara de expansión para un múltiple de 4 pulgadas es, normalmente, de 8 pulgadas.
Estación remota: El sistema del estrangulador hidráulico lo completa una estación para accionar el estrangulador a distancia, la cual se encuentra ubicada en el piso de la cabria. La estación contiene el deposito de aceite y la bomba encargada de presurizar el fluido y proveerlo de la energía necesaria para la operación del estrangulador.
Grafico de Estación remota
UNIDAD ACUMULADORA DE PRESIÓN. Descripción: Es la encargada de presurizar el fluido necesario para hacer accionar las válvulas impiderreventones y la HCR. El fluido se almacena en la unidad, a una presión normalmente del doble de la requerida, en cilindros especialmente diseñados, y se envía a la válvula de seguridad que se desea abrir o cerrar, por medio de válvulas de 4 vías y líneas de alta presión. Los sistemas de seguridad
estándar utilizan unidades acumuladoras que poseen capacidad para almacenar aceite presurizado a 3000 lpc, la cual es el doble de la presión requerida normalmente para la operación de los i mpiderreventones. De igual manera, la capacidad de almacenamiento de aceite del sistema debe ser, aproximadamente 1.5 veces el volumen requerido para abrir/cerrar simultáneamente todas las válvulas de seguridad accionadas desde la unidad. Se puede operar también remotamente y las estaciones para tal fin, se ubican estratégicamente en el taladro. Cuando se usa una sola estación remota, debe instalarse en el piso del taladro. Si se tienen dos estaciones la segunda se instala frente a la oficina del jefe del taladro.
Estación remota: La unidad acumuladora de presión se puede operar también remotamente y las estaciones para tal fin, se ubican estratégicamente en el taladro. Cuando se usa una sola estación remota, debe instalarse en el piso del taladro. Si se tienen dos estaciones, la segunda se instala frente a la oficina del jefe del taladro.
Tanque de almacenamiento: Es el deposito para el fluido utilizado en la operación de apertura y cierre de las válvulas impiderreventones y HCR. Normalmente este dispositivo debe almacenar el fluido necesario para operar simultáneamente todas las válvulas, mas un 50% como factor de seguridad. En la parte superior interna se encuentran las válvulas de 4 vías (una para cada válvula de seguridad operada por la unidad).
Bombas presurizadoras: La unidad acumuladora de presión posee 2 bombas encargadas de presurizar el fluido, una de las cuales es accionada por un motor eléctrico y la otra es accionada neumáticamente. La presión de almacenamiento de fluido para taladros normales es de 3000 lpc. Cualquiera de las dos bombas es capaz de presurizar el fluido hasta 3000 lpc, se selecciona la electricidad como la primera alternativa. Cuando, debido a la utilización de la unidad, la presión de los acumuladores baja 250 lpc (2750 lpc), arranca la bomba eléctrica a reponer la presión deseada en los cilindros acumuladores. La bomba neumática es también una bomba auxiliar en el caso de fallas de energía eléctrica.
Switches de control (Presostatos): Controlan el encendido y apagado de las bombas presurizadoras. Bombas eléctricas: El Switch de control enciende la bomba cuando la presión de los cilindros baja a 2750 lpc. La apaga al presurizar el sistema con 3000 lpc.
Bombas neumáticas: El Switch de control enciende la bomba cuando la presión de los cilindros desciende a 2700 lpc. La apaga al presurizar 2900 lpc.
Cilindros de almacenamiento: Son depósitos cilíndrico (botellas) que poseen una pre-carga de nitrógeno en su interior. Esta pre-carga de 1000 lpc esta contenida en una goma (“bladder”) y su misión es la de actuar como un resorte para acelerar la salida del fluido desde los cilindros hacia la válvula que está siendo operada.
Válvulas de 4 vías: son válvulas que accionan los equipos impiderreventones. Van instaladas en un múltiple en la unidad acumuladora, que mantiene una presión disponible de 1500 lpc y existe una para cada válvula hidráulica del sistema de seguridad (exceptuando el estrangulador hidráulico). Posee tres posiciones: abierta, cerrada o neutral. La posición correcta será función del estado de la válvula de seguridad correspondiente (abierta o cerrada) nunca en posición neutral. La razón de esto es que el diseño de la unidad acumuladora hace que sea autoverificadora de su funcionamiento normal (sin fuga). Cuando se tiene una válvula de 4 vías en posición abierta o cerrada, las líneas están presurizadas desde la unidad, hasta el impiderreventones. Si existe fuga de fluido, se manifestara con una disminución de la presión en los cilindros hasta llegar a 2750 lpc, momento en el cual se encenderá la bomba eléctrica, para reponer la presión a 3000 lpc, apagándose nuevamente. Este encendido y apagado de la bomba, perceptible muy clar amente, es la señal de que su funcionamiento es anormal. Cuando se coloca la válvula de 4 vías en posición neutral, no hay presión en las líneas y por consiguiente no habrá la indicación de fuga, aun cuando existan conexiones flojas o válvulas de 4 vías defectuosas. El nombre de 4 vías deriva de su característica de 2 vías para abrir y 2 para cerrar las impiderreventones. La presión disponible en ellas es ajustada mediante una válvula reguladora, la cual permite seleccionar la presión de operación para los impiderreventones (normalmente 1500 lpc).
Válvula by pass (de paso): Esta válvula en posición cerrada (normal), independiza la presión en los cilindros (3000 lpc) de la presión disponible en la válvula de 4 vías (1500 lpc). En posición abierta, comunica los cilindros con las válvulas de 4 vías, proporcionándole a estos, una presión disponible de 3000 lpc.
Líneas para acción remota: Como se menciono anteriormente, la unidad acumuladora de presión puede accionarse remotamente y para ello posee líneas y transductores de señal de aire para cada una de las válvulas de 4 vías.
TANQUES DE VIAJE. Descripción: Es un tanque pequeño, calibrado, que permite la medición del fluido que toma el pozo durante un viaje fuera del pozo o la cantidad de fluido desplazado durante un viaje de regreso al fondo del mismo. Existen diversos tipos de tanques de viajes. El de alimentación por gravedad incluye un pequeño tanque en el piso del taladro o en cualquier sitio por encima de la línea de flujo y calibrado en fracción de barril. Se requiere de un a válvula para descargar fluido desde el tanque hacia el tubo campan (“Bell nipple”), por encima de la línea de flujo. La válvula se abre manualmente y se cierra luego, cuando el hoyo esta lleno, y la cantidad de fluido usado se reporta, se registra y se compara con los cálculos del volumen teórico de llenado. Algunas versiones mas automatizadas de este tipo de tanques de viaje tienen una bomba, accionada por el perforador, la cual utiliza el sensor de la línea de flujo para indicar cuando el hoyo esta lleno apagándose la bomba en ese momento. Los tanques de viaje de llenado continuo llenan el hoyo automáticamente, cuando se saca la sarta circulando desde el tanque a través del hoyo. El volumen de fluido usado es medido y enviado a un registrador en el piso de la cabria, para compararlo con el volumen de acero desplazado (parejas sacadas). Cuando este tanque se usa para medir la ganancia de fluido bajando la sarta, normalmente se coloca por debajo del nivel de la línea de flujo. El fluido desplazado es dirigido desde la línea de flujo hacia el tanque viaje medido y comparado con el desplazamiento teórico de la tubería.
Bomba de llenado: los tanques de viaje gravitacionales requieren una bomba centrifuga para trasegar el fluido desde los tanques de lodo. El sistema que posee el tanque de viajes incorporado a los tanques activos, tal como los taladros para perforar en tierra, necesitan también el bombeo centrifugo pero, por encontrarse el tanque de viajes normalmente por debajo del nivel de la línea de flujo, el trabajo de estas bombas es llenar el pozo. Cuando se esta perforando, debe levantarse el tanque de viajes y verificarse el funcionamiento de las válvulas y bombas centrifugas.
Calibración: Los tanques de viajes deben estar calibrados de forma tal que se pueda apreciar, con facilidad, fracciones de un barril. Esto es con la finalidad de verificar con exactitud, el volumen tomado o aportado por el pozo. El sistema de medición universal es de flotador y regla graduada pero, algunos sistemas modernos incluyen sensores de nivel de fluido e instrumentos registradores (digitales o cartas).
SEPARADORES DE GAS Descripción: El separador de gas es otro componente del sistema de seguridad del taladro. Generalmente, los separadores de gas son la primera defensa para prevenir que el gas inunde la localización. Están constituidos por un cilindro abierto conectado con la salida del múltiple de estranguladores e instalado sobre o al lado de los tanques activos. Las grandes cantidades de gas que acompañan, en ocasiones, a una arremetida, se separan del fluido después del estrangulador y este gas es manejado por el separador. Este permite que el gas libre, que se desprende del fluido, abandone el sistema hacia la atmosfera o se envié hacia un quemador. Sistema de separación: La parte interna del separador posee una cámara especialmente diseñada, por donde pasa el fluido proveniente del múltiple de estranguladores provocando que las burbujas de gas se desprendan del fluid o.
