Tema III. EL TALADRO DE PERFORACIÓN

TEMA III

Taladro de Perforación

TEMA III: EL TALADRO DE PERFORACIÓN.

La industria petrolera comenzó utilizando taladros de perforación A Percusión, llamados también, A Cable. En 1901, se introducen los taladros de perforación rotatoria, los cuales continúan utilizándose hoy en día, con el mismo principio básico de funcionamiento con el cual fue concebido, rotación de la sarta y circulación del fluido de perforación.

Los importantes hallazgos de yacimientos de hidrocarburo en distintos ambientes, (marinos, lacustres y terrestres de difícil acceso), han impulsado el desarrollo de equipos de perforación que permitan la explotación de estas reservas, dando origen a los distintos tipos de taladro de perforación rotatoria, de acuerdo al tipo de pozo y al ambiente a perforar, los cuales serán estudiados en el presente tema, con el objetivo de reconocer los principios básicos de su funcionamiento, los cuales permitirán hacer una selección correcta del tipo de taladro, evitando que ésta sea la causa de bajas tasas de penetración, daños a la formación y costos muy elevados.

En forma general los taladros de perforación rotatoria, están compuestos por cinco sistemas: levantamiento, rotación, circulación seguridad y potencia. El sistema de levantamiento, permite subir bajar y suspender los pesos requeridos por el sistema de rotación, el cual hace girar la sarta de perforación y permite que la mecha perfore el hoyo; el sistema de circulación, proporciona los equipos, materiales y áreas de trabajo necesarias para preparar, mantener y tratar el fluido de perforación; la función principal del sistema de seguridad, es controlar mecánicamente una arremetida, y evitar que ésta se convierta en un reventón y finalmente el sistema de potencia, suministra la energía necesaria para el cumplimiento de las funciones de los otros cuatro sistemas componentes.

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Las funciones de todos los sistemas se encuentran interrelacionadas, y cada uno de ellos es indispensable e igualmente importante para realizar la labor de perforación de un pozo.

3.1 Taladros de Perforación

La industria petrolera ha utilizado desde sus inicios básicamente dos tipos de taladros o equipos de perforación, en primera instancia se emplearon los taladros A Cable o A Percusión, los cuales en la actualidad ya se encuentran en desuso, al menos dentro de la industria petrolera, sin embargo, debido a su importancia desde el punto de vista histórico, este tipo de taladro fue estudiado en el Tema I.

Por otra parte, se encuentran los taladros de perforación rotatoria, es importante destacar que en la actualidad existen diversos tipos, sin embargo, todo taladro de perforación rotatoria está compuesto por cinco sistemas principales: levantamiento, rotación, circulación, potencia y seguridad, cada uno de los cuales es indispensable para cumplir con los dos principios básicos de cualquier taladro de perforación rotatorio, que son: rotación de la sarta y circulación del fluido de perforación.

En los últimos años, los avances tecnológicos, han hecho de los taladros, equipos muy sofisticados y complejos, que por su puesto contribuyen a mejorar el proceso de construcción de los pozos, los taladros se diseñan de distintos tamaños, capacidades y potencia, los hay tan sencillos como los portátiles a los más complejos como las plataformas, esto permite seleccionar un taladro adecuado para el ambiente o locación, y por su puesto de acuerdo a las condiciones de la formación a perforar.

El grado de automatización y tecnología de los sistemas del taladro, están directamente asociados a los costos, es decir la tasa diaria del taladro. 156

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3.1.1 Tipos de Taladros de Perforación Rotatoria

Como se señaló anteriormente, hay muchos tipos y diseños de taladros de perforación, en función de su objetivo y los avances tecnológicos, en la construcción de taladros se modifican o combinan diferentes tecnologías de perforación. De acuerdo a esto, las clasificaciones más sencillas que podemos encontrar son de acuerdo a la altura e inclinación de la torre, y el método de rotación.

3.1.1.1 De Acuerdo a la Altura e Inclinación de la Torre [50[

Este criterio, clasifica a los taladros de acuerdo a su tamaño, se refiere a la capacidad de la torre o cabria para almacenar las parejas de tuberías de perforación, se puede hablar de taladros pequeños, medianos y grandes. •

Pequeños: cuando los taladros poseen torres cuya capacidad sólo les permite

almacenar tuberías compuestas por un solo tubo. •

Medianos: cuando la pareja de tubería almacenada en la torre es doble.

•

Grandes: cuando la torre tiene capacidad para almacenar parejas de tuberías de

tres tubos y más.

Esta es una clasificación muy general, que sólo toma en cuenta la altura de la torre de perforación, la torre y todas sus características de diseño, entre ellas la altura serán estudiadas en detalle como componente del sistema de levantamiento del taladro de perforación.

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Además de la altura, también se pueden clasificar los taladros de acuerdo a la posición de la cabria o torre, así pueden ser: •

Verticales: es la posición convencional de la torre, es decir 90º con respecto a la

horizontal. •

Inclinados: cuando la posición de la torre presenta una desviación, existen

taladros donde la misma presenta un ángulo de inclinación, este tipo de equipo es utilizado para lograr una desviación en el pozo, cuando no es rentable utilizar un motor de fondo.

3.1.1.2 De Acuerdo al Método de Rotación

De acuerdo al método de rotación tenemos tres tipos de taladros: • Los que utilizan mesa rotatoria, para transmitir la energía de rotación, que hace girar el cuadrante, la sarta de perforación y la mecha. • Los taladros que utilizan top drive, donde la energía de rotación es transmitida por un motor colgado del bloque viajero. Estos dos métodos tienen en común que la rotación se realiza desde superficie. • Los taladros que utilizan motor de fondo, que transforman la energía hidráulica en mecánica, haciendo rotar la mecha en el fondo.

Estos puntos serán ampliados al estudiar el sistema de rotación.

3.1.1.3 De acuerdo al Ambiente de Perforación

Según Adams (1985), los taladros de perforación, pueden clasificarse de acuerdo a la localización, o al ambiente de funcionamiento, como taladros terrestres y marinos,

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esta clasificación proporciona un agrupamiento lógico para los tipos de taladros, que se presenta en la Figura 3.1.

A Cable

a) Terrestres

Taladros Rotatorios

Portátiles

Torres Estándar

Convencionales

b) Marinos

Fijos en Fondo

Jackup

Barcazas

Especiales para clima ártico

Fijas

Plataformas

Sumergibles

Autosuficientes

Dependientes

Flotantes

Barcos de Perforación.

Semi-sumergibles

Figura 3.1: Clasificación de los Taladros de Acuerdo al Ambiente de Perforación [51].

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• Taladros Terrestres[52]

Se denominan taladros de perforación terrestre, a aquellos que se utilizan para perforar pozos cuyas localizaciones están ubicadas en tierra firme. Existen distintos tipos de taladros para construir pozos en tierra firme. La Tabla 3.1 muestra una clasificación de los taladros de acuerdo a la profundidad máxima que éstos pueden alcanzar cuando están perforando un pozo, esta profundidad está directamente relacionada con los requerimientos de potencia.

Tabla 3.1: Clasificación de los Taladros Terrestres de Acuerdo a la Profundidad.

Medio (Medium)

PROFUNDIDAD [Pies] 4000 – 10.000

Pesado (Heavy)

10.000 – 16.000

Ultrapesado (Ultraheavy)

16.000 – 25.000

USO

Los taladros de perforación son equipos nómadas, es decir, que una vez terminado el trabajo los equipos deben ser transportados a otra locación, los miembros de la cuadrilla pueden mover los equipos de perforación terrestre en camiones, tractores, remolques, helicópteros, trailers. Los equipos pequeños y livianos son fáciles de mudar, al contrario de los equipos ultrapesados, donde el trabajo de mudanza puede tomar mucho tiempo y esfuerzo.

Los taladros terrestres comúnmente se clasifican en: Estándar. Taladros Portátiles. Taladros Convencionales.

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Torres Estándar

Es el tipo de taladro rotatorio más antiguo. Las cabrias o torres de perforación eran armadas pieza por pieza, en la localización antes que comenzara la perforación del pozo y eran desmontadas antes de ser mudadas, a menudo las cabrias eran dejadas sobre la locación para realizar trabajos de rehabilitación y/o reparación de los pozos. Sin embargo, y debido a los altos costos de construcción, los taladros modernos de perforación terrestre, utilizan mástiles que son removidos con facilidad. En la Figura 3.2 se muestra una torre de perforación estándar.

Figura 3.2: Taladro de Perforación Estándar [50].

Taladros Portátiles

En este tipo de equipos de perforación rotatoria, la cabria, los equipos de potencia, levantamiento y las bombas de lodo van montados sobre camiones, tal y como se muestra en la Figura 3.3, esto permite optimizar los tiempos empleados para vestir y

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desvestir el taladro. Se utilizan generalmente en trabajos de rehabilitación y reparación de pozos.

Figura 3.3: Taladro de Perforación Portátil [53].

Taladros Convencionales

Se denominan taladros convencionales, a aquellos equipos en los cuales los sistemas componentes (levantamiento, rotación, potencia, circulación y seguridad) son tan grandes que no pueden ser transportados en un solo camión. Estos equipos son los que se encuentran disponibles con mayor frecuencia en las localizaciones en tierra firme. En la Figura 3.4 se muestran dos taladros de perforación convencional.

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Figura 3.4: Taladros de Perforación Convencional [54].

• Taladros Marinos [51]

Perforar costa afuera, implica la mayoría de las veces que la locación se encuentra varios cientos de millas mar adentro, esto sin duda plantea grandes desafíos con respecto a la perforación en tierra, el mecanismo que se utiliza para perforar el suelo marino es similar al utilizado en un taladro de perforación terrestre. Sin embargo, el subsuelo se encuentra a miles de pies bajo de nivel del mar, razón por la cual, debe construirse una plataforma artificial para la perforación; cuando se perfora en tierra, ella misma sirve de base o plataforma para perforar.

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Las características de diseño de los taladros marinos dependen de la forma de transporte, la forma de anclaje y del nivel de profundidad del agua. Los taladros marinos se clasifican en:

Taladros Flotantes

Taladros Fijos en Fondo

Taladros Flotantes

Los taladros flotantes, se utilizan costa afuera, son un tipo de unidad móvil de perforación que flota y no descansan sobre el suelo marino (a excepción de las anclas). Su soporte depende de su sistema de lastre, el cual se refiere al peso del agua que se coloca en fondo de la embarcación para darle estabilidad o para hundirla hasta cierto punto. Los taladros flotantes se clasifican en: ♦ Barcos de Perforación. ♦ Semisumergibles.

♦ Barco de Perforación

Estos barcos se diseñan especialmente para llevar plataformas de perforación costa afuera, es decir, hacia las locaciones en alta mar. Un barco de perforación típico tendrá, además de todo el equipo encontrado normalmente en una nave grande del océano, una plataforma y una torre de perforación, situadas en el centro de su cubierta. Los barcos de perforación tienen un agujero que permite que la secuencia del taladro se extienda a través del barco y bajo el agua para construir el pozo.

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Un barco de perforación puede ser de dos tipos: una nave que fue diseñada y construida para labores de perforación; o un barco más viejo al que se le ha reinstalado el equipo de perforación. Los barcos de perforación transportan el equipo y el personal de perforación, y se mantiene sobre la locación por el sistema de ancla estándar o utilizando posicionamiento dinámico del barco. En este último caso, la cuadrilla usa propulsores para mantener el equipo sobre el pozo, los propulsores están conectados a un computador a bordo del equipo y mantienen el taladro en posición adecuada, sin el uso de anclas. Este sistema permite que los barcos perforen en aguas ultra-profundas que pueden llegar a ser turbulentas.

En la Figura 3.5 se muestran distintas vistas internas y externas de un barco de perforación.

Figura 3.5: Barco de Perforación [54].

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♦ Taladros Semisumergibles

Es un equipo de perforación flotante que tiene compartimientos y columnas, las cuales se inundan con agua, los compartimientos hacen que la unidad se sumerja parcialmente hasta una profundidad predeterminada.

Cuando el equipo se encuentra sobre el sitio donde se va a perforar el pozo, los trabajadores pueden anclar el equipo al lecho marino o usar un sistema de posicionadores y propulsores, similar al descrito para los barcos de perforación, con el objetivo de mantener el equipo sobre la locación.

Los miembros de la cuadrilla montan el cabezal del pozo y las válvulas impidereventones sobre el fondo del océano, un tubo especial llamado raiser pipe, conecta la parte superior de las válvulas con el equipo de perforación. Algunos equipos posicionados dinámicamente pueden perforar en aguas con profundidades mayores a 7500 pies. Cuando el taladro se mantiene sobre el pozo, las cuadrillas de perforación usan el término on–station.

Los semisumergibles son taladros resistentes y se diseñan para condiciones atmosféricas adversas. En la Figura 3.6a se muestra un diagrama del semisumerguble y las Figuras 3.6b, 3.6c y 3.6d, muestra distintas vistas internas y externas del mismo. (Anexo D.4)

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a

b

c

d

Figura 3.6: Taladro de Perforación Semisumergible [54].

Taladros Fijos en Fondo

Son unidades de perforación costa afuera, que se encuentran apoyadas en el fondo marino o en almohadillas construidas en él. El equipo de perforación flota, permitiendo su trasladado de un sitio a otro. Existen tres tipos generales de taladros fijos en fondo: ♦ Jack up ♦ Barcazas ♦ Plataformas

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♦ Jack up

Este tipo de equipo de perforación móvil, tiene bases que soportan la cubierta cuando están extendidas, estas bases llamadas más comúnmente patas pueden ser entre tres y cinco. El equipo es transportado remolcándolo utilizando un barco, con sus patas retraídas; cuando se ubica sobre el sitio donde se va a perforar, las patas se liberan hasta llegar al fondo, donde descansan sobre el lecho marino, una vez la cuadrilla de perforación a sentado las bases firmemente en el fondo del océano, ellos pueden ajustar el nivel de la plataforma.

Los equipos de bases retráctiles pueden perforar en aguas con profundidades que oscilan entre algunos pocos pies o metros hasta más de 400 pies (120 m) de agua. En las Figuras 3.7 y 3.8 se muestran diferentes vistas de un Jackup de tres y cuatro bases respectivamente.

Figura 3.7: Taladro de Perforación Jackup con Tres Bases [54].

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Figura 3.8: Taladro de Perforación Jackup con Cuatro Bases [54].

♦ Barcazas

Son equipos de perforación móviles, que se utilizan para construir pozos en localizaciones donde el agua es poco profunda y el suelo no es lo suficientemente firme para soportar un equipo de perforación como los utilizados en tierra. Este tipo de taladro es transportado a la localización, posteriormente se inunda en el fondo por medio de compartimientos, una vez que el pozo ha sido perforado la barcaza se vacía y se moviliza a la próxima locación.

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Las barcazas pueden ser de tres tipos: o

Especiales para clima árticos.

o

Barcazas Fijas.

o

Sumergibles.

o

Sumergibles

Un sumergible descansa en el fondo del océano cuando se está perforando. Los miembros de la cuadrilla llenan los compartimentos con agua, esto hace que el equipo se sumerja, y sus bases descansen en el lecho marino.

Cuando el equipo está listo para moverse, los trabajadores remueven el agua de los compartimentos, lo cual hace que el equipo flote. Después los botes remolcan el equipo al próximo sitio donde se va a perforar.

Los constructores de equipos de perforación diseñan los sumergibles para perforar en aguas poco profundas y generalmente no más de 175 pies. Los equipos sumergibles de perforación pueden ser: barcazas sumergibles, sumergible tipo botella, y sumergible ártico (ver Figura 3.9a, 3.9b y 3.9c respectivamente).

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a

b

c

Figura 3.9: Tipos de Taladros de Perforación Sumergibles [54, 52, 54].

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♦ Plataformas [55]

Se trata de estructuras inmóviles que operan mar adentro, esto significa que una vez construidas, nunca se moverán del sitio donde se encuentran perforando, este tipo de estructura se construye cuando las reservas encontradas de hidrocarburos, justifican la inversión de construir una plataforma permanente para la perforación, terminación y posterior producción del pozo. Las compañías perforan varios pozos desde la misma plataforma.

Las plataformas pueden ser asistidas por un barco Tender Assist. El barco de suministros flota cerca de la estructura rígida de la plataforma, la cual está fija firmemente al fondo del océano, tal y como se muestra en la Figura 3.10. Muchas plataformas no tienen un barco que las asista, pues son tan grandes que son autosuficientes Self Container, como se muestra en la Figura 3.11. (Anexo D.5)

Figura 3.10: Plataforma de Perforación Dependiente Tender Assists [54].

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Figura 3.11: Plataforma de Perforación Autosuficiente Self Container [54].

Además de la clasificación general de autosuficientes y dependientes (asistidas por barco), existen muchos tipos de plataformas de acuerdo a su diseño, dentro ellas destacaremos: o

Fijas.

o

Tower compliant.

o

Tipo estrella.

o

Tipo mástil.

o

Con bases tensionadas.

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o


Plataformas Fijas [56]

En ciertos casos, en aguas poco profundas es posible unir físicamente una plataforma al fondo del mar. Hay muchos diseños posibles para las plataformas fijas ó permanentes. La principal ventaja de este tipo de plataformas es su estabilidad, pues se unen al piso de mar, donde la exposición al movimiento debido a las fuerzas del viento y del agua es limitada.

En las plataformas steel jacket, las patas se extienden hasta abajo y están fijas al suelo marino por medio de pilotes. La subestructura es fabricada a partir de tubos de acero soldados, anclados al fondo del mar. Estas estructuras pueden soportar inmensas cargas y momentos de torsión, ya que están diseñadas para ser resistentes a la caída de frentes de onda muy grandes. Los pilotes, son gruesos tubos de acero de 1 a 2 metros de diámetro que pueden penetrar hasta 100 metros en el fondo del mar y la cubierta puede llegar a pesar hasta 20.000 Toneladas.

Para asegurarse que la instalación tendrá la duración requerida, se necesita de un mantenimiento especial, en particular para evitar la corrosión.

Muchos parámetros influyen en el diseño de la plataforma como: exigencias de fuerza, fatiga, carga y ciclo de vida. Los parámetros de diseño se traducen en una combinación equilibrada del diámetro, penetración, grosor de las paredes o tubos, y del espaciamiento. El diseño de los pilotes, es muy importante para diseñar la cubierta y la propia estructura, el costo de los mismos y su instalación podría ser de hasta un 40% del costo total de la estructura de la plataforma.

En las Figuras 3.12a y 3.12b se muestran una vista esquemática y real respectivamente de una plataforma fija.

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a

b

Figura 3.12: Plataforma de Perforación Fija.

o

Tower Compliant [57]

Consiste en una torre estrecha unida al fondo del mar que se extiende hasta la superficie, tal y como se muestra en la Figura 3.13, las patas de la torre no son tan rígidas como en las plataformas fijas; esta flexibilidad permite que funcione en aguas mucho más profundas, pues puede absorber la presión ejercida por el viento y el mar. A pesar de su flexibilidad, el sistema de la torre es bastante fuerte como para soportar las condiciones de un huracán.

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Figura: 3.13: Plataforma de Perforación Tower Compliant.

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o


Plataformas Tipo Estrella (Seastar) [58]

Consisten en un taladro flotante, como el tipo semisumergible estudiado anteriormente, donde el compartimiento se llena de agua al perforar, para aumentar la estabilidad de la plataforma contra el movimiento del viento y del agua. Además de este taladro semisumergible, también incorpora el sistema de bases tensionadas, que estudiaremos más adelante. Las bases tensionadas son tendones largos, que se extienden desde el fondo marino a la plataforma flotante, tal y como se muestra en la Figura 3.14, las piernas se mantienen bajo tensión constante, e impiden el moviendo vertical de la plataforma. Sin embargo, su flexibilidad permite el movimiento de lado a lado.

Las plataformas tipo estrella se utilizan típicamente para yacimientos profundos pequeños, cuando no es económico construir una plataforma más grande. Pueden funcionar en profundidades donde el agua llega hasta 3500 pies.

Figura 3.14: Plataforma de Perforación Tipo Seastar [57].

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o


Plataforma Tipo Mástil

Es una plataforma fija de perforación costa afuera, que se apoya en un cilindro grande que se encuentra firmemente atado al lecho marino por una serie de cables y de líneas. El cilindro grande sirve para estabilizar la plataforma en el agua, y permite que absorba el movimiento y la fuerza de potenciales huracanes.

El cilindro, es una columna hecha de acero o de concreto, y en la cubierta se instalan los equipos de perforación y producción. Este tipo de plataforma puede ser utilizada en determinadas aguas árticas, donde las columnas son necesarias para proteger el equipo de perforación del hielo en movimiento.

En las Figuras 3.15a y 3.15b se pueden observar la estructura, y una imagen real de la plataforma tipo mástil respectivamente. a

b

(A)

Figura 3.15: Plataforma de Perforación Tipo Mástil [54, 55].

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o


Plataforma con Bases Tensionadas (Tension Leg) [56]

La plataforma con bases tensionadas, es de tipo flotante, se encuentra amarrada a una estructura vertical, normalmente se utiliza para la producción costa afuera de petróleo o gas, y es adecuada cuando la profundidad del agua es superior a 1000 pies.

La plataforma está fija por medio de amarres o tendones, agrupados en cada una de las esquinas de la estructura. La principal característica de los amarres es la rigidez axial (baja elasticidad), esto prácticamente elimina el movimiento vertical de la plataforma, permitiendo que la plataforma de producción en la cubierta quede conectada directamente a los pozos submarinos por barras rígidas, este proceso es más económico además de tener un mejor control sobre la producción de hidrocarburos. En las Figuras 3.16a y 3.16b se muestran una vista esquemática y una imagen real de las plataformas con bases tensionadas.

a

b

Figura 3.16: Plataforma de Perforación con Bases Tensionadas.

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3.2 Componentes de un Taladro de Perforación Rotatorio [59,60] Todos los taladros de perforación rotatoria tienen dos principios básicos de funcionamiento: el primero es la rotación de la sarta de perforación y la mecha sobre la formación y el segundo la circulación del fluido de perforación que lleva los ripios hasta la superficie, la eficiencia de estos dos factores depende de los cinco sistemas principales que conforman un taladro de perforación, cada sistema es imprescindible, puesto que cumplen funciones específicas, que se interrelacionan con los demás sistemas, y que en conjunto logran el progreso de la perforación del pozo. Los cinco sistemas principales que componen un taladro de perforación rotatorio son: levantamiento, rotación, circulación, potencia y seguridad.

3.2.1 Sistema de Levantamiento [61] El sistema de levantamiento representado por la estructura de la torre es probablemente el más conocido de todos los sistemas componentes. Su importancia, además de simbólica, es que sirve de soporte a todo el sistema de rotación, proveyendo el equipo apropiado y las áreas de trabajo necesarias para levantar, bajar y suspender los pesos requeridos por el sistema de rotación. El sistema de levantamiento posee dos componentes principales, la estructura de soporte y los equipos de levantamiento. La estructura incluye: la torre, de la cual forman parte la corona y el encuelladero; la subestructura, que consta del sótano, la rampa de tubería y el piso colocado sobre la armazón de la estructura, que incluye todos los equipos que están ubicados sobre la planchada, aún y cuando estos forman parte de otros sistemas del taladro de perforación.

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3.2.1.1 Estructura de Soporte Es la armadura de acero ensamblada que soporta el peso de la gran mayoría de los equipos del taladro, puesto que sostiene el ensamblaje de herramientas usados en el proceso de perforación rotatoria. La estructura de soporte se levanta sobre el suelo en el sitio de la perforación y provee los espacios de trabajo apropiados y requeridos para el uso de los equipos especializados de levantamiento. En la Figura 3.17 se muestran los componentes principales de la estructura de soporte.

Corona

Encuelladero

Torre

Planchada

Subestructura

Figura 3.17: Componentes de la Estructura de Soporte de un Taladro de Perforación [62].

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• Torre o Cabria [1] Las torres convencionales son unas pirámides de cuatro lados truncadas, generalmente construidas de acero estructural, soportan mucho peso, tienen cuatro patas que bajan por las esquinas de la subestructura. La torre, soporta el piso de la instalación y además provee un espacio debajo del piso para la instalación de válvulas especiales llamadas impidereventones. Su función principal, es proporcionar el soporte a la corona y al bloque viajero, que a su vez sostienen, suben y bajan la sarta de perforación [1]. Las torres fijas han sido usadas para pozos en tierra, sin embargo, hoy en día se utilizan principalmente costa afuera, son de mayor tamaño que los mástiles, erguidas y desmantelables pieza por pieza. Toda la plataforma del taladro está encerrada debajo de la armadura de la torre, de manera que provee una gran área de trabajo. En la Figura 3.18a se muestra una torre de perforación. Las torres portátiles llamadas comúnmente mástil, remplazan a las torres en los pozos localizados en tierra firme, gracias a que es una torre pequeña que va montada en un camión. Los mástiles pueden ser preensamblados y movidos con mayor eficiencia de un sitio a otro en comparación con las torres convencionales. El mástil es más angosto, por lo que generalmente se coloca cerca de la rampa de tubería, encerrando solamente una parte de la plataforma del taladro, tal y como se muestra en la Figura 3.18b [59].

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a

b

Figura 3.18: Torre y Mástil de un Taladro de Perforación [60].

Las principales consideraciones que se toman en cuenta en el diseño de una torre de un taladro de perforación son: la altura, la capacidad y la velocidad del viento.

Altura

La altura de las torres y los mástiles varía desde 69 pies hasta 189 pies; siendo la altura más común 142 pies. La altura está relacionada directamente con la capacidad para manejar secciones de la sarta de perforación. Estas secciones se denominan parejas y están formadas por 2, 3 o 4 tubos, donde cada tubo mide 30 pies. Mientras más alta sea la torre o mástil menos conexiones se hacen durante las operaciones de perforación.

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Capacidad

Las torres deben diseñarse para soportar con seguridad todas las cargas que se vayan a usar en los pozos sobre los cuales se les coloca, por ello se diseñan, tomando en cuenta la fuerza o carga vertical que puedan soportar. En función de esto, las torres se clasifican en: ligeras, medianas y pesadas. Las torres más comunes soportan alrededor de 250 y 750 Toneladas. En general, estas son diseñadas con altos factores de seguridad para sostener las elevadas cargas de forma eficiente. Normalmente, la carga muerta más grande que soporta una torre será la tubería de revestimiento más pesada que se introduzca en el pozo, sin embargo, la carga máxima vertical que se imponga a la torre será resultado de halar un equipo, por ejemplo, tubería de perforación o revestimiento que se haya atascado en el hoyo. Se emplean varios métodos para diseñar las torres de perforación; el primero consiste en considerar una carga adicional grande sobre la carga máxima de la tubería de revestimiento, o en segundo lugar, se puede diseñar la torre para soportar cargas que excedan la capacidad de la guaya de perforación que usará el equipo. La relación entre la carga real y la carga equivalente máxima de la torre, se conoce como factor de eficiencia de la torre. Las ecuaciones para cálculo de este factor, se desarrollarán al finalizar el estudio de los Componentes del Sistema Levantamiento.

Velocidad del Viento [2]

La torre también debe diseñarse para soportar el empuje máximo del viento al cual estará expuesta, esto se refiere a la velocidad del viento que puede soportar la torre 184

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manteniéndose vertical, también debe considerarse la tubería que está parada y/o apilada fuera del hoyo. La mayoría de las torres pueden soportar vientos de 100 a 130 mph. Sin embargo, lo más común es que resistan 75 mph con la tubería parada en la torre y sin tubería parada hasta 115 mph. En la Tabla 3.2, se muestra un resumen de las principales características de diseño de las torres de perforación: la altura, la capacidad de carga y la velocidad del viento, en un rango de valores que va desde el máximo al mínimo, señalando los valores de uso más comunes para estos factores, en el diseño de las torres. Tabla 3.2: Características de Diseño de las Torres de Perforación [2].

Especificaciones

Características Común

Máximo

Mínimo

Altura (pies)

142

189

69

Capacidad de Carga (Ton)

-

750

250

Velocidad del Viento (mph)

115-75 [*]

130

100

[*] 115 mph sin tubería para en la torre y 75 mph con tubería parada.

♦ Corona [59] Es la parte superior de la torre, por medio de la cual se transmite el peso de la sarta de perforación a la torre. En ella se encuentran una serie de poleas que forman el bloque corona o fijo, el cual sostiene y da movilidad al bloque viajero (ver Figura 3.19).

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Figura 3.19: Corona de un Taladro de Perforación [61].

♦ Encuelladero Constituye una plataforma de trabajo, que se encuentra ubicada a un lado de la torre o mástil, a una altura entre 80 pies y 90 pies aproximadamente encima del piso del taladro. El encuelladero, consiste en una serie de espacios que semejan un peine, tal y como se muestra en la Figura 3.20, donde se colocan las parejas de tuberías y portamechas mientras se realizan los viajes, es decir, durante la sacada y metida de tuberías del hoyo, trabajo que realiza el encuellador. En la Figura 3.21 se muestra un encuelladero de un taladro de perforación moderno.

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Figura 3.20: Encuelladero de un Taladro de Perforación Convencional [61].

Figura 3.21: Encuelladero de un Taladro de Perforación Moderno [ 54].

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•


Subestructura [59]

En las operaciones de perforación se debe dejar un espacio debajo del piso del taladro, este espacio dependerá del tipo de taladro que se esté utilizando y de las presiones de formación que se espera encontrar durante la perforación del pozo. La subestructura, es una armadura grande de acero que sirve de soporte a la torre y los componentes del equipo de perforación. Proporciona el espacio bajo el piso de la torre para instalar el ensamblaje de las válvulas impidereventones y otros equipos de control de pozos. Está diseñada para soportar enormes pesos, incluyendo la torre o mástil, el equipo de levantamiento, la mesa rotatoria, la sarta de perforación y las cargas de la tubería de revestimiento (ver Figura 3.22). La torre y la subestructura deben colocarse sobre cimientos que resistan con margen de seguridad las cargas que estas estructuras deben soportar.

Figura 3.22: Subestructura de un Taladro de Perforación [61].

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Sótano [59] Es un hoyo cuadrado localizado en la tierra debajo del piso del taladro, el cual provee altura adicional entre la plataforma y el cabezal de revestimiento para acomodar las válvulas impiderreventones. En la Figura 3.23 se muestra la ubicación de un sótano en un taladro de perforación. Cabe destacar que no todos los taladros de perforación tienen sótano.

Figura 3.23: Ubicación del Sótano de un Taladro de Perforación [60].

Rampa para Tubería [61] Está ubicada en el frente de la torre, por medio de la rampa se deslizan las tuberías durante la bajada y subida de las mismas del piso del taladro (ver Figura 3.24).

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Figura: 3.24: Rampa para Tubería de un Taladro de Perforación.

•

Plataforma o Piso del Taladro

Es una cobertura que se encuentra colocada debajo de la torre y encima de la subestructura donde se realizan la mayoría de las operaciones de perforación como viajes de tubería, conexiones, etc. En el piso del taladro o planchada se pueden encontrar los siguientes componentes: malacate, mesa rotatoria, consola del perforador, casa del perro, hueco ratón, hueco de rata, válvulas de seguridad, guinche de aire, llaves de potencia y herramientas en general. En la Figura 3.25 se muestra una vista general de la planchada de un taladro de perforación.

190

TEMA III


Figura 3.25: Vista General de la Planchada de un Taladro de Perforación [54].

Malacate: es el principal mecanismo de levantamiento de un taladro de

perforación (ver Equipos de Levantamiento).

Mesa Rotatoria: la mesa rotatoria hace girar la sarta, la cual a su vez hace rotar a

la mecha de perforación (ver Sistema de Rotación Convencional).

Transmisión Rotatoria: transmite la potencia del malacate a la mesa rotaria.

Hueco de Ratón: es un hueco ubicado en el piso del taladro, cercano a la mesa

rotatoria donde se coloca un tubo de perforación para luego conectarlo al cuadrante.

191

TEMA III


Hueco de Rata: es un hueco ubicado en el piso del taladro, cercano a una de las

patas de la torre de perforación, donde se coloca el cuadrante cuando se hace un viaje de tubería.

Llaves de Tubería: son llaves grandes usadas para rotar secciones de tubería

conectándolas y desconectándolas (ver Accesorios Rotatorios).

Carreto Hidráulico: es usado para conectar y desconectar sartas largas de tubería

cuando se realizan viajes.

Guinche de Aire: es usado para levantar cargas livianas a la plataforma del

taladro.

Casa del Perro: es una casa pequeña usada como depósito, donde se guardan

herramientas y cosas pequeñas.

Consola del Perforador: es el corazón del sistema de instrumentos de un taladro

de perforación que provee al perforador de una visión general de todo lo que está pasando en cada uno de los principales componentes del sistema. Está situada en el piso del taladro cerca del malacate. En la Figura 3.26a y 3.26b se pueden observar algunos de los instrumentos que se encuentran en la consola del perforador (diagrama y una imagen real respectivamente).

192

TEMA III

a


b

Figura 3.26: Consola del Perforador de un Taladro de Perforación Convencional [60, 61].

Existen taladros modernos donde los equipos que utiliza el perforador son completamente automatizados en la Figura 3.27 se muestra una imagen del lugar de operaciones de un taladro de perforación moderno.

193

TEMA III


Figura 3.27: Cabina del Perforador de un Taladro de Perforación Moderno

[54]

.

Por otra parte, los medidores de la consola usualmente proveen información como: indicadores de peso, presión de las bombas de lodo, emboladas de la bomba de lodo, velocidad de la mesa rotatoria, torque de la mesa rotatoria, torque de las llaves de tubería [52]. ♦ Indicador de las Emboladas de la Bomba: muestra el número de veces que el pistón de la bomba de lodo se mueve por minuto, uno para cada bomba. Se mide en emboladas por minuto (EPM).

194

TEMA III


♦ Presión de la Bomba de Lodo: muestra al perforador la cantidad de presión generada por la bomba. La presión se bombea desde el stand pipe para asegurar que es la cantidad correcta necesaria para mantener el hoyo limpio, y el retorno de los ripios a la superficie. Se mide en lpc. ♦ Tacómetro de la Mesa Rotatoria: estima la velocidad relativa de la mesa rotatoria. Se mide en RPM y también se le llama velocidad de la mesa rotatoria o de la mecha. ♦ Indicador de Torque de la Mesa Rotatoria: sirve para saber cuanto torque le está aplicando la mesa rotaria a la sarta de perforación. Evita que el perforador parta la sarta de perforación debido a la aplicación de torque excesivo. Esto se conoce como twisting off. ♦ Indicador de Peso o Martín Decker: es el indicador más grande que hay en el panel del perforador. Indica el peso en el gancho y el peso sobre la mecha, el peso en el gancho es la cantidad total de peso suspendido en el bloque, el peso sobre la mecha, es la cantidad de peso que sobre ella ejerce la sarta, y es menor que el peso en el gancho. El indicador de peso es extremadamente sensible a los cambios de peso en el gancho. Los perforadores pueden usar los cambios de peso para monitorear los arrastres o fricción que las paredes del pozo ejercen sobre la sarta de perforación cuando la tubería se mueve hacia arriba o abajo; o debido a que es tan preciso, el perforador puede usarlo para monitorear la operación de herramientas de fondo de pozo que requieren pequeñas variaciones de peso. Existen tres tipos de indicadores de peso:

195

TEMA III


El primero es un instrumento fijado en la polea viajera o al gancho que mide directamente la carga. Sin embargo, tiene el inconveniente de que no está a la vista del operador, aún y cuando mide la carga del gancho directamente El segundo se coloca en la línea muerta que produce un doblez en la guaya midiendo la tendencia de ésta a enderezarse cuando soporta carga, el indicador convierte esta medida en la carga aproximada que actúa sobre la guaya. No obstante, tiene dos limitaciones importantes: va colocado en la línea muerta, por lo que la distancia a la que se encuentra del perforador dificulta la toma de medidas continuas y precisas; y la línea muerta esta sometida a constantes agitaciones, lo que perjudica la exactitud del instrumento fijado a la guaya Finalmente, un instrumento compuesto de dos elementos, un transformador de presión y un manómetro indicador conectado de la manguera de perforación, el indicador de presiones es accionado por la fuerza en el transformador. Este tipo de instrumento se considera el indicador de peso de mayor confianza, principalmente por las limitaciones de los dos anteriores. En la Figura 3.28a se muestra un Martín Decker convencional, en las Figuras 3.28b y 3.28c y 3.28d se muestran algunos modelos modernos de indicadores de peso

196

TEMA III

a


b

c

d

Figura 3.28: Indicadores de Peso de un Taladro de Perforación [63].

Este instrumento se encuentra vinculado a el peso sobre la mecha uno de los factores mecánicos más importantes que afectan la Tasa de Penetración, este contenido será estudiado en detalle durante el desarrollo del Tema IV. ♦ Indicador de Torque de la Llave: le ayuda al perforador y a la cuadrilla a conectar la tubería de perforación con la cantidad adecuada de torque, ya que si no es suficiente la conexión tiene fugas o se desenrosca; y puede producir corrosión severa; si se aplica mucho torque las roscas se dañan o se parten. ♦ Indicador de la Tasa de Flujo de Retorno del Fluido de Perforación: proporciona una indicación relativa de cuanto fluido de perforación está retornando por la línea de flujo. El sensor está localizado en la línea de retorno del fluido de perforación. Un aspa dentro de la línea se mueve a medida que el fluido pasa, enviando una señal a un panel montado en la consola del perforador. El perforador chequea el panel de forma que el flujo constante sea normal, con una velocidad constante de fluido la alarma no se activa. Sin embargo, cuando el flujo de retorno

197

TEMA III


cambia incrementándose o disminuyendo, el movimiento del aspa también cambia. Un cambio en el movimiento del aspa envía una señal al panel del perforador y suena o se ilumina una alarma. ♦ Indicador del Nivel del Tanque de Lodo: los tanques de lodo tienen flotadores especiales, los cuales se mueven hacia arriba o hacia abajo dependiendo del nivel de los tanques, si este se incrementa o disminuye. El flotador envía señales a paneles digitales, montados en la consola del perforador. Este panel totalizador toma la señal del nivel de todos los tanques, los muestra en una pantalla y envía la información al disco registrador. Si el nivel de fluido en los tanques disminuye, puede ser una pérdida de circulación. Si el nivel aumenta, se trata de una arremetida. ♦ Registro de Perforación (Drilling Recorder): hace un registro de las variables de perforación peso sobre el gancho, peso sobre la mecha, tasa de penetración, torque, presión y tasa de bombeo. Usualmente se localiza en la casa del perro o en el piso del taladro. El perforador coloca una carta de papel en un tambor que da vueltas, varias plumas con tinta de color trazan registros sobre la carta. Los drilling recorders pueden tener de 1 ó varias plumas, dependiendo de como se instalen. El aparato obtiene señales de sensores montados cerca a los medidores, para registrar las variables de perforación. En la Figura 3.29 se muestran algunos de los componentes ubicados en el piso del taladro.

198

TEMA III


Elevadores

Llaves

Hoyo de Rata

Hueco de Ratón

Malacate

Cuñas

Consola del Perforador

Guinche de Aire

Figura 3.29: Componentes Principales Ubicados en el Piso de un Taladro de Perforación [62].

3.2.1.2 Equipos de Levantamiento [60] Son equipos especializados utilizados para levantar, bajar y suspender la sarta de perforación, la cual está compuesta por la tubería de perforación, barras, mechas, tuberías de revestimiento y accesorios. Estos equipos se encuentran localizados en áreas específicas dentro de estructura de soporte Los principales equipos de levantamiento se muestran en la Figura 3.30.

199

TEMA III


Bloque Corona

Bloque Viajero

Guaya de Perforación

Ancla

Malacate

Figura 3.30: Principales Equipos de Levantamiento de un Taladro de Perforación [62].

• Malacate [58] Es un potente ensamblaje de levantamiento, que consiste en un cilindro alrededor del cual se enrolla la guaya de perforación, sus funciones son transmitir la potencia de los motores a la sarta de perforación, durante las operaciones de sacar y meter la sarta de perforación y de revestimiento, Estas operaciones de sacar y meter sarta de tubería se denominan viajes. Además de transmitir la potencia de los motores a la cadena de transmisión de la mesa rotatoria en la mayoría de los taladros. Sin embargo, los taladros nuevos tienen motores separados para transmitir esta potencia. Finalmente, transmite la potencia de los motores a los carretos auxiliares y sistemas de enrosque y desenrosque de tubería. En la Figura 3.31 se muestra el diagrama de un malacate. 200

TEMA III


Las Figuras 3.32a y 3.32b muestran un malacate convencional y un sistema de perforación automatizado de parámetros múltiples.

Figura 3.31: Diagrama de un Malacate [62].

a

b

Figura 3.32: Malacate de un Taladro de Perforación [61].

201

TEMA III


El malacate se diseña para levantar, bajar y suspender un tamaño determinado de tubería a una profundidad dada. La carga total que levanta incluye el bloque viajero y la sarta de tuberías cuyo peso es superior a 500 Toneladas. Normalmente se diseñan en función de los HP a consumir, también controlan el peso sobre la mecha. El malacate está formado por un tambor grande de enrollado, frenos manuales, hidráulicos o eléctricos, una serie de ejes, cadenas y engranajes de transmisión y un juego de carretes pequeño conocido como carreto, en la Figura 3.33 se muestran las partes que componen el malacate.

Figura 3.33: Partes del Malacate de un Taladro de Perforación

[60]

.

Sistema de Frenos Está constituido por un freno mecánico principal y uno auxiliar que pueden ser hidráulico o eléctrico, usados para mover lentamente o para detener la guaya de perforación. También posee un freno de seguridad del bloque viajero llamado crown 202

TEMA III


o matic. Los frenos de seguridad controlan la velocidad de ascenso y descenso del bloque viajero. El freno principal mecánico, es el mecanismo más importante del sistema de levantamiento, soporta toda la carga de la sarta en suspensión. El freno auxiliar, es un mecanismo hidráulico, soporta y libera el mecanismo de frenado en pozos profundos, cuando se trabaja con sartas pesadas. El freno hidráulico se usa para controlar la velocidad de descenso, pero por si solo no puede detener la sarta de tubería.

Ensamblaje del Carreto Es un subcomponente del malacate consistente en dos carretes, el tambor o carrete de conexión colocado en el malacate al lado del perforador y el carreto de desconexión colocado del lado opuesto. Estos carretos son usados para conectar y desconectar tuberías. Sin embargo, su uso es más común para levantar herramientas livianas con una guaya. En los taladros modernos, el trabajo del carreto ha sido reemplazado por carretos automáticos o por el guinche, operado por compresores de aire para levantar herramientas.

Sistema de Transmisión Transmite la potencia o energía del malacate a la mesa rotatoria en la mayoría de los taladros de perforación.

203

TEMA III


Tambor Enrollado Es un tambor estriado que enrrolla y desenrrolla la guaya de perforación. A menudo es necesario calcular la capacidad de un tambor para contener la guaya de perforación, o la capacidad de una camada específica alrededor del tambor. La Figura 3.34, sirve de apoyo para plantear la ecuación genérica que permite calcular la capacidad total del tambor.

A

Figura 3.34: Diagrama y Dimensiones del Tambor del Malacate.

204

TEMA III


La capacidad de la primera camada alrededor del tambor será igual a la longitud de la línea usada en un enrollado del mismo, multiplicado por el número de veces que la guaya de perforación puede enrollarse alrededor del tambor. El diámetro real de la primera camada que se enrolla es igual al diámetro del tambor más el diámetro de la guaya de perforación. La capacidad en metros de la primera camada será:

L1 =

π (D T + d ) A 100 dc

(3.1)

Donde: L1:

capacidad de alambre de la primera camada, cm2.

DT:

diámetro del tambor, cm.

dc:

diámetro del guaya de perforación, cm.

A:

ancho del tambor, cm

De la ecuación 3.1, el término π(D T + dc ) es la circunferencia real alrededor de la cual se enrolla la primera camada y el término A/dc es el número de vueltas que pueden colocarse en una camada del tambor. La capacidad de la segunda camada será:

L2 =

π (D T + 3dc ) A 100 dc

205

(3.2)

TEMA III


De la misma forma, la capacidad de la tercera camada será:

L3 =

π (D T + 5dc ) A 100 dc

(3.3)

La capacidad de la enésima camada será:

Ln =

π 100

[D T + (2n − 1) dc]

A dc

(3.4)

Donde: n:

número total de las camadas en el tambor.

La suma total de las capacidades de las camadas, es igual a la capacidad del tambor:

LT =

π (D T + dc ) A + π (D T + 3dc ) A + π (D + 5dc ) A + ... π [D T + (2n − 1)dc] A 100 d 100 dc 100 dc 100 dc

Al sacar factor común:

LT =

πA [D T + dc + D T + 3dc + D T + 5dc + ....D T + (2n − 1)dc ] 100dc LT =

Sin embargo,

∑ n' s = n

[

]

πA nD T + (∑ n' s ) (dc ) 100dc

(3.5)

2

Al sustituir la propiedad de la sumatoria, se obtiene la ecuación 3.6, que permite determinar la longitud de guaya de perforación de un tambor:

206

TEMA III


LT =

πA ( nD T + n 2 dc ) 100dc

(3.6)

Los malacates comúnmente se designan por los caballos de vapor (HP) y la profundidad. Cualquier profundidad debe especificar también el diámetro de la tubería de perforación con el cual se obtiene. La ecuación que permite calcular la potencia desarrollada por el malacate para enrollar la guaya de perforación será desarrollada, una vez que los conceptos del gancho y la guaya de perforación sean explicados.

3.2.1.3 Herramientas de Levantar [59] Son los equipos conectores dentro del sistema de levantamiento, también se le llaman equipos superiores y están conformados por el bloque corona, en el tope de la torre o mástil, el bloque viajero, el gancho y los elevadores. Ellos conectan la estructura de soporte y el malacate con la sarta de tubería. Cada componente está diseñado seleccionado y ensamblado para los requerimientos de las cargas que soportará el taladro. Su capacidad varía entre 50 y más de 600 Toneladas.

• Bloque Corona Es un ensamblaje de poleas, que se encuentra ubicado en la parte superior de la torre. La guaya de perforación pasa a través de estas poleas y llega al bloque viajero, en forma alternada arriba y abajo para que el sistema de levantamiento sea operacional. Tal y como se muestra en la Figura 3.35.

207

TEMA III


Figura 3.35: Diagrama del Bloque Corona y Bloque Viajero

[62]

.

Por otra parte, el tamaño de las ranuras de las poleas vienen de diferentes anchos y profundidades para acomodar guayas de diámetros específicos. En la Figura 3.36 se muestra una vista desde arriba de la guaya de perforación pasando de forma alternada del bloque corona al bloque viajero.

208

TEMA III


Figura 3.36: Vista desde Arriba del Bloque Corona [54].

• Bloque Viajero Es un arreglo de poleas por donde se pasa la guaya de perforación. El mecanismo permite que el bloque suba y baje suspendido del bloque corona, para manejar la sarta durante las operaciones de perforación. Al número de vueltas que da la guaya de perforación por cada polea se le denomina guarneo. El número de poleas que se requieren en la corona es uno más que el número de las que se van a desarrollar. Esta polea adicional es para pasar la línea muerta que va anclada a la subestructura. En las Figuras 3.37a y 3.37b se muestran el diagrama interno y una imagen real del bloque viajero.

209

TEMA III


b

a

Poleas

Gancho

Figura 3.37: Bloque Viajero de un Taladro de Perforación [61, 62].

La principal función tanto del bloque corona como del bloque viajero es proporcionar los medios de soporte para suspender las herramientas. Tales como: gancho, la unión giratoria, el cuadrante, la sarta de perforación y la mecha.

• Gancho Es una herramienta localizada debajo del bloque viajero, al que va unido, y del cual está suspendida la unión giratoria, el cuadrante y la sarta de perforación durante las operaciones de perforación. Además, sostiene los elevadores durante el ascenso y descenso de la tubería o sarta. En la Figura 3.38a y 3.38b se muestran el diagrama y la imagen real de un gancho.

210

TEMA III


Están diseñados de acuerdo al peso máximo que puedan levantar, el rango de diseño varía entre 50 y más de 600 Toneladas. Está provisto de un resorte interno que ayuda absorber el choque y el golpe del pasador al salir de la caja cuando se desconecta. Hay dos tipos de bloques viajeros básicos. El bloque y gancho convencional, su longitud es 175 pulg aproximadamente, son usados donde se requieren cargas muy grandes para la perforación, es decir, pozos muy profundos. Y la combinación del bloque y gancho, es más pequeño y compacto, comúnmente miden 144 pulg por lo que esta combinación es muy usada en los mástiles donde el espacio juega un papel importante. Aunque no son diseñados para grandes cargas, algunos pueden soportar hasta 500 Toneladas.

a

b

Abrazadera para el elevador

Lengueta

Figura 3.38: Gancho de un Taladro de Perforación

211

[61, 62]

.

TEMA III


• Elevadores Son abrazaderas altamente resistentes con unas grampas muy fuertes que agarran la sarta de perforación en los cuellos de cada tubo, permitiendo de esta forma realizar los viajes de tubería (sacada y metida en el hoyo). Están suspendidos por brazos al gancho. La Figura 3.39 muestra un diagrama de un elevador.

Figura 3.39: Elevador de un Taladro de Perforación

[60]

.

Existen dos tipos de elevadores: el cuello de botella, usado por la mayoría de la tubería de perforación; y el aro levantador el cual se usa tubos de hombros cuadrados o en portamechas. También se usa un elevador tipo cuña para levantar, bajar o suspender sartas pesadas de tubería de revestimiento. La sarta de perforación se suspende en la mesa rotatoria con las cuñas, se coloca el cuadrante en el hoyo de rata, se saca y se mete la tubería al pozo, según el caso mediante el elevador, en este caso se dice que se encuentra en posición de trabajo. Tal

212

TEMA III


y como se muestra en la Figura 3.40a. En la Figura 3.40b se muestra la cuña sujetando la sarta de perforación; cuando el elevador no está en uso va cerrado, sujeto al bloque viajero al lado de la junta rotatoria durante las operaciones de perforación.

a

b

Figura 3.40: Posiciones de un Elevador [62].

• Guaya de Perforación [9] Es un cable metálico, de acero mejorado, puede estar constituido por seis cordones colocados alrededor de un núcleo central, cada cordón principal contiene muchos cordones delgados sobre el núcleo principal, puede tener hasta diecinueve alambras: un cordón central rodeado por nueve alambres delgados, y estos a su vez rodeados por nueve alambres más gruesos. Tal y como se muestra en la Figura 3.41.

213

TEMA III


Figura 3.41: Guaya de Perforación [9].

Los cordones están cuidadosamente unidos entre sí por rotación, formando la guaya de perforación y su función es resistir la fuerza o peso de la sarta durante las operaciones de sacada y metida de tubería. El guaya de perforación de acero que conforma la guaya de perforación, tiene un diámetro variable entre 1 y 1,75 pulg. La longitud de la guaya de perforación, depende de tres variables básicas: la altura de torre, el número de líneas enrolladas y de la profundidad del pozo, a esto se le adiciona la reserva, la cual se utilizará en casa de realizar cortes o corridas de la guaya.

Terminología Relacionada con la Guaya de Perforación[59] ♦ Guaya de Perforación Guarnida: es la guaya que se guarnea través de las poleas del bloque corona y el bloque viajero. ♦ Línea Muerta: es la guaya inmóvil anclada a la subestructura del taladro. ♦ Línea Fija o Viva: es la línea movible fijada al tambor rotatorio del malacate. 214

TEMA III


♦ Ancla de Línea Muerta: está localizada en el lado opuesto del malacate y engrampada a la subestructura. ♦ Carreto de Suministro: usualmente está localizado a una distancia corta de separación del taladro, allí se mantiene la reserva de la guaya de perforación. ♦ Puntos de Fatiga: la guaya de perforación tiene que ser fuerte para resistir grandes fuerzas de tensión, tiene que aguantar el desgaste y ser flexible para que en su recorrido por las poleas no se debilite su resistencia, debe resistir la abrasión y la corrosión, el ancho debe seleccionarse de acuerdo a las ranuras de las poleas, para evitar una fricción indebida. Los puntos de fatiga crean en la guaya la necesidad de moverla periódicamente e ir cortando las secciones usadas. Este servicio se llama correr y cortar tantos pies de guaya. ♦ Correr la Guaya: es cambiar de sitio las secciones donde la guaya está sometida a puntos de fatiga a áreas menos críticas. Este movimiento de la guaya se realiza a través del tambor del malacate. ♦ Cortar la Guaya: después de una o más corridas, es necesario cortar la guaya para evita problemas durante la perforación. Para ello se corta y amarra nuevamente la guaya, evitando que se desgaje. Este proceso se realiza utilizando cortadores mecánicos, hidráulicos o un soplete. La guaya en las operaciones de perforación es una de las partes más costosas, por ello, se requiere un adecuado mantenimiento de la misma, en el taladro se mantiene un registro del servicio realizado por la guaya, el cual permite conocer cuando se utilizó, vida máxima y mantener la seguridad en el proceso de perforación. Dicho servicio se mide en toneladas milla y se define como mover una tonelada de carga a

215

TEMA III


través de la distancia de una milla. El servicio total incluye las toneladas-milla haciendo: viajes de tubería, perforando, metiendo tubería de revestimiento, tomando muestras de pared y pescando. Las ecuaciones para el cálculo de las toneladas-milla, serán desarrolladas una vez que se hayan estudiado los componentes de la sarta de perforación. La guaya de perforación conecta todos los componentes del sistema de levantamiento, como se observa en la Figura 3.42, uno de sus extremos va anclada a la subestructura del taladro y de ésta se conecta al carreto o tambor de reserva, la guaya de perforación va de forma alternada del bloque corona al bloque viajero pasando por sus poleas y luego se enrolla en tambor del malacate.

Bloque Corona (BC) Línea Viva (Lf)

Línea Muerta (Lm)

Ancla

Carreto

Malacate Bloque Viajero (BV)

Figura 3.42: Arreglo y Nomenclatura de los Bloques y las Líneas que Conecta la Guaya de Perforación [62].

216

TEMA III


La guaya no sólo conecta al bloque corona y al bloque viajero, sino que el número de líneas que unen a dichos bloques, permite determinar el número de poleas en cada uno de ellos, para el bloque corona, el número de poleas es igual a la mitad del número de líneas más uno; y para el bloque viajero el número de poleas igual a la mitad del número de líneas, tal y como se muestra en la Figura 3.43, que corresponde al diagrama de poleas entre el bloque corona y el bloque viajero.

Bloque Corona.

n=6

Línea Viva (Lf) va al malacate.

Línea muerta (Lm) va anclada. Bloque Viajero.

W Figura 3.43: Diagrama de Poleas entre el Bloque Viajero y el Bloque Corona.

El número de líneas n, que unen al bloque corona y al bloque viajero se relaciona con la eficiencia, tal y como se muestra en la Tabla 3.3.

217

TEMA III


Tabla 3.3: Eficiencia del Malacate en Función del Número Líneas del Sistema de Bloques [62].

Número de Líneas (n)

Eficiencia (E)

6

0,874

8

0,841

10

0,810

12

0,770

14

0,740

La eficiencia se define como la relación que existe entre la potencia del gancho y la potencia del malacate. Hp gancho

E=

Hp malacate

(3.7)

Donde: E:

eficiencia, fracción.

Hp gancho :

potencia del gancho, HP.

Hp malacate :

potencia del malacate, HP.

En forma general la potencia se define como fuerza por velocidad de acuerdo a la ecuación 3.8: Hp = F x V

Donde: Hp:

potencia, HP.

F:

fuerza, lbf.

218

(3.8)

TEMA III

V:


velocidad, pie/min.

Al sustituir la ecuación 3.8 en la ecuación 3.7 se obtiene:

W x Vgancho

E=

Tlf x Vlf

(3.9)

Al tomar en cuenta que la velocidad de la línea viva es n veces la velocidad del gancho, entonces: Vlf = nVgancho

(3.10)

Donde: E:

eficiencia, fracción.

W:

peso sobre el gancho, lbf.

V gancho :

velocidad del gancho, pie/min.

Tlf:

tensión en la línea viva, lbf.

Vlf:

velocidad de la línea viva, pie/min.

n:

número de líneas, adimensional.

Al sustituir la ecuación 3.10 y despejar la tensión en la línea viva se obtiene la ecuación 3.11:

Tlf =

W nE

(3.11)

Por otra parte, la guaya de perforación es enrollada en carretos, la energía necesaria para enrollar la guaya de perforación es desarrollada por el malacate, tal y como se

219

TEMA III


señaló al estudiar este componente del sistema de levantamiento, ahora se procederá al desarrollo la ecuación que permite calcular dicha cantidad de energía, a partir de la definición de eficiencia (ver ecuación 3.7) y de la sustitución de la potencia del gancho, en función del peso sobre el gancho y la velocidad del gancho, para ello se utiliza la ecuación 3.12.

E=

Wgancho x Vgancho Hp malacate

(3.12)

Al despejar la potencia del malacate de la ecuación 3.12 y en unidades de HP se obtiene que:

Hp malacate =

Wgancho x Vgancho 33.000 x E

(3.13)

Donde: Hp:

potencia desarrollada por el malacate, HP.

Wgancho:

peso en el gancho, lb/pie.

Vgancho:

velocidad del gancho, pie/min.

E:

eficiencia, adimensional.

Por otra parte, se puede determinar la potencia desarrollando la definición de potencia (ver ecuación 3.8) en función de la longitud, las ecuaciones 3.14 y 3.15 establecen estas relaciones. F(L) = W x L

220

(3.14)

TEMA III


V(L) =

∂L ∂t

(3.15)

Al sustituir las relaciones 3.14 y 3.15 en la definición de potencia (ecuación 3.8), se obtiene la expresión que permite determinar la potencia del malacate, en función de las derivadas parciales de longitud y tiempo.

Hp = WL

∂L ∂t

(3.16)

Se separan las variables e integrando se tiene que: t

L

W ∫0 ∂t = Hp ∫0 L∂L

t=

Wg x L2 2Hp

(3.17)

Se despeja la potencia del malacate de la ecuación 3.9 y se obtiene:

Hp =

Wg x L2 2t

Donde: Hp:

potencia desarrollada por el malacate, lbf-pie/min.

Wg:

peso de la guaya, lb/pie.

L:

longitud de la guaya, pies.

t:

tiempo, min. 221

(3.18)

TEMA III


Para finalizar el estudio de todos los componentes del sistema de levantamiento, es necesario establecer las ecuaciones que permiten calcular el factor de eficiencia de la torre, que es la relación entre la carga real y la carga equivalente máxima, tal y como se señaló al estudiar la capacidad de las torres de perforación. La carga total de la torre de perforación no se distribuye de la misma forma sobre las cuatro patas de la torre de perforación. Puesto que el malacate está situado a un lado del piso de la torre de perforación, la tensión en la línea viva es el excedente distribuido solamente en dos de las cuatro piernas de la torre de perforación. La línea muerta afecta solamente a la pata a la cual se une que se une. Las líneas de la guaya de perforación usualmente presentan el arreglo que se muestra en la Figura 3.44, donde se observa una vista en planta del piso del taladro de perforación. Para ésta configuración, las patas C y D de torre de perforación compartirían la carga impuesta por la tensión en la línea viva y la pata A asumiría la carga completa impuesta por la tensión en la línea muerta.

B

A Lm

W

C

D

Figura 3.44: Configuración de la Torre de un Taladro de Perforación.

222

TEMA III


La Tabla 3.4 muestra la distribución de las cargas sobre cada una de las patas de una torre de perforación, para la configuración mostrada en la Figura 3.44. Tabla 3.4: Cargas Sobre las Patas de una Torre de Perforación [64].

Fuente de la

Carga

Carga

Total

Pata A

Pata B

Pata C

Pata D

W

W/4

W/4

W/4

W/4

W/En

-

-

W/2En

W/2En

W/n

W/n

-

-

-

W(n+4)/(4n)

W/4

W(En+2)/4En

W(En+2)/4En

Carga

del

Gancho Línea Viva Línea Muerta

Carga en Cada Pata de la Torre

El factor de eficiencia de la torre (Fd), se define a como la relación que existe entre la carga y la carga máxima equivalente de la torre, a través de la ecuación 3.19.

Ed =

Fd Fde

(3.19)

En la Tabla 3.4, se observa la sumatoria final de las cargas por cada pata, donde la pata A soporta la mayor carga, puesto que soporta un cuarto del peso sobre el gancho y esta unida a la línea muerta, al cambiar la configuración de las líneas, cualquiera de las patas podría soportar la misma carga que A, entonces, la carga máxima equivalente de la torre es igual a cuatro veces la carga máxima que puede soportar dicha pata.

La carga de la pata A es igual a:

W (n + 4 ) , al multiplicar por cuatro y resolver la 4n

expresión se obtiene la ecuación 3.20:

223

TEMA III


⎛n + 4⎞ Fde = W ⎜ ⎟ ⎝ n ⎠

(3.20)

La carga de la torre es igual a la suma del peso sobre el gancho, la tensión en la línea viva, más la tensión en la línea muerta, (ver Tabla 3.4) y se define a través de la ecuación 3.21. ⎛ 1 + E + En ⎞ Fd = W⎜ ⎟ En ⎝ ⎠

(3.21)

Donde: Ed:

factor de eficiencia de la torre, adimensional.

Fd:

carga de la torre, lbf.

Fde:

carga máxima equivalente de la torre, lbf.

W:

peso sobre el gancho, lbf.

n:

número de líneas.

Al sustituir las ecuaciones 3.20 y 3.21 en la ecuación 3.19 se obtiene el factor de eficiencia de la torre en función de la eficiencia y el número de líneas que unen al bloque corona y al bloque viajero.

Ed =

Fd [E(n + 1) ] + 1 = Fde E (n + 4 )

224

(3.22)

TEMA III


3.2.2 Sistema de Rotación [59] El sistema de rotación está localizado en la parte central del taladro de perforación, es uno de los componentes operacionales más importantes de un taladro de perforación rotatoria. Su función principal es hacer girar la sarta de perforación y permitir que la mecha perfore un hoyo desde la superficie hasta la profundidad programada. Para impartir movimiento rotatorio a la sarta de perforación, de forma que la mecha pueda moverse, se puede usar un cuadrante con sistema de mesa rotaria o un top Drive, en ambos casos la potencia se transmite desde la superficie hasta el fondo del pozo a través de la sarta de perforación; otra forma de hacerlo es utilizando un motor de fondo. El sistema rotatorio convencional consta de tres subcomponentes básicos: el ensamblaje rotatorio, la sarta de perforación y las mechas, que a su vez incluyen una serie de equipos y herramientas que permiten realizar la rotación de la sarta y la mecha desde superficie. El sistema de rotación con top drive, aunque es similar al sistema convencional, tiene dos propiedades básicas que lo diferencian: la habilidad para transmitir rotación la sarta a cualquier altura y la independencia funcional para rotar la tubería, puesto que elimina el uso del cuadrante y la mesa rotatoria, y consta de: un motor colgado al bloque viajero, una unión giratoria integrada, un manejador de tubería, una cabeza rotatoria y las válvulas de seguridad. Los motores de fondo eliminan la rotación de la tubería mediante una fuerza de torsión desde superficie, y transforman la energía hidráulica del fluido de perforación en energía mecánica suministrando la rotación desde el fondo.

225

TEMA III


3.2.2.1 Sistema de Rotación Convencional El sistema de rotación convencional de un taladro de perforación, hace girar la sarta, permitiendo que la mecha perfore el hoyo, utilizando un sistema de cuadrante y mesa rotatoria, que transmite la potencia desde superficie. Este sistema está compuesto por: el ensamblaje rotatorio, la sarta de perforación y la mecha. El ensamblaje rotatorio consta de la mesa y los accesorios rotatorios, estos últimos están conformados por el buje maestro, el buje del cuadrante, las cuñas y las llaves de potencia; la sarta de perforación está compuesta por la unión giratoria, el cuadrante, la tubería de perforación y el ensamblaje de fondo, que a su vez incluye la tubería pesada, los portamechas y las herramientas especiales

• Ensamblaje Rotatorio [60] Potente ensamblaje rotatorio localizado en el piso del taladro, directamente debajo del bloque viajero y encima del hoyo. Este ensamblaje hace que rote la tubería durante las operaciones de perforación, suspende la sarta de tubería de perforación y la sostiene en las cuñas cuando se desconecta. El ensamblaje rotatorio está conformado por la mesa rotatoria y los accesorios rotatorios. La mesa rotatoria, el buje maestro y el buje del cuadrante se usan en forma conjunta para hacer rotar la sarta de tubería. La mesa rotatoria, el buje maestro y las cuñas se usan para suspender la sarta de perforación en el hoyo mientras se conecta o desconecta una sección de sarta con ayuda de las llaves de potencia.

226

TEMA III


Mesa Rotatoria Se trata de una maquinaria sumamente fuerte y resistente que hace girar el cuadrante y a través de este a la sarta de perforación y la mecha. Funciona por intermedio de un buje de transmisión, el cual transmite el momento de torsión (torque) e imparte el movimiento giratorio a la sarta. Retiene a las cuñas que soportan el peso de toda la sarta de perforación cuando no está soportada por el gancho y los elevadores. La mesa rotatoria está constituida por una aleación de cero y se ajusta por debajo con un anillo de engranaje que se contrae contra la mesa propiamente dicha. Puede soportar el peso de la sarta de perforación y del revestimiento. En las Figuras 3.45a y 3.45b se muestra una mesa rotatoria colocada en el piso del taladro y fuera de su posición de trabajo respectivamente.

a

b

Figura 3.45: Mesas Rotatorias del Sistema de Rotación Convencional [61].

227

TEMA III


♦ Elementos de la Mesa Rotatoria o Cuerpo: ensamblaje en forma de rectángulo que protege todos los implementos rotatorios de la mesa giratoria. o Polea del Piñón de Transmisión: transmite el movimiento rotatorio de la fuente de potencia a la mesa rotatoria a través de la cadena de transmisión y el engranaje. o Piso: sitio donde la cuadrilla realiza todos los trabajos durante la perforación por ello su superficie es rugosa y con estrías para permitir el trabajo con seguridad. o Conexión al Malacate: arreglo mediante el cual la mesa rotatoria recibe energía o potencia través de una cadena de transmisión de una rueda dentada conectada al malacate. o Conexión Directa: es otro arreglo de transmisión independiente que provee una

mayor flexibilidad en la colocación del malacate, da un control más preciso de la mesa rotatoria y más potencia por el incremento en la eficiencia de los otros sistemas de operación, puesto que la conexión es directa al motor primario.

Accesorios Rotatorios Son herramientas auxiliares utilizadas para suspender y sostener, conectar y desconectar la sarta de perforación. El buje maestro y el cuadrante se encuentran en la mesa rotatoria.

228

TEMA III


♦ Buje Maestro Mecanismo intercambiable que se introduce en la mesa rotatoria y provee un espacio donde se introduce el buje del cuadrante. Cuando el buje del cuadrante se engancha para la perforación se transmite el torque de la mesa rotatoria al cuadrante y a la sarta, esta rotación es la clave de todo el sistema de perforación rotatorio convencional. Existen dos tipos de buje maestro: el buje partido o dos piezas que se utiliza cuando se manejan grandes diámetros de portamechas y revestidores; y el buje sólido o de una sola pieza, que se usa en operaciones rutinarias.

♦ Buje del Cuadrante Este dispositivo se acopla en el buje maestro y transmite el movimiento de la mesa rotatoria a la sarta de perforación (torsión), y esta a su vez a la mecha. Existen dos tipos de bujes del cuadrante, el pasador guía, que tiene cuatro pasadores que se insertan dentro del tope del buje maestro, y la guía cuadrada, que como su nombre lo indica tiene una guía cuadrada simple que se inserta con el buje maestro.

♦ Cuñas Son un conjunto de piezas en forma cónica cuya superficie interior es curva y dentada (ver Figura 3.46). Las cuñas se colocan dentro del buje maestro, alrededor de una sección de sarta de tubería para sostener la misma mientras se realiza una conexión. La tubería de perforación es sujetada por la acción combinada de fricción y mordedura.

229

TEMA III


Figura 3.46: Cuñas. Componente Auxiliar de un Taladro de Perforación Convencional [61].

Las cuñas más usadas son las manuales, las cuales son metidas y sacadas por obreros denominados cuñeros, como se muestra en la Figura 3.47. Sin embargo, también existen cuñas de potencia.. Hay variaciones de estos dos tipos de cuñas, de acuerdo a si la sección de la sarta es de tubería o portamechas.

Figura 3.47: Cuñeros

230

[61]

.

TEMA III


♦ Llaves de Potencia Para apretar bien las conexiones se utilizan las llaves de potencia (ver Figura 3.48a), ya que permiten desenroscar la tubería de perforación en el momento de hacer un viaje, ejerciendo fuerza sobre la tubería, tal y como se muestra en la Figura 3.48b. Igualmente, al meter la sarta de perforación se invierte el proceso y se procede a enroscar las uniones.

a

b

Figura 3.48: Llaves de Potencia. Componente Auxiliar de un Taladro de Perforación Convencional [61].

• Sarta de Perforación[9] La sarta de perforación es una columna de tubos de acero, de fabricación y especificaciones especiales, en cuyo extremo inferior va enroscada la sarta de portamechas y en el extremo está enroscada la mecha, pieza también de fabricación y especificaciones especiales, que corta los estratos geológicos para hacer el pozo que llegue al yacimiento.

231

TEMA III


A toda la sarta le imparte su movimiento rotatorio la mesa rotatoria, por medio del cuadrante, el cual va enroscado al extremo superior de la sarta. El número de revoluciones por minuto que se le impone a la sarta, depende de las características de los estratos como también del peso de la sarta que se deje descansar sobre la mecha, para que ésta pueda efectivamente cortar las rocas y profundizar el hoyo. En concordancia con la acción mecánica de desmenuzar las rocas, actúa el sistema de circulación del fluido de perforación, especialmente preparado y dosificado, el fluido se bombea por la parte interna de la sarta, sale por los chorros de la mecha y arrastra hasta la superficie los ripios que se encuentran en el espacio anular creado entre la parte externa de la sarta y la pared del hoyo. Del fondo del pozo hacia arriba, la sarta de perforación está compuesta por: la mecha, los portamechas, la tubería de perforación, el cuadrante y la unión giratoria. Además debe tenerse presente que los componentes de las sartas siempre seleccionan para responder a las condiciones de perforación, dadas por las propiedades y características de las rocas y del tipo de perforación que se desea llevar acabo, bien sea vertical, direccional, inclinada u horizontal. Estos parámetros indicaran si la sarta debe ser normal, flexible, rígida o provista de herramientas especiales, o incluso un motor de fondo para la mecha u otros aditamentos que ayuden a mantener la trayectoria y buena calidad del hoyo.

Unión Giratoria[60] Es una herramienta que cuelga del gancho pegada muy cerca al bloque viajero y conectada la parte superior de la válvula del cuadrante, soportando todo el peso de la sarta mientras se está rotando. Está ubicada en la parte superior de la sarta y permite

232

TEMA III


que el cuadrante y la sarta roten libremente durante las operaciones de perforación, además proporciona una conexión para que el fluido de perforación entre por la manguera a la sarta de perforación. La unión giratoria es uno de los componentes más fuertes del sistema rotatorio. Debe soportar el uso abrasivo de fluido de perforación con presiones superiores a los 4500 lpc, esfuerzos de rotación a velocidades que superan las 200 RPM y pesos superiores a las 500 Toneladas. Las principales funciones de la unión giratoria son: ♦ Conectar la sarta de perforación al sistema de levantamiento, puesto que la unión giratoria se fija al gancho en el fondo del bloque viajero por medio del asa. Esta unión soporta todo el peso de la sarta durante las operaciones de perforación. ♦ Permitir la rotación de la sarta de perforación, la caja de la unión giratoria no rota, pero soporta el cuerpo rotatorio de la unión giratoria que se conecta al cuadrante y a la sarta. ♦ El fluido de perforación sale a presión de la bomba va por la tubería a la manguera rotatoria, luego pasa a través del cuello de ganso de unión giratoria, el tubo de lavado y el cuerpo de la unión, de allí pasa al cuadrante y la sarta de perforación para llegar finalmente a la mecha. Entonces la unión giratoria permite el paso a presión del fluido de perforación.

233

TEMA III


En la Figura 3.49 se muestran las partes básicas de la unión giratoria.

Figura 3.49: Partes Básicas de la Unión Giratoria [61].

Cuadrante También llamado kelly, es un tubo de acero pesado, hueco, que puede tener forma cuadrada, triangular o hexagonal y su longitud puede ser de 40, 43, 46 y 54 pies. El peso de esta junta varía de 395 Kg a 1,6 Toneladas. Esta junta se encuentra suspendida en su extremo superior de la unión giratoria; pasa a través del hueco de la mesa rotatoria y se conecta a la sarta de perforación en su parte inferior, por medio de un sustituto. En la Figura 3.50 se muestran las partes principales del cuadrante.

234

TEMA III


1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Anillo de retención partido superior Anillo de retención espiral. Anillo de retención Anillo en o superior. Anillo de refuerzo. Asiento superior. Anillo de retención partido inferior Bola Sello en T de la palanca.

10. 11. 12. 13. 14. 15.

Palanca de operación Cojinete de empuje. Asiento inferior. Resorte del asiento. Anillo en o inferior. Anillo de refuerzo inferior 16. Cuerpo

Figura 3.50: Partes del Cuadrante

[61]

.

El cuadrante es el único componente de la sarta de perforación que puede operar arriba y abajo de la mesa rotatoria simultáneamente durante las operaciones de perforación; se mueve en dos direcciones simultáneamente durante la perforación de un pozo: rotacionalmente y verticalmente.

235

TEMA III


♦ Accesorios del Cuadrante Existen accesorios de seguridad que se instalan en los extremos del cuadrante, con la finalidad de garantizar que el mismo lleve a cabo su función de manera eficiente, estos pueden ser: o Válvula Superior del Cuadrante: es una válvula que va instalada entre la unión giratoria y el cuadrante, su función principal, cuando está cerrada, es preservar la unión giratoria y la manguera de perforación de cualquier presión repentina que venga del pozo. o Sustituto Salvador del Cuadrante: es una herramienta corta que se conecta al fondo del cuadrante para proteger las roscas del mismo. Esta pieza une al cuadrante y la tubería de perforación; sino se utiliza, se tendría que conectar y desconectar el cuadrante cada vez que se añada un tubo a la sarta de perforación. o Válvula Inferior: es aquella que mantiene el fluido de perforación dentro del cuadrante cuando se hace una conexión. Esta válvula puede ser automática o manual y generalmente se utiliza en lugar del sustituto del cuadrante. El cuadrante es uno de los componentes más importantes y resistentes del sistema de rotación. El mismo, soporta todo el peso de la sarta y resiste los esfuerzos continuos de torsión a que está sometido por el efecto de rotación de la mesa. Las funciones principales del cuadrante son: − Conectar la unión giratoria con la sarta de perforación, permitiendo que esta gire, baje o suba. − Transmitir el movimiento de rotación de la mesa giratoria la sarta de perforación. − Permite el movimiento vertical de la sarta de perforación mientras se perfora.

236

TEMA III


− Sirve de conducto para que el fluido pase de la unión giratoria a la sarta de perforación.

Tubería de Perforación [59] Llamada también Drill Pipe, son tubos de perforación son cilindros huecos, de acero pesado que al conectarse entre sí quedan suspendidos debajo del cuadrante. La tubería de perforación constituye la mayor parte de la sarta, se usa en la parte superior-media, proveyendo la conexión entre el ensamblaje de fondo y la superficie, aunado a esto, es indispensable para conectar los sistemas de levantamiento, rotación y circulación. También permite el paso del fluido de perforación sin interrupción desde la unión giratoria hasta el fondo del pozo. El extremo superior de la tubería de perforación está soportado por el cuadrante, el cual la hace girar por el efecto de la mesa rotatoria, permite que la sarta alcance la profundidad deseada, así como bajar la mecha y sacarla cuando ésta se desgaste, además de conectar el ensamblaje de fondo. Esta sección de la sarta de perforación va aumentando en longitud a medida que se va ahondando el hoyo. Los tramos de tubería se unen entre sí por medio de roscas, las cuales están diseñadas para soportar grandes esfuerzos de tensión, enrosque y desenrosque constante, pandeo, torsión

y otros esfuerzos que pueden ocasionar fallas en la tubería de

perforación. De allí que la fabricación se haga utilizando aleaciones especiales de acero, cuyas características soporten los esfuerzos a que están sujetos en el hoyo tanto cada tubo como las conexiones que las unen.

237

TEMA III


Cada tubo tiene dos partes principales: el cuerpo o tubo y los cuellos, que son conexiones en los extremos, acopladas por tratamientos térmicos. Las partes de una tubería de perforación se muestran en la Figura 3.51.

Caja

Cuerpo

Pin

Figura 3.51: Partes Principales de la Tubería de Perforación [53].

238

TEMA III


♦ Los Cuellos: son refuerzos en los extremos, donde la tubería está sometida a mayores esfuerzos. Este reforzamiento proporciona un área más espesa en la tubería de perforación. Hay dos tipos básicos de cuellos, en el tope de cada tubo hay una zona interna roscada que se llama caja (hembra); y en el fondo de cada tubo hay una zona roscada externa que se llama pin (macho); cuando se hace la conexión el pin se inserta dentro de la caja y se enrosca con herramientas especiales. En la Figura 3.52a se muestra un enrrosque de tipo caja x caja, en la Figura 3.52b un enrrosque tipo pin x caja y finalmente en la Figura 3.53 se muestra un diagrama de los distintos tipos de enrosque de las tuberías de perforación, que pueden ser pin o cajas en los dos extremos, o distintas combinaciones de ambas.

a

b

Figura 3.52: Cuellos de la Tubería de Perforación [53].

239

TEMA III


Figura 3.53: Tipos de Enrosque de la Tubería de Perforación [61].

La tubería de perforación, al igual que otros tubulares, puede ser especificada de acuerdo con las siguientes características [51]: o Diámetro. o Grado o resistencia. o Peso. o Longitud. El diámetro, el peso y la resistencia de la tubería a utilizar, dependen del tamaño del hoyo, la profundidad y las propiedades del pozo. La tubería de perforación usualmente se puede conseguir en tres rangos de longitud. La Tabla 3.5 muestra los rangos de clasificación para la tubería de perforación de acuerdo a la longitud y condición de la misma. El rango más común es de 27–30 pies. Tabla 3.5: Clasificación de la Tubería de Perforación de Acuerdo a Longitud y Condición [2].

Rango Pies Metros Condición Tipo

1 18-22 5,5-6,7 Casi Nuevo Premium

2 27-30 8,2-9,1 Poco Uso Clase 2

240

3 38-45 11,6-13,7 Mayor Uso Clase 3

TEMA III


Según el grado de acero, el cual determina las propiedades mecánicas de tensión y torsión máxima. Cuanto más alto sea el grado, más resistencia tendrá la tubería. La fuerza

necesaria

para

estirar

o

comprimir

la

tubería

hasta

deformarla

permanentemente se llama resistencia mínima al punto cedente; y la fuerza necesaria para estirar la tubería hasta romperla se llama resistencia mínima la tensión. Los grados utilizados en la tubería de perforaciones presentan a continuación en orden creciente. o E75. o X95. o G105. o S135. Donde E
241

TEMA III


a

b

Figura 3.54: Tubería de Perforación Almacenada [53,61].

La selección de los componentes principales de toda la sarta, así como dispositivos auxiliares necesarios, dependen fundamentalmente del diámetro y de la profundidad del hoyo como también de las características y comportamiento de los estratos a perforar.

Ensamblaje de Fondo

♦ Tubería Pesada [59] También llamada Heavy-Weight, es un componente intermedio del ensamblaje de fondo; son tubos de acero circulares, de pared gruesa unidos entre sí por juntas extralargas a través del cual pasa el fluido de perforación (ver Figura 3.55a y 3.55b).

242

TEMA III


a

b

Figura 3.55: Tubería Pesada. Componente del BHA [53].

243

TEMA III


La principal función de la tubería pesada es servir de zona de transición entre las barras y la tubería de perforación, con el objetivo de minimizar los cambios de rigidez entre los componentes de la sarta y reducir fallas por concentración de flexión cíclica en la conexión de la tubería de perforación. Este tipo de tubería es ideal para pozos con alto ángulo de inclinación porque es menos rígida que los portamechas y hace menos contacto con la pared del pozo, también minimiza los atascamientos diferenciales, en perforación direccional disminuye los problemas operacionales, puesto que resiste numerosos cambios de ángulo y de dirección en el pozo.

♦ Portamechas[58] Llamados también Drill Collars, barras o lastrabarrenas. Durante los comienzos de la perforación rotatoria, para conectar la mecha a la sarta de perforación se usaba una unión corta, de diámetro externo mucho menor que el de la mecha, pero algo mayor que el de la sarta de perforación. Por las prácticas y experiencias obtenidas de la función de esta unión y del comportamiento de la mecha y de la sarta de perforación, evolucionó la aplicación a los nuevos diseños y la tecnología metalúrgica de fabricación de los portamechas actuales. Los portamechas son tuberías especiales de acero o metal no magnético, pesadas y con paredes de gran espesor, colocados en el fondo de la sarta de perforación y encima de la mecha. El peso de los portamechas, depende de tres factores longitud, diámetro interno y externo, su longitud generalmente es de 30 pies, sin embargo, también las hay más

244

TEMA III


cortas para espaciar herramientas especiales en el fondo. Pueden colocarse desde dos hasta 60 portamechas en una sarta de perforación. El diámetro externo debe ser lo más semejante posible al diámetro del pozo y el diámetro interno debe ser lo suficientemente grande como para permitir la circulación del fluido de perforación con mínima caída de presión. Los espesores de pared de 3,5 pulg o más. Dentro de las principales funciones de los portamechas tenemos proporcionar la rigidez y el peso suficiente para producir la carga axial requerida por la mecha para una penetración más efectiva de la formación, manteniendo peso en la sección inferior de la sarta para hacer tensión en la misma, soporta y da rigidez la parte inferior de la sarta de perforación, sirve de apoyo y estabiliza la mecha manteniendo el nuevo hoyo alineado con el hoyo anterior. Las diferencias más notables entre tubería y los portamechas son: la forma, el peso y el esfuerzo, los portamechas no tienen cuellos en sus extremos debido a que los portamechas son de espesor de pared gruesa para hacerle rosca directamente sobre el tubo. Hay tres tipos básicos de portamechas: normales, espiral y muescados. o Normales: tienen la superficie recta y lisa, con conexión caja en el tope y conexión macho en el fondo (ver Figura 3.56a) o Espiral: tiene ranuras en espiral hechas en el cuerpo del tubo. Son usadas en sustancias especiales para prevenir pegas diferenciales debido a que permiten igualar la presión (ver Figura 3.56b). o Muescadas: tienen muescadas o rebajo en el extremo del tubo cerca de la caja (ver Figura 3.56c).

245

TEMA III


a

b

c

Figura 3.56: Portamechas. Componente del BHA [53].

♦ Herramientas Especiales Esta es una frase que ha sido aceptada cuando se conecta una combinación de portamechas y varias herramientas utilizadas en los últimos pies del fondo de la sarta de perforación, son usadas para influenciar el comportamiento de la mecha durante las operaciones de perforación. Existen cinco tipos principales de estas herramientas: o Substitutos. o Estabilizadores. o Escariador Rotatorio. o Amortiguadores o Vibradores.

246

TEMA III


o Sustitutos Son herramientas auxiliares de pequeña longitud, regularmente no superan los cuatro pies y se utilizan para enlazar herramientas y tuberías en la sarta que no son compatibles con el tipo de rosca de las conexiones.

o Estabilizadores Los estabilizadores son herramientas usadas para perforar un pozo recto. Se utilizan en el ensamblaje de fondo para estabilizar la mecha y las barras o portamechas en el hoyo, durante la perforación. Dentro de las funciones de los estabilizadores cabe mencionar: − Incremento la tasa de penetración al propiciar que la dirección de la fuerza resultante sobre la mecha coincida con el eje del hoyo. − Reduce la fatiga en las conexiones de las barras al reducir el pandeo de la sarta. − Previene la pega de la sarta al mantener las barras alejadas de la pared del hoyo. − Previene cambios bruscos de ángulo del hoyo al aumentar la rigidez del ensamblaje de fondo, al mismo tiempo que mantiene las barras centradas en el hoyo minimizando la desviación del mismo y obteniéndose hoyos mejor alineados. − Incrementa la rigidez en la parte inferior del ensamblaje de fondo. − El hoyo se mantiene mejor alineado, puesto que mantiene los portamechas centrados minimizando la desviación del mismo. En las Figuras 3.57a y 3.57b se muestra un diagrama y la imagen real de un estabilizador.

247

TEMA III


a

b

Figura 3.57: Estabilizador. Herramienta Especial del BHA [61].

o Escariador Rotatorio Son herramientas utilizadas en las operaciones de perforación para mantener el hoyo en pleno calibre o para ampliarlo cuando se perfora en formaciones duras. Sin la utilización de un escariador en estas formaciones, la próxima mecha deberá escariar el hoyo, lo cual implica pérdida de tiempo y aumento de los costos de perforación. A menos que sea absolutamente necesario, se deben usar como herramientas de estabilización. Existen tres tipos básicos de escariadores rotatorios: escariador de tres puntos de fondo de pozo, escariador de tres puntos tipo sarta, escariador de seis puntos de fondo de pozo, tal y como se muestra en la Figura 3.58.

248

TEMA III


a b c

Figura 3.58: Escariadores Rotatorios. Herramientas Especiales del BHA [60].

o Amortiguadores Son herramientas colocadas en la sección inferior de la sarta de barras diseñadas par absorber las vibraciones y cargas de choque que se generan al perforar formaciones duras, quebradas o intercaladas (ver Figura 3.59). Al perforar estas formaciones, la sarta está expuesta a vibraciones fuertes inducidas por la mecha. Los tipos básicos de amortiguadores de son: resortes de goma, de acero y de tipo hidráulico. Los amortiguadores de goma estañan limitados por la temperatura y por el uso de fluidos de perforación base aceite, mientras que los otros tipos no tienen esa limitación.

249

TEMA III


Las principales funciones de los amortiguadores son: − La reducción de la fatiga y las fallas en las conexiones de los portamechas. − Incremento la vida útil de la mecha debido a la reducción de las fuerzas actuantes sobre ella, protegiendo la estructura de corte y los cojinetes. − Aumento de la tasa de penetración por el uso de combinaciones óptimas de peso sobre la mecha y velocidad de rotación. − Reduce posibles daños los equipos de superficie.

Figura 3.59: Amortiguadores. Herramienta Especial del BHA [65].

o Martillo A esta herramienta también se le denomina tijera golpeadora o vibrador, se coloca en la sarta de perforación y se usa solamente en caso de atascamiento de tubería. Actualmente utilizada en la perforación direccional, y se encuentran en el mercado una extensa gama de modelos (ver Figura 3.60a y 3.60b).

250

TEMA III


a

b

Figura 3.60: Martillo. Herramienta Especial del BHA [65, 61].

o Measurement While Drilling (MWD) El MWD es una herramienta utilizada para transmitir información en tiempo real mientras se perfora. Usualmente la herramienta se coloca en un drill collar especial cerca de la mecha. Las herramientas MWD registran las condiciones de fondo de pozo transmitiéndolas a la superficie, utiliza acelerómetros y magnetómetros para medir la inclinación y el azimut del pozo, en superficie el perforador monitorea estas condiciones en tiempo real. Muchas herramientas MWD crean pulsos en el fluido de perforación, estos pulsos llevan la información de fondo de pozo a superficie a través de la sarta de perforación. La información recabada por el MWD incluye: propiedades de la herramienta, la dirección en la cual la mecha está perforando, azimut, inclinación, torque y peso sobre la mecha. En la Figura 3.61 se muestran las principales partes de la herramienta MWD.

251

TEMA III

pantalla de fluido de perforación


pulser

centralizador

alternador turbina válvula medidora

localización de la válvula piloto

Figura 3.61: Partes de la Herramienta MWS [66].

o Logging While Drilling (LWD)[67] Se refiere a la medición de las propiedades de la formación durante la perforación de un hoyo, mediante el uso de herramientas integradas en el ensamblaje de fondo. Tomar registros mientras se perfora a veces es arriesgado y costoso, sin embargo, tiene la ventaja de medir las propiedades de la formación antes de la invasión profunda del fluido de perforación. Además, muchos pozos resultan difíciles o incluso imposibles de medir con instrumentos convencionales, especialmente los pozos altamente desviados. Algunos de los registros que se miden en la formación son: Gamma Ray (radiactividad natural de la formación), eléctricos, de densidad y porosidad, resonancia magnética, acústicos entre otros (ver Figura 3.61).

252

TEMA III


Figura 3.62: Ensamblaje de Fondo Utilizando LWD.

253

TEMA III


Toda la sarta de perforación, desde la unión giratoria hasta las herramientas especiales sirven de conducto para el fluido de perforación, que se desplaza desde superficie hasta llegar a la mecha y posteriormente asciende por el espacio anular existente entre el hoyo o revestimiento y la sarta de perforación, el volumen de fluido que ocupa este espacio es función de la capacidad volumétrica de los tubulares y del espacio anular.

Capacidad Volumétrica La capacidad volumétrica interna, es la propiedad que permite a la tubería almacenar fluidos dentro de ciertos límites establecidos por el diámetro interno, tal y como se muestra en la Figura 3.63 donde se identifican los diámetros internos y externos de una sección de tubería.

DI DE

Figura 3.63: Diagrama de una Sección Transversal de un Tubular.

254

TEMA III


El área de un círculo se define como πr 2 , si se consideran las áreas transversales de los tubulares como círculos uniformes y al colocar la ecuación en función del diámetro se obtiene: Ci = π

DI 2 4

(3.23)

Donde: Ci:

capacidad volumétrica interna, pulg2.

DI:

diámetro interno, pulg.

La capacidad debe ser expresada en unidades de barriles por pie de la siguiente forma:

Ci = pulg 2 x

1 pie 2 1 pie 1 bls bls = x x 2 3 1 pie 5,615 pie pie 144 pulg

Al sustituir el valor de π y resolver se obtiene la ecuación 3.24.

Ci =

(DI) 2 1029,4

(3.24)

Cuando el fluido de perforación sale por el espacio anular, la capacidad volumétrica de dicho espacio es función del diámetro externo de la tubería y del diámetro del hoyo o revestidor y viene dada por la ecuación 3.25.

Ca =

(DE) 2 − (DI)2 1029,4

255

(3.25)

TEMA III


Donde: Ci:

capacidad volumétrica interna de la tubería, bls/pie.

Ca:

capacidad volumétrica anular, bls/pie.

DE:

diámetro mayor del espacio anular considerado, pulg.

DI:

diámetro menor del espacio anular considerado, pulg.

El espacio anular es el espacio entre la sarta de perforación y la pared del pozo, puede estar formado, por el hoyo y el portamechas, el hoyo y la tubería pesada, el hoyo y la tubería de perforación, el revestidor tubería de perforación, entre otros. Durante las operaciones de perforación, el hoyo se encuentra lleno de fluido de perforación, en el cual se sumerge la sarta de perforación, la misma disminuye su peso efectivo gracias a una fuerza igual al peso del fluido desalojado, tal y como lo indica el principio de Arquímedes, en el cual se fundamenta el concepto de flotabilidad.

• Flotabilidad [1] El principio de Arquímedes establece que un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, es empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del agua desalojada. Este es un hecho importante en todas las fases de las operaciones de perforación. Un trozo rectangular de material sólido sumergido en un líquido se tomará como ejemplo. En la Figura 3.64 se ve que el cubo está sumergido a una distancia, L1, bajo la superficie del líquido.

256

TEMA III


L1 L2

h A Líquido

Figura 3.64: Ilustración del Principio de Arquímedes.

Las fuerzas horizontales en todos los lados del sólido están balanceadas, sin embrago, las fuerzas verticales no lo están. La fuerza total actúa sobre la cara superior es igual al peso del líquido ejerciéndose sobre el cubo. Si el peso por unidad de volumen del líquido es ρ L , entonces el peso total del líquido sobre el cubo es:

ρ L x L1 x A

(3.26)

Donde: A:

área de sección trasversal del cubo.

L1:

distancia bajo la superficie del líquido a la que está sumergido el cubo.

ρL :

el peso por unidad de volumen de líquido.

La fuerza actuando sobre la cara inferior será:

ρL x L2 x A

257

(3.27)

TEMA III


Donde: A:

área de sección trasversal del cubo.

L2:

distancia bajo la superficie del líquido a la que está sumergido el cubo desde la cara inferior.

ρL :

el peso por unidad de volumen de líquido.

La fuerza neta hacia arriba es igual a:

ρ L x L 2 x A - ρ L x L1 x A = ρ L x h x A

(3.28)

En la Figura 3.64 se observa que el volumen del cubo es igual h x A , por lo tanto la fuerza de flotación del líquido es exactamente igual al volumen del líquido desplazado. La fuerza de flotabilidad del fluido de perforación reducirá el peso real de cualquier cosa suspendida en él. Este factor puede ser muy importante cuando se introducen sartas de tubería de revestimiento muy pesadas en el hoyo. La magnitud de la reducción del peso efectivo puede examinarse a través del principio de Arquímedes, el peso real de la tubería se reducirá en una magnitud igual al peso del fluido desplazado. El peso de tubería en el aire viene dado por la ecuación 3.29

(

2

2

)

Wta = πr1 l − πr2 l ρ a Donde: Wta: peso de la tubería en el aire, lb/pie. r1:

radio interno, pulg

258

(3.29)

TEMA III


r2:

radio externo, pulg.

l:

longitud de la tubería, pie.

ρa : densidad del acero, lpg.

El peso de volumen equivalente de fluido de perforación se calcula usando la ecuación 3.30

(

2

2

)

Wdm = πr1 l − πr2 l ρ L

(3.30)

Donde: Wdm: peso del fluido de perforación, lb/pie.

ρL :

densidad del fluido de perforación, lpg.

El peso efectivo de la tubería de perforación cuando se sumerge en el fluido de perforación es: Wcm = Wta - Wdm

(3.31)

Donde: Wcm: peso efectivo de la tubería en el fluido de perforación, lbs/pie. Al sustituir las ecuaciones 3.29 y 3.30 en la ecuación 3.31 se obtiene:

(

2

2

)

(

2

2

)

Wcm = πr1 l − πr2 l ρ a − πr1 l − πr2 l ρ L Al multiplicar y dividir el lado derecho de la ecuación 3.32 por Wta se obtiene:

259

(3.32)

TEMA III


Wcm = Wta

(πr

2

1

2

)

(

2

2

)

l − πr2 l ρ a − πr1 l − πr2 l ρ L

(πr

2

2

)

1

l − πr2 l ρ a

( (

) )

(3.33)

2 2 ⎡ πr l − πr2 l ρ L ⎤ Wcm = Wta ⎢1 − 1 2 ⎥ 2 πr1 l − πr2 l ρ a ⎥⎦ ⎢⎣

(3.34)

⎡ ρ ⎤ Wcm = Wta ⎢1 − L ⎥ ⎣ ρa ⎦

(3.35)

Como la densidad del acero es uniforme, e igual a 65,5 lpg la expresión puede simplificarse aún más, tal y como se muestra en la ecuación 3.36. ρ ⎤ ⎡ Wcm = Wta ⎢1 − L ⎥ ⎣ 65,5 ⎦

(3.36)

La ecuación 3.36 se utiliza para calcular el peso efectivo de una tubería de revestimiento o de perforación cuando está sumergida en el fluido de perforación. ρ ⎤ ⎡ El término ⎢1 − L ⎥ se conoce como factor de flotación. ⎣ 65,5 ⎦

260

TEMA III


• Diseño de Sartas [68]

Longitud de los Portamechas Las sartas utilizadas en las operaciones de perforación de los pozos están sometidas a una serie de esfuerzos diferentes que influyen en su comportamiento. Estos son: flexión, torsión, flotación, tensión/compresión y presión (interna y externa). Para efectos de diseño del ensamblaje de fondo, lo más importante es analizar la localización del punto neutro, que es la región por encima de la cual la sarta no sufre pandeo. El peso por ser aplicado sobre la mecha debe ser proporcionado por parte de la longitud de las barras, para ubicar el punto neutro en ellas y evitar fallas en la sarta, durante las operaciones de perforación. Existen tres métodos para calcular la longitud de los portamechas, los cuales se describen a continuación: Método de Arquímedes, Fuerza Areal, y Factor de Flotación.

♦ Método de Arquímedes Este método se basa en el postulado de la Ley de Arquímedes según el cual cada objeto sumergido en un líquido desplazará un volumen equivalente a su propio volumen y recibirá una fuerza equivalente llamada flotación. A continuación se presenta paso a paso el procedimiento para determinar el peso máximo que se puede aplicar sobre la mecha en un pozo.

261

TEMA III


1. Se determina el volumen de los portamechas y de la tubería de perforación, utilizando la ecuación 3.37 de capacidad volumétrica:

VDC

DE 2 − DI 2 = xL 1029,4

(3.37)

Donde: VDC:

volumen de los portamechas, bls.

DE:

diámetro externo de la tubería, pulg.

DI:

diámetro interno de la tubería, pulg.

L:

longitud de los portamechas, pies.

El volumen de la tubería de perforación se calcula de forma análoga al volumen de los portamechas, se utiliza la ecuación (3.37) y se sustituyen los valores correspondientes a diámetros y longitud de la tubería de perforación. 2. Se calcula el volumen de fluido desplazado, que es igual al volumen de las barras más el volumen de la tubería de perforación, tal y como se muestra en la ecuación 3.38. Vd = VDC + VDp's

Donde: Vd:

volumen desplazado, bls.

VDC:

volumen de los portamechas , bls.

VDp’s: volumen de la tubería de perforación, bls.

262

(3.38)

TEMA III


3. Se calcula la fuerza de flotación equivalente al peso del fluido desplazado utilizando la ecuación 3.39.

PFD = Vd x ρ L x

42 gal 1 bl

(3.39)

Donde: PFD:

fuerza de flotación equivalente al peso del fluido desplazado, lbs.

ρL :


4. Para especificar el peso disponible sobre la mecha se le resta al peso de los portamechas en el aire la fuerza de flotación, tal y como se muestra en la ecuación 3.40. PSDM= PDCA - PFD

(3.40)

Donde: PSDM:

peso disponible sobre la mecha, lbs.

PDCA:

peso de los portamechas en el aire, lbs.

Así se obtiene el peso máximo disponible para aplicar sobre la mecha.

♦ Método de Fuerza Areal En una sarta de perforación sus componentes tienen diferentes áreas seccionales. Estas se ubican en el pozo a diferentes profundidades y están sometidas a diferentes presiones hidrostáticas. El balance de las fuerzas proporcionado por las presiones

263

TEMA III


hidrostáticas en estas áreas actuará igual a la flotación, como si se tratara de impulsar la sarta fuerza del pozo. Utilizar el método de fuerza implica: 1. Determinar el área seccional en el tope de los portamechas usando la ecuación 3.41:

A1 =

[(

) (

π 2 2 2 2 DE DC − DI DC − DE Dp's − DI Dp's 4

)]

(3.41)

Donde: A1:

área seccional en el tope de las barras, pulg2.

DE:

diámetro externo, pulg.

DI:

diámetro interno, pulg

Los subíndices DC y D’ps se refieren a los portamechas y la tubería de perforación respectivamente. 2. Se calcula el área seccional en el fondo de los portamechas, y se utiliza para ello la ecuación 3.42.

A2 =

[(

π 2 2 DE DC − DI DC 4

)]

(3.42)

3. Se obtiene la presión hidrostática del fluido de perforación en el tope de los portamechas utilizando la ecuación 3.43.

Ph 1 = 0,052 x ρ L x h 1

264

(3.43)

TEMA III


Donde: Ph1:

presión hidrostática, lpc.

h1:

altura de la columna de fluido de perforación, pies.

ρL :


4. Se determina la presión hidrostática en el fondo de los portamechas:

Ph 2 = 0,052 x ρ L x h 2

(3.44)

5. Para calcular las fuerzas que actúan hacia abajo en el tope de los portamechas y hacia arriba en fondo de las barras se multiplica el área por la presión hidrostática correspondiente, tal y como se muestra en la educación 3.45. F = A x Ph

(3.45)

Donde: F:

fuerza que actúa sobre las barras, lbs.

Ph: presión hidrostática, lpc. A:

área transversal sobre a cual actúa la fuerza, pulg2.

6. El peso disponible sobre la mecha es la suma algebraica de las fuerzas aplicadas tal y como lo muestra la ecuación 3.46. PDSM = F1 + PDCA − F2 Donde: PDSM: peso disponible sobre la mecha, lbs. PDCA:

peso de los portamechas en el aire, lbs.

265

(3.46)

TEMA III


♦ Método de Factor de Flotación Consiste en obtener la longitud de los portamechas que permite concentrar el 85% de su peso flotado disponible sobre la mecha. 1. El peso disponible sobre la mecha se calcula a través de la ecuación 3.47. PDSM = PDCA x Ff x 0,85

(3.47)

Donde: PSM: peso sobre la mecha, lbs. PDCA: peso de los portamechas en el aire, lbs. Ff:

factor de flotación, adimesional.

2. Para hoyos inclinados el, PDSM se obtiene a través de la ecuación 3.48: PDSM = PDCA x Ff x 0,85 x Cosφ

(3.48)

Donde: φ : ángulo de desviación con la vertical, grados.

La aplicación de este método involucra el cálculo del factor de flotación, para ello se utiliza la ecuación 3.49. ρ ⎤ ⎡ Ff = ⎢1 − L ⎥ ⎣ 65,5 ⎦

266

(3.49)

TEMA III


Los dos primeros métodos dan resultados muy similares y muy diferentes al tercer método. Sin embargo, el de mayor aplicación en la industria petrolera a nivel mundial es el método del factor de flotación. La Figura 3.65 muestra un diagrama de la ubicación del punto neutro en dos situaciones diferentes de peso sobre la mecha.

Figura 3.65: Ubicación del Punto Neutro en la Sarta de Perforación [61].

Para indicar la ubicación del punto neutro, es necesario conocer el peso aplicado sobre la mecha, sin embargo, este calculo dependerá de si el peso sobre la mecha es mayor o menor que el peso disponible sobre la misma, así se presentan las ecuaciones 3.50 y 3.51. a)

Si PSM > PDSM

267

TEMA III


PN =

PSM − PDSM PDp's

(3.50)

En este primer caso el punto neutro se encuentra ubicado en la tubería de perforación. b)

Si PSM ≤ PDSM PN =

(3.51)

PSM PDC

Donde: PN:

punto neutro, adimensional.

PSM:

peso sobre la mecha, lbs.

PDSM:

peso disponible sobre la mecha, lbs.

PDp’s:

peso por pie de la tubería de perforación, lb/pie.

PDC:

peso por pie de los portamechas, lb/pie.

Para calcular el peso por pie de la tubería o de los portamehas se utiliza la ecuación 3.52.

(

Pi = 2,67 DE 2 − DI 2

)

(3.52)

Cuando el peso sobre la mecha es igual o menor que el disponible, el punto neutro se encuentra ubicado en los portamechas. Normalmente, tubería de perforación se diseña de dos, tres o cuatro secciones. En la más cercana al ensamblaje de fondo, se usa la tubería de baja resistencia a la tensión, si el colapso lo permite, incrementando progresivamente en grados las secciones

268

TEMA III


subsiguientes hasta tener en superficie el grado que por tensión resista todo el peso de la sarta. Otros factores que se consideran son: la severidad de la pata de perro y la velocidad critica de rotación para prevenir fallas por fatiga. Con el propósito de minimizar los riesgos de fallas por tensión, es práctica común utilizar, como factor de seguridad o diseño, el de 90% de la resistencia de la tubería y adicionalmente, un factor de sobretensión de 100.000 lb. Por colapso se usa un factor de diseño de 1,125. El procedimiento de diseño de una tubería de perforación conviene realizarlo a través de un ejemplo de cálculo, para obtener una mejor visualización del método (ver Ejercicio 3.4).

• Mechas de Perforación [60] La mecha o barrena es el elemento cortante o herramienta que corta, tritura y desmenuza la formación durante las operaciones de perforación en el hoyo. Su funcionamiento óptimo es la base principal del proceso de perforación rotatoria, cuando está en el fondo haciendo el hoyo, produce ganancias sólo mientras sea efectiva. Todos los componentes, funciones y operaciones que se ejecutan en el taladro están directa o indirectamente relacionados con la mecha, la cual se instala en la parte inferior del ensamblaje de fondo. Para hacerla perforar es necesario aplicarle peso mediante el uso de portamechas y rotación a través de la mesa rotatoria, del top drive o del motor de fondo. Su desempeño depende de muchas variables como: tipo de formación y el control de las mismas permitirá perforar un hoyo al menor costo por pie. Estos factores y la

269

TEMA III


clasificación de las mechas de perforación serán estudiados en detalle durante el desarrollo del Tema IV: Factores que afectan la Tasa de Penetración. De acuerdo con su diseño, las mechas de perforación se clasifican en dos grupos, en mechas de arrastre y mechas cónicas. En las mechas de arrastre la característica principal es que los cortadores forman parte integral de la mecha, existen tres tipos: cortadores de acero, las cuales ya están en desuso; diamantes naturales, que se utilizan en formaciones de alta dureza y abrasivas; y finalmente diamantes policristalinos, las cuales son utilizadas en formaciones blandas y medianamente duras. Las mechas de cortadores fijos o cónicas, que reciben ese nombre, porque las mechas generalmente tienen tres conos con dientes o cortadores. A medida que la mecha rota, los conos y cortadores rotan para perforar. Existen dos tipos de esta clase de mecha, dientes maquinados e insertos, utilizadas en formaciones blandas y duras respectivamente. Las mechas de perforación están constituidas por: la espiga, las orejas, los conos dientes o insertos y los chorros. Espiga: es el extremo enroscado que se incrusta dentro de la conexión en el fondo del portamechas o sustituto de la mecha. Orejas: son esamblajes que soportan los conos. Conos, Dientes o Insertos: son los mecanismos rotatorios que ejecutan el corte en la mecha. Chorros o Jets: son los puntos por donde sale el fluido de perforación.

270

TEMA III


En la Figura 3.66 se muestran las partes principales de una mecha tricónica.

Figura 3.66: Partes de una Mecha de Perforación Tricónica [69].

En las Figuras 3.67a, 3.67b, 3.67c y 3.67d se ilustra la estructura de corte de los principales tipos de mechas, de diamantes policristalinos, tricónica de dientes maquinados, de diamantes naturales, y tricónica de insertos respectivamente.

271

TEMA III


a

b

Tricónica de Dientes Maquinados

Policristalinos

c

d

Diamantes Naturales

Tricónica de Insertos

Figura 3.67: Estructura de Corte de las Mechas de Perforación [60].

• Corte y Corrida de la Guaya de Perforación [2] Tal y como se señaló al estudiar la guaya como componente del sistema de levantamiento, determinar la vida útil de un cable puede ser muy difícil porque hasta el momento no existe la forma de cuantificar la magnitud real de los esfuerzos a los que se ha sometido la guaya de perforación, hasta el presente el mejor método encontrado para valorar el uso del cable es el de toneladas-milla de servicio.

272

TEMA III


Algunas partes de la guaya están sujetas a mayor desgaste que otras. Probablemente el punto de desgaste más severo en una guaya de perforación es el punto donde la línea muerta pasa la primera polea del caballete. Esta polea no da vuelta, y por lo tanto todos los esfuerzos aplicados a la línea durante las operaciones se ejercen en este punto. Para aumentar la vida efectiva de la guaya y reducir costos, se compran generalmente varios cientos de metros más largos que la longitud real requerida; esta longitud adicional se enrolla en el tambor unos pocos pies cada vez, de modo que cambien los puntos de desgaste máximo. La suma de las toneladas-milla de trabajo ejecutado en la perforación, muestreo, viajes, metiendo tubería de revestimiento, nos da el trabajo total de la guaya de perforación. El principal objetivo de llevar un registro del total de toneladas-millas del trabajo es permitir la utilización máxima de la guaya. Un viaje de tubería, consiste en sacar la sarta de perforación del fondo del pozo para reemplazar la mecha desgastada por el uso y luego bajar nuevamente para continuar la perforación del pozo [68]. Es necesario considerar el procedimiento operacional, las presiones de surgencia, presiones de suabeo y llenado correcto del hoyo durante cada viaje de tubería. Procedimiento para realizar viajes de tubería: − Levantar el cuadrante por encima de la mesa rotatoria y colocar cuñas. − Desenroscar cuadrante y colocarlo en el hueco de rata. − Utilizar elevador para sacar pareja por pareja la tubería. − Ajustar el elevador para sacar el ensamblaje de fondo (portamechas, estabilizadores, mecha, etc). − Reemplazar la mecha e invertir el proceso.

273

TEMA III


El servicio de la guaya de perforación se mide en toneladas-milla, que significa mover una carga de una tonelada una milla; se mantiene un registro del servicio realizado por la guaya para saber cuando se usó, máxima vida, y sobre todo la seguridad de la perforación. El servicio total prestado por la guaya de perforación incluye: − Toneladas-milla haciendo viajes de tubería. − Toneladas-milla perforando. − Toneladas-milla metiendo tubería de revestimiento. − Toneladas-milla tomando muestras de pared. − Toneladas-milla pescando.

Calculo de Toneladas-Milla

♦ Haciendo Viajes de Tubería Gran parte de las toneladas-milla se acumulan durante los viajes. La cantidad de trabajo que se acumula en cada maniobra se puede determinar a través de las ecuaciones 3.53, 3.54, 3.55 y 3.56.

Tm =

Pf x Wm x (Ls + Pf ) Pf x (M + 0,5C ) + 10.560.000 2.640.000

C = Lb x (Wmb − Wm)

Wm = Wa x Fb

274

(3.53)

(3.54)

(3.55)

TEMA III


Wmb = Wab x Ff

(3.56)

Donde: Tm:

toneladas milla haciendo viajes de tubería.

Pf:

profundidad del hoyo, pies.

M:

peso equipos de levantamiento, lbs.

C:

peso efectivo de la sarta de portamechas, lbs.

Ls:

longitud promedio de una pareja de tubería, pies.

Lb:

longitud de la sarta portamechas, pies.

Wm:

peso efectivo por pie de tubería de perforación en el lodo, lbs/pie.

Wmb: peso efectivo por pie del portamechas en el lodo, lbs/pie. Wa:

peso por pie de tubería de perforación en el aire, lbs/pie.

Wab:

peso por pie del portamechas en el aire. lbs/pie.

Ff:

factor de flotación, adimesional.

♦ Perforando El cálculo se basa en los sucesivos movimientos que hace la sarta en el transcurso de una operación normal, estos movimientos pueden ser; perforar, levantar, repasar 30 pies, levantar la sarta y conectar otro tubo, bajar la sarta al hoyo. El análisis de estos movimientos determina que las toneladas-milla que se acumulan perforando se pueden calcular de la siguiente manera: Para calcular las toneladas milla perforando se utilizan las ecuaciones 3.57 y3.58 dependiendo, de si la perforación se realiza con o sin repaso.

275

TEMA III


a) Con repaso:

Tmp = 3(Tmp 2 − Tmp1 )

(3.57)

Tmp = 2(Tmp 2 − Tmp1 )

(3.58)

b) Sin Repaso:

Donde: Tpm:

toneladas milla perforando.

Tpm1: toneladas milla a la profundidad donde se terminó de perforar. Tpm2: toneladas milla a la profundidad donde se comenzó a perforar.

♦ Muestreando Se refiere a la toma de muestras durante la perforación del pozo, estas pueden ser: núcleos o de fluidos de la formación. La secuencia de movimientos durante a operación de muestreo es similar a la de una operación de perforación.

Tmc = 2(Tmc 2 − Tmc1 ) Donde: Tpc:

toneladas milla muestreando.

Tpc1: toneladas milla a la profundidad donde se terminó la operación. Tpc2: toneladas milla a la profundidad donde se comenzó la operación.

276

(3.59)

TEMA III


♦ Metiendo Tubería de Revestimiento Cuando se introduce la tubería de revestimiento para consolidar la sección del hoyo perforada, se calcula como si fuera un medio viaje a la profundidad de asentamiento del revestidor. Pf x M ⎞ ⎛ Pf x Wmr x (Lcs + Pf ) Ttr = ⎜ + ⎟0,5 10.560.000 2.640.000 ⎠ ⎝

(3.60)

Wmr = War x Ff

(3.61)

Donde: Ttr:

toneladas milla corriendo el revestidor.

Pf:

profundidad del hoyo, pies.

M:

peso equipos de levantamiento, lbs.

Lcs:

longitud del revestidor promedio, pies.

Wmr: peso efectivo por pie de tubería de revestimiento en el lodo, lbs/pie. War:

peso por pie de tubería de revestimiento en el aire, lbs/pie.

Ff:

factor de flotación, adimensional.

277

TEMA III


3.2.2.2 Sistema de Rotación con Top Drive [70] Algunos equipos imparten movimiento rotatorio a la sarta con una unidad top drive; estos equipos son costosos si se les compara con un sistema convencional, pero son bastante eficientes, además un taladro con top drive puede ser utilizado cualquier tipo de locación, bien sea en tierra o costa afuera, incluso en climas árticos. El sistema de top drive no sólo se adapta a cualquier localización sino que se utiliza en aplicaciones específicas como: perforación direccional, horizontal, perforación sobrebalance, para controlar el pozo y realizar actividades de pesca ahorrando tiempo y esfuerzo Existen dos sistemas de top drive los eléctricos y los hidráulicos Los sistemas hidráulicos utilizan para generar la potencia un motor diesel, estas unidades son la opción tradicional para la instalación en un taladro portátil o para aumentar la potencia en taladros más viejos. El segundo sistema de rotación con top drive consta de un motor eléctrico para transmitir rotación a un eje inferior a través de un sistema planetario de engranaje. Tiene además, en su parte superior una unión giratoria que permite circular fluido hacia el interior del eje en rotación. La velocidad de rotación puede ser controlada desde un panel de regulación de potencia eléctrica. El sistema de rotación con top drive tiene dos propiedades básicas que lo diferencian del sistema de rotación convencional que son: la habilidad para transmitir rotación a la sarta de tubería a cualquier altura de la torre, pudiéndose así perforar por parejas de noventa pies en lugar de conexiones de treinta pies; y la segunda es la independencia funcional para rotar la tubería mientras ésta se saca fuera del pozo, lo cual no puede hacerse con el sistema de rotación convencional. La Figura 3.68 muestra las posiciones del top drive durante un viaje.

278

TEMA III


Figura 3.68 Posiciones del Top Drive Durante un Viaje de Tubería [54].

El sistema de rotación de superficie elimina el uso del cuadrante y la mesa rotatoria, puesto que la sarta de perforación y el ensamblaje de fondo reciben la energía para su rotación, desde un motor que va colgado del bloque viajero que hace girar el eje principal del top drive, el cual a su vez hace girar la sarta de perforación y la mecha, que pasan a través de una abertura en la mesa rotaria, sin embargo, la mesa no rota. El equipo cuenta con una unión giratoria integrada, un manejador de tubería, el cual posee un sistema para enroscar y desenroscar tubería, una cabeza rotatoria y válvulas de seguridad El sistema de top drive se suspende del bloque viajero del taladro, y el fluido de perforación entra al top drive a través de la unión giratoria, la cual está

279

TEMA III


unida a la manguera de lodo que conduce el fluido hasta la unión giratoria integrada. La válvula de seguridad incorporada cuando está cerrada, evita que los fluidos se devuelvan a través de la sarta de perforación. La cuadrilla usa las llaves de torque para conectar o desconectar la sarta de perforación. y coloca el elevador alrededor de la sarta de perforación, para permitir que la unidad top drive la levante o la baje. En las Figuras 3.69, 3.70 y 3.71 se muestra una imagen real, un diagrama esquemático, y un diagrama de las dimensiones de diseño de un top drive.

Figura 3.69: Top Drive de un Taladro de Perforación.

280

TEMA III


Pista de torque Unión Giratoria Opcional

Manguito de torque

Amplia el marco

Unión inferior Canilla

Chasis

Pista de torque Ensamblaje de la tubería

Tuerca de carga Ensamblaje de inclinación

Válvula Válvula de ahorro Ensamblaje Grabber

Ensamblaje de fianza

Elevador

Figura 3.70: Partes del Top Drive de un Taladro de Perforación.

281

TEMA III


Incluyendo la unión giratoria

Con la unión giratoria

Sin integrar la unión giratoria Inicio de la junta

Figura 3.71: Dimensiones y Características de un Top Drive.

282

TEMA III


El sistema de rotación de un taladro con Top Drive está compuesto por [60]: • El Enroscador-Desenroscardor Planetario, el cual elimina el uso de las llaves de vapor. Tal y como se muestra en las Figuras 3.72a y 3.72b.

a

b

Figura 3.72: Enroscador y Desenroscador Planetario [54].

• El Brazo Hidráulico, que mueve el elevador de tubería que facilita la labor del encuellador y agiliza el trabajo de llevar un tubo en el hueco de ratón (ver Figura 3.73)

283

TEMA III


Figura 3.73: Brazo Hidráulico de un Taladro de Perforación [54].

• Las Válvulas de Seguridad Superior e Inferior, que protegen la manguera de cualquier presión repentina que venga del hoyo. Este sistema presenta algunas ventajas con respecto al sistema de rotación convencional: Menor tiempo de conexión, ya que permite hacer la perforación por parejas. Mayor facilidad para acomodar las parejas al sacar la sarta. Disminuye el riesgo de atascamiento por presión diferencial. Permite conectar y desconectar la tubería a cualquier altura de la cabria. Menor tiempo de orientación de la herramienta de navegación en pozos direccionales. Permite rotar y bombear continuamente mientras se repasa metiendo o sacando tubería del hoyo.

284

TEMA III


Posibilidad de tomar noventa pies de núcleo de forma continua. No es necesario quebrar la tubería para perforar ampliando el hoyo. Cierre más rápido del pozo en caso de arremetidas durante un viaje. No requiere el hoyo de rata, puesto que no hay cuadrante. El sistema de top drive permite rotar la sarta de tubería en ambos sentidos a la derecha y al revés con el esfuerzo de torsión altamente controlado. Sin embargo, también presenta algunas desventajas que se deben señalar como: Riesgo de atascamiento durante las conexiones por elongación de la tubería. Dificultad para la corrida de revestidores, registros dentro de la tubería. Mayor costo de adquisición, instalación y mantenimiento que el sistema convencional. Requiere mayor tiempo de circulación que un taladro convencional. Tiene menor capacidad de limpieza que un taladro convencional.

• Componentes del Sistema de Rotación de un Taladro Convencional versus un Taladro con Top Drive [2] Sistema Convencional Ensamblaje Rotatorio

Sarta de perforación

♦

Accesorios rotatorios

♦ ♦ ♦

Unión giratoria Cuadrante Tubería de perforación

♦

Ensamblaje de fondo

Mecha

285

− − − −

Buje Maestro Buje del Cuadrante Cuñas Llaves de potencia/fuerza/tubería

− Tubería pesada − Portamechas − Herramientas especiales

TEMA III


Sistema con Top Drive

Ensamblaje Rotatorio

Sarta de perforación

♦ Top drive ♦ Accesorios rotatorios ♦ Unión giratoria (opcional) ♦ Tubería de perforación ♦

Mecha

Ensamblaje de fondo

-

− Llaves de potencia/fuerza/tubería − Tubería pesada − Portamechas − Herramientas especiales -

Para una mejor comprensión del funcionamiento de los taladros de perforación con top drive ver Anexos D.7, D.8, D.9, D.10.

3.2.2.3 Sistema de Rotación con Motor de Fondo [71] La idea de utilizar motores de fondo no es nueva, sin embargo y aunque se han realizado grandes esfuerzos desde 1873, es indiscutible que el auge y los grandes avances en esta tecnología se inician a partir de la década de los ochenta. Los motores de desplazamiento positivo (PDM) tienen la particularidad de eliminar la rotación de la tubería mediante una fuerza de torsión pozo abajo impulsada por el fluido de perforación, es decir, que transforman la energía hidráulica en energía mecánica aliviando el trabajo de la sarta de perforación, y suministrando la rotación desde el fondo. En la Figura 3.74 se muestra una imagen real del motor de fondo.

286

TEMA III


Figura 3.74: Motor de Fondo de un Taladro de Perforación [61].

El sistema de desplazamiento positivo, consta de un motor helicoidal de dos etapas, válvula de descarga, conjunto de bielas, conjuntos de cojinetes y ejes. En la Figura 3.75 se muestran el ensamblaje de fondo cuando se utiliza un PDM.

287

TEMA III


Figura 3.75: Ensamblaje de Fondo Cuando se Utiliza un PDM [71].

288

TEMA III


• Componentes del Motor de Fondo Válvula de Descarga La válvula de descarga permite que el paso del fluido de perforación para cubrir toda la sarta de perforación. Cuando el fluido de perforación se bombea, la válvula se cierra causando que el fluido se mueva a través de la herramienta. La mayoría de las válvulas son de tipo pistón, se cierran por presión para aislar las salidas al espacio anular la anular cuando no hay presión o es muy baja, (ver Figura 3.76).

Bomba apagada Bomba encendida

Abierta

Cerrada

Figura 3.76: Válvula de Descarga de un Motor de Fondo [71].

289

TEMA III


Sección de Motor Se trata de una aplicación inversa al principio de la bomba. El motor consta de un estator de caucho y de un rotor de acero. El rotor es la parte del motor que está libre para moverse, es de tipo helicoidal simple y gira en forma continua. El estator es la parte fija que rodea al rotor en el interior de la herramienta (ver Figura 3.77)

Figura 3.77: Desplazamiento de un Motor de Fondo [71].

Ambos rotor y estator tienen ciertas longitudes y de la relación entre estas depende la afinación de la herramienta, la longitud es igual a la relación entre el número de lóbulos en el rotor y el número de lóbulos en el estator. El número de lóbulos del estor siempre es uno más que para el rotor. Tal y como de muestra en Figura 3.78.

290

TEMA III


Figura 3.78: Relación de Longitud entre el Rotor y el Estator [71].

Cuando el fluido de perforación se bombea a través del motor, este llena las cavidades o espacios que quedan entre el rotor y estator.

Ensamblaje de Bielas Dado que el rotor tiene forma de espiral y traza un movimiento hacia atrás y adelante; este movimiento debe ser transformase en movimientos concéntricos que se transmitirán a la mecha través del ensamblaje que se encuentra debajo del motor. Esto se logra a una pieza denominada biela capaz, de transformar un movimiento alternativo en un movimiento de rotación. Existen varios tipos de bielas; entre ellas la junta universal y las barras flexibles.

291

TEMA III


♦ Junta Universal Es un ensamblaje juntas en forma de U (Figura 3.79a) utilizadas por la industria y que todavía se usan en la mayoría de los motores de desplazamiento positivo. El ensamblaje de fondo consta de dos juntas, cada una llena de grasa, y con sellos resistentes de caucho reforzados para protegerlos de la contaminación del fluido de perforación. La desventaja del ensamblaje en forma de U es la falta de fuerza suficiente especialmente cuando se utilizan mechas de diamantes policristalinos. Esta limitación dio como resultado el proceso de fabricación de las juntas de barras flexibles.

♦ Barra Flexible Son un reciente desarrollo de la tecnología de Biela, para el cual se utiliza acero flexible o titanio (Figura 3.79b); es un tubo largo y flexible, limitado por el grado de flexión lateral permisible, sin embargo, tienen la ventaja de no requerir lubricantes o mangas de goma y se instala en el interior del hueco del rotor

292

TEMA III


a

b Rotor

Rotor

Barra Flexible

Junta Tipo U

Figura 3.79: Conexión del Ensamblaje [71].

Sección de Cojinetes Un típico motor de desplazamiento positivo utiliza tres conjuntos de rodamientos adjuntos a la unidad de eje. Hay dos tipos de rodamientos radiales (superior e inferior), con un juego de los rodamientos axiales de empuje. El empuje axial, se apoya en la carga inferior y el empuje hidráulico, se logra a través de una serie de rodamientos, bolas apiladas una encima de la otra, cada conjunto está contenido en su propia carrera (ranura). El número de los rodamientos puede variar, dependiendo del tamaño de la herramienta. Los rodamientos radiales superior e inferior se alinean con insertos de carburo de tungsteno.

293

TEMA III


La Figura 3.80 ilustra una sección típica de rodamientos encontrada en un motor de desplazamiento positivo.

Cojinetes internos

Anillo interno rellenos del cojinete del

Presión axial en los cojinetes

carburo de tungsteno Material de la unión

Bajo la cubierta del Cojinete Radial

Cojinetes externos

Impulsor rotatorio inferior

Ensamblaje radial de cojinetes

Figura 3.80: Sección de Cojinetes en los Motores de Fondo [71].

Los motores de desplazamiento positivo, vienen en diferentes configuraciones. Como se ha mencionado anteriormente, el estator tendrá un lóbulo más que el rotor. El tipo más sencillo de PDM, son los motores 1/2, donde 1 es el número de lóbulos del rotor y 2 el número de lóbulos del estator. Estos suelen dar un torque de salida de medio a bajo y una velocidad de rotación de media a alta. El torque de salida es directamente

294

TEMA III


proporcional a la pérdida de carga a través del motor. Los motores 1/2 motores tienen buen rendimiento en las aplicaciones de perforación con PDC, y diamante. Algunos modelos más cortos se utilizan para perforación direccional.

• Observaciones para los Motores de Desplazamiento Positivo − Un Motor detenido será evidente debido a un aumento de la superficie de presión. − Se debe evitar el estancamiento del motor, ya que disminuye la vida de útil del mismo. − El fluido de perforación puede ser bombeado en condiciones de seguridad, sin embargo se debe tener cuidado de que el contenido de sólidos que se añade y se encuentra dispersos en el fluido no erosionen o dañen el sistema, por lo que le contenido de arena en el fluido de perforación debe mantenerse a un mínimo. − Las temperaturas límites son alrededor de 270 º F a 130 º C. − La caída de presión a través de la herramienta de trabajo está por lo general alrededor de 50 lpc a 800 lpc. − El desgaste admisible de los rodamientos es del orden de 1 mm - 8mm, en función del tamaño de la herramienta. − En general, los fluidos de perforación con un bajo punto de anilina puede dañar la goma del estator. Esto se relaciona con el contenido de hidrocarburos aromáticos que debería ser igual o inferior al 10%.

• Características − El torque de un motor es directamente proporcional a la diferencia de presión del motor. Esto hace que la herramienta muy sencilla de manejar.

295

TEMA III


− Las revoluciones por minuto (RPM) son directamente proporcional a la tasa de flujo, y se ve afectada por el torque de salida. − Caballos de fuerza hidráulica consumida, son iguales a la caída de presión a través del motor por la tasa de flujo.

• Beneficios Físicos Usando Motor de Fondo − Mayor eficiencia de combustible. La potencia que las bombas necesitan para poner a funcionar un motor de fondo y mecha es mucho menor que la requerida para una sarta rotativa. − Disminuye el desgaste externo de la sarta de perforación. − Disminuye el desgaste interno del revestidor. − Un motor de fondo efectivo colocado con la mecha adecuada produce mejores tasas de penetración. − Altas tasas de penetración lo cual se traduce en menos costo por pie perforado.

En la Tabla 3.6 se realiza una comparación entre el sistema de perforación convencional y el sistema con motor de fondo. La Figura 3.81 se muestra el mecanismo de rotación de los dos sistemas.

296

TEMA III


Tabla 3.6: Comparación de los Sistemas de Rotación: Convencional versus Motor de Fondo [2].

Sistema de Rotación Convencional − − − − − − −

Mayor vibración y fatiga. Menos poder transmitido a la mecha. Menos control sobre desviaciones y patas de perro. Mayor desgaste en las tuberías y el revestidor. Mayor desgaste en el equipo de superficie. Uso mayor de combustible. Menor tasa de penetración.

Sistema de Rotación con Motor de Fondo − − − − − − −

Menor vibración y fatiga. Mayor poder transmitido a la mecha. Mayor control sobre desviaciones y patas de perro. Menos desgaste en las tuberías y revestidor. Menos desgaste en el equipo de superficie. Uso de menor cantidad de combustible. Mayores tasas de penetración.

Figura 3.81: Mecanismo de Rotación de los Sistemas: Convencional y Motor de Fondo [61].

297

TEMA III


3.2.3 Sistema de Circulación [59] El sistema de circulación, es otro de los componentes del taladro de perforación, formado por una serie de equipos y accesorios que permiten el movimiento continuo del eje principal de la perforación rotatoria, conocido con el nombre de fluido de perforación. Su principal función es servir de soporte al sistema de rotación en la perforación de un pozo, proporcionando los equipos, materiales y áreas de trabajo necesarias para preparar, mantener y tratar el fluido de perforación; los cuales se pueden observar en la Figura 3.82.

Sistema de Circulación

Figura 3.82: Sistema de Circulación de un Taladro de Perforación [62].

298

TEMA III


Este sistema está constituido por equipos tales como [60]: •

Tanques: son recipientes de carga utilizados para almacenar y reacondicionar el

fluido de perforación, permitiendo la succión del mismo. •

Bombas: son aquellos equipos encargados de transmitir energía al fluido de

perforación. •

Conexiones Superficiales: permiten conectar la bomba con la sarta de

perforación. Están constituidas por el tubo vertical, la manguera rotatoria, la unión giratoria y el cuadrante. •

Sarta de Perforación: conecta la superficie con el fondo del pozo, permitiendo la

penetración y profundización del mismo. Está constituida principalmente por la tubería de perforación, lastrabarrenas o portamechas y la mecha. •

Espacio Anular: es el espacio por medio del cual los fluidos y los ripios

provenientes de la formación que se producen al perforar, son transportados desde el fondo del hoyo hasta la superficie. •

Equipos de Control de Sólidos: permiten sacar del sistema los ripios que se

producen al perforar. Estos equipos están constituidos por la zaranda, limpiadores de fluido de perforación, desarenadores, deslimadores y centrífugas decantadoras. Por otra parte, para garantizar que el sistema de circulación tenga un funcionamiento óptimo, se deben tener en cuenta varios principios básicos, dentro de los cuales se pueden nombrar: •

Los tanques deben tener la capacidad adecuada de reserva.

299

TEMA III

•


Se debe disponer de equipos auxiliares para mantener la circulación cuando la

bomba esté fuera de uso; y que la bomba auxiliar, se encuentre conectada de forma tal que pueda usarse para mezclar el fluido de perforación, mientras la bomba principal trabaja en la perforación. •

Deben existir tanques para la sedimentación de arena, de manera de evitar la

acumulación de este material abrasivo en los tanques de fluido de perforación. Es importante resaltar que el volumen total de fluido de perforación que circula a través de este sistema cuando se está perforando, es igual al volumen que el mismo ocuparía en el interior de la tubería de perforación y portamechas, adicionalmente al volumen que ocuparía en el espacio anular portamechas-hoyo, tubería de perforaciónhoyo y tubería de perforación-revestidor, tomando en cuenta también el volumen de dicho fluido que se encuentra en los equipos superficiales y de igual forma el que se encuentra acumulado en los tanques. En la Figura 3.83 se puede observar en un diagrama mecánico de un pozo el espacio que ocuparía cada uno de los volúmenes antes mencionados.

V Dps VRev-Dp’s

Revestidor

VDp’s -H Hoyo

VDC

VDC-H

Figura 3.83: Diagrama Mecánico de un Pozo.

300

TEMA III


El planteamiento descrito anteriormente se resume en la ecuación 3.62, de la siguiente forma:

Vfluido = VDp's + VDC + VDC−H + VDp's−H + VRev−Dp's + Vequipos + Vtanques

(3.62)

Donde: Vfluido :

volumen del fluido de perforación del sistema, bls.

VDp’s:

volumen del fluido de perforación interno en la tubería de perforación, bls.

VDC:

volumen del fluido de perforación interno en el portamechas, bls.

VDC-H:

volumen del fluido de perforación que se encuentra en el espacio anular portamechas-hoyo, bls.

VDp’s-H:

volumen del fluido de perforación que se encuentra en el espacio anular tubería de perforación-hoyo, bls.

VRev-Dp’s:

volumen del fluido de perforación que se encuentra en el espacio anular revestidor- tubería de perforación, bls.

Vequipos:

volumen del fluido de perforación que se encuentra en los equipos superficiales, bls.

Vtanques:

volumen del fluido de perforación que se encuentra en los tanques, bls.

Es importante recordar que el volumen, se define en función de la capacidad volumétrica y la altura, como se muestra en la ecuación 3.63, por medio de la cual se pueden determinar volúmenes internos y anulares en función de las capacidades, bien sea interna o anular. V =Cxh

301

(3.63)

TEMA III


Donde: V:

volumen del fluido de perforación, bls.

C:

capacidad volumétrica, bls/pie.

h:

altura de la columna del fluido de perforación, pies.

Al sustituir la ecuación 3.24 en la ecuación 3.63 se obtiene el volumen interno de una tubería en función del diámetro interno de la misma.

Vi =

(D)2 xh 1029,4

(3.64)

Para determinar el volumen del fluido de perforación que se encuentra en el espacio anular se sustituye la ecuación 3.25 en la ecuación 3.63 y se obtiene que: (DE)2 − (DI)2 Va = xh 1029,4

(3.65)

Donde: Vi:

volumen interno del fluido de perforación en una tubería, bls.

Va:

volumen del fluido de perforación en el espacio anular, bls.

D:

diámetro interno de la tubería, pulg.

h:

altura de la columna del fluido de perforación, pies.

DE:

diámetro mayor del espacio anular considerado, pulg.

DI:

diámetro menor del espacio anular considerado, pulg.

El sistema de circulación está constituido por cuatro componentes principales que el fluido de perforación, el área de preparación, los equipos de circulación y el área de acondicionamiento. El área de de preparación a su vez esta conformada por la casa de

302

TEMA III


química, los tanques de lodo, el embudo de mezclado, el tanque mezclador de la química, los depósitos de química a granel, y los tanques de agua y reserva. El fluido se encuentra en los tanques de lodo y circula a través de las líneas de descarga y retorno, del tubo vertical, la manguera rotatoria, impulsado por la potencia generada por las bombas de lodo. Finalmente en el área de acondicionamiento se encuentra el tanque se asentamiento, los equipos de control de sólidos, el separador de gas y el desgasificador.

3.2.3.1 Fluido de Perforación [59] Es una mezcla líquida, gaseosa o ambas inclusive, que se circula dentro del hoyo con la finalidad de cumplir una serie de funciones esenciales en el proceso de perforación, dentro de las que se pueden mencionar: facilitar el trasporte de los ripios desde el fondo del hoyo hasta la superficie, proporcionar soporte a las paredes del hoyo, formar un revoque con condiciones especiales para prevenir la entrada del fluido de la formación al hoyo y proporcionar las condiciones óptimas para la limpieza y seguridad durante el proceso de proceso de perforación. Dentro de los tipos de fluidos de perforación que pueden intervenir en el sistema de circulación se encuentran los base agua y base aceite; dentro de los gaseosos, existen los de aire y gas natural; y por último, aquellos formados por la mezcla de un líquido y un gas, conocidos bajo el nombre de espumantes y aireados; cuya intervención depende del tipo de formación a perforar. Es importante resaltar que todo lo concerniente a fluidos de perforación se ampliará con mayor detalle en el Tema V.

303

TEMA III


3.2.3.2 Área de Preparación del Fluido de Perforación [60] Es el área donde el fluido de perforación inicialmente es preparado, manteniendo o modificando las propiedades del mismo de acuerdo a las condiciones existentes en el pozo. Está localizada al comienzo del sistema de circulación, cerca de las bombas del fluido de perforación y está constituida por la casa de la química, el embudo de mezclado, el depósito de química a granel y el tanque de agua [60]. La Figura 3.84, muestra la ubicación del área de preparación del fluido de perforación en un taladro de perforación.

Embudo de Mezclado Tanque de Lodo Tanque Mezclador de Química Casa de Química

Depósito de Química a Granel Tanque de Agua

Figura 3.84: Área de Preparación del Fluido de Perforación [62].

304

TEMA III

•


Casa de Química

Recibe este nombre por ser el lugar en el cual se almacenan los aditivos usados para la preparación y tratamiento del fluido de perforación, utilizando estos últimos en caso de determinarse algún tipo de contaminación del fluido [2]. La casa de química, está localizada al lado de los tanques de lodo y de los embudos para almacenar química en sacos, en el área de preparación y se levanta a la altura de los tanques de lodo con el fin de facilitar la descarga de los camiones y conservar los sacos altos y secos (ver Figura 3.84).

•

Tanques de Lodo

Son por lo general depósitos cuadrados o rectangulares de acero interconectados, que se utilizan en las plataformas para almacenar y controlar los grandes volúmenes de fluido de perforación que fluyen a través del sistema de circulación una vez que salen del hoyo, facilitando de esta manera su manejo y tratamiento en superficie. Los tanques de lodo, también son llamados tanques de succión y de reserva, son fáciles de instalar y mantener; y tienen un volumen determinado. La mayoría de estos tanques se colocan sobre el nivel del suelo (ver Figura 3.85).

305

TEMA III


Tanque de Reserva

Tanque de Succión Tanque de Fraguado Trampa de Arena

Fosa de Reserva

Figura 3.85: Tanques de Lodo [62].

•

Embudo de Mezclado

Es un mecanismo que se emplea para agregar aditivos polvorientos rápidamente al fluido de perforación en los tanques de acero. El tipo más usado es el embudo de succión, el cual opera de acuerdo al principio de vacío (ver Figura 3.84).

•

Tanque Mezclador de Química

Es un recipiente utilizado para agregar aditivos químicos al fluido de perforación (ver Figura 3.84).

306

TEMA III

•


Depósitos de Química a Granel

Son depósitos grandes en forma de embudo usados para el manejo de aditivos en grandes cantidades y están localizados al lado de los tanques de lodo en el área de preparación. Estos depósitos operan de acuerdo al principio de la fuerza de gravedad, lo cual reduce el manejo de material por cuadrillas y permite una mayor eficiencia, seguridad y economía (ver Figura 3.84).

•

Tanque de Agua

Es un tanque utilizado para almacenar el agua a utilizar en el área de preparación (ver Figura 3.84).

•

Tanque de Reserva

Son fosas grandes hechas en tierra en las cuales caen los ripios, el agua y el fluido de perforación al inicio de la perforación, generalmente estos tanques se dividen en dos áreas: una fosa para el fluido de perforación y otra de emergencia (ver Figura 3.85).

3.2.3.3 Equipos de Circulación Son aquellos que movilizan el fluido de perforación a través de todo el sistema de circulación y permiten un mejor recorrido del mismo, desde que el fluido sale del área de preparación, baja por la sarta de perforación y sube por el espacio anular, sale a la superficie y pasa al área de acondicionamiento antes de regresar a los tanques de lodo

307

TEMA III


para iniciar el nuevo ciclo. El equipo de circulación está constituido por componentes tales como:

•

Tanques de Lodo

Estos recipientes sirven para almacenar y controlar los grandes volúmenes de fluido de perforación que fluyen a través del sistema de circulación una vez que salen del hoyo.

•

Bombas de Lodo [64]

Constituyen los componentes primarios de cualquier sistema de circulación de fluido; funcionan con motores eléctricos conectados directamente a ellas o con energía transmitida por la central de distribución. Tienen mucha potencia y son capaces de mover grandes volúmenes de fluido a presiones muy elevadas. En la Figura 3.86 se muestra la ubicación de las bombas de lodo en un taladro de perforación.

308

TEMA III


Bomba Triplex

Bomba Duplex

Carga de Bombas

Figura 3.86: Ubicación de las Bombas de Lodo en un Taladro de Perforación [61].

Las bombas de lodo son de émbolo y suelen ser llamadas bombas de desplazamiento positivo, estas pueden tener dos o tres émbolos (pistones) que realizan un movimiento de vaivén dentro de los cilindros (liners). Un ciclo de vaivén completo constituye una carrera y es igual a la rotación del cigüeñal, por lo tanto, 1 stk/min=RPM. Las bombas de dos émbolos se llaman duplex y la de tres émbolos triplex. La bomba duplex o de doble acción es la más común en lo que respecta a su uso, sin embargo, esta ha sido progresivamente sustituida por la de pistón acción sencilla o bomba triplex, por lograr presiones más altas a un costo más bajo, además de ser más livianas y por lo tanto, más fáciles de transportar. En la Figura 3.87a y 3.87b, se muestran las bombas de lodo.

309

TEMA III


a

b

Figura 3.87: Bombas de Lodo de un Taladro Perforación [61,72].

Los émbolos de una bomba duplex, funcionan en ambas direcciones, de manera que el cilindro trasero hace que el vástago de la bomba se mueva a través de su volumen desplazado y ocupe parte del mismo. La domba duplex tiene generalmente carreras que van desde 10 a 18 pulg y funcionan a una velocidad comprendida entre 40 y 80 RPM. La Figura 3.88 y 3.89 se muestran los desplazamientos de un ciclo o embolada que realiza la bomba duplex. (Ver Anexo D.11).

Figura 3.88: Desplazamiento de los Pistones Bomba Duplex [62].

310

TEMA III


Dp

dv

L

dv

Dp

L

Figura 3.89: Diagrama de un Ciclo o Embolada de una Bomba Duplex.

La Figura 3.89 sirve de apoyo para plantear las ecuaciones 3.66 y 3.67, que permiten determinar los volúmenes de un ciclo o embolada.

V→½ emb =

V←½ emb =

π x Dp 2 x L 4

π π x Dp 2 x L − x dv 2 x L 4 4

(3.66)

(3.67)

El volumen de una embolada es igual a la suma de los volúmenes desplazados por el pistón de ida y de regreso, tal como se muestra en la ecuación 3.68. π ⎛π ⎞ ⎛π ⎞ V1emb = ⎜ x Dp 2 x L ⎟ + ⎜ x Dp 2 x L − x dv 2 x L ⎟ 4 ⎝4 ⎠ ⎝4 ⎠

311

(3.68)

TEMA III


Si se saca factor común el término

V1emb =

π L , se obtiene la ecuación 3.69: 4

(

π x L x 2 x Dp 2 − dv 2 4

)

(3.69)

Este valor está afectado por la eficiencia volumétrica de la bomba, además tomando en cuenta que la bomba duplex está compuesta por dos cilindros, el volumen desplazado en un ciclo queda multiplicado por 2 según la ecuación 3.70:

(

)

⎡π ⎤ V1ciclo = 2 x Ev x ⎢ x L x 2 x Dp 2 − dv 2 ⎥ ⎣4 ⎦

(3.70)

Donde:

V←½ emb :

volumen desplazado por bomba duplex cuando el pistón regresa, pulg3.

Dp:

diámetro del pistón, pulg.

L:

longitud de la carrera, pulg.

dv:

diámetro del vástago de la bomba duplex, pulg.

V1ciclo :

volumen desplazado por bomba duplex en un ciclo, pulg3/emb.

Ev:

eficiencia volumétrica de la bomba duplex, fracción.

Para llevar el volumen desplazado o capacidad de la bomba duplex de pulg3/emb a gal/emb se utiliza la ecuación 3.71.

(

⎡π Fp d = 2 x Ev x ⎢ x L x 2 x Dp 2 − dv 2 ⎣4

312

3 ⎤ ⎡ pulg ⎤ ⎡ 1gal ⎤ ⎥ ⎢ emb ⎥ x ⎢ 231pulg 3 ⎥ ⎦⎣ ⎦ ⎦ ⎣

)

(3.71)

TEMA III


Obteniéndose entonces, la ecuación de la capacidad de la bomba en gal/emb:

[ (

Fp d = 6,79998 x10 −3 x Ev x L x 2 x Dp 2 − dv 2

gal ⎤ )] ⎡⎢ emb ⎥ ⎣

⎦

…...…(3.72)

Para llevar el volumen o desplazamiento volumétrico de la bomba duplex de pulg3/emb a bls/emb se utiliza la ecuación 3.73. 3 ⎡π ⎤ ⎡ pulg ⎤ ⎡ 1gal ⎤ ⎡ 1bl ⎤ Fp d = 2 x Ev x ⎢ x L x 2 x Dp 2 − dv 2 ⎥ ⎢ x⎢ ⎥x⎢ ⎥ 3⎥ ⎣4 ⎦ ⎣ emb ⎦ ⎣ 231pulg ⎦ ⎣ 42gal ⎦

(

)

[ (

Fp d = 1,62x10 − 4 x Ev x L x 2 x Dp 2 − dv 2

bl ⎤ )] ⎡⎢ emb ⎥ ⎣

⎦

(3.73)

(3.74)

Los émbolos de una bomba triplex sólo funcionan durante la carrera de ida, teniendo generalmente carreras pequeñas (en el rango de 6 a 12 pulg.) y operan a velocidades que varían entre los 60 a 120 RPM. La Figura 3.100 y 3.101 se muestra la bomba triplex y se ilustra el desplazamiento de un ciclo o embolada de la misma. (Ver Anexo D.12).

313

TEMA III


Figura 3.90: Desplazamiento de los Pistones Bomba Triplex [62].

dv

Dp

Figura 3.91: Diagrama de un Ciclo o Embolada de una Bomba Triplex.

314

TEMA III


Para determinar el volumen de un ciclo o embolada de una bomba triples se utiliza la ecuación 3.75.

V1ciclo =

π x Dp 2 x L 4

(3.75)

Este valor está afectado por la eficiencia volumétrica de la bomba, además tomando en cuenta que la bomba triplex está compuesta por tres cilindros, la ecuación 3.75 queda multiplicada por 3:

⎡π ⎤ V1ciclo = 3 x Ev x ⎢ x L x Dp 2 ⎥ ⎣4 ⎦

(3.76)

Donde: V1ciclo :

volumen desplazado por bomba triplex en un ciclo, pulg3/emb.

Dp:

diámetro del pistón, pulg.

L:

longitud de la carrera, pulg.

Ev:

eficiencia volumétrica de la bomba triplex, fracción.

Para llevar el volumen desplazado o capacidad de la bomba triplex de pulg3/emb a gal/emb se utiliza la ecuación 3.78. 3 ⎡π ⎤ ⎡ pulg ⎤ ⎡ 1gal ⎤ Fp t = 3 x Ev x ⎢ x L x Dp 2 ⎥ ⎢ ⎥x⎢ 3⎥ ⎣4 ⎦ ⎣ emb ⎦ ⎣ 231pulg ⎦

⎡ gal ⎤ Fp t = 0,01019 x Dp 2 x Ev x L ⎢ ⎣ emb ⎥⎦

315

(3.77)

(3.78)

TEMA III


Para llevar el volumen o desplazamiento volumétrico de la bomba triplex de pulg3/emb a bls/emb se utiliza la ecuación 3.79. 3 ⎡ 1gal ⎤ ⎡ 1bbl ⎤ ⎡π 2 ⎤ ⎡ pulg ⎤ Fp t = 3 x Ev x ⎢ x L x Dp ⎥ ⎢ x⎢ ⎥x⎢ ⎥ 3⎥ ⎦ ⎣ emb ⎦ ⎣ 231pulg ⎦ ⎣ 42gal ⎦ ⎣4

⎡ bbl ⎤ Fp t = 2,4285x10 − 4 x Ev x L x Dp 2 ⎢ ⎥ ⎣ emb ⎦

(3.79)

(3.80)

La diferencia entre los cálculos para una bomba duplex y los cálculos para una bomba triplex, es que el volumen de desplazamiento del vástago de la primera debe ser restado del volumen contenido en uno de los cilindros, además de la diferencia del número de cilindros de bombeo; además de la diferencia en el número de cilindros de bombeo, es decir, 4 para la duplex y 3 para la triplex.

• Líneas de Descarga y Retorno [59]

Conectan las líneas que transportan el fluido de perforación bajo presión. Las líneas de descarga llevan el fluido de perforación fresco y tratado al hoyo. La línea de retorno lleva el fluido de perforación, el cual contiene ripios y gases, por gravedad desde la boca del pozo al área de acondicionamiento (ver Figura 3.92)

316

TEMA III


a

b

c

Figura 3.92: Líneas de Descarga y Retorno del Fluido de Perforación [61].

317

TEMA III


• Tubo Vertical [60]

Es un tubo de acero, también conocido por su nombre Stand Pipe; ubicado de forma paralela a una de las patas de la torre y conecta la línea de descarga de las bombas de lodo con la manguera de lodo, la cual se conecta con la unión giratoria y permite el paso del fluido de perforación a través de la misma. Tanto la manguera de lodo como la unión giratoria se pueden mover verticalmente hacia arriba o hacia abajo cuando así se requiera. En las Figuras 3.93a y 3.93b se muestra la ubicación del tubo vertical.

b

a

Figura 3.93: Tubo Vertical de un Taladro de Perforación [61].

• Manguera Rotatoria [59]

Es una manguera de goma con extremo muy fuerte, flexible y reforzada, que conecta el tubo vertical en la unión giratoria. Debe ser flexible para permitir el movimiento vertical libremente de la misma. Debe ser muy fuerte, debido a que está sometida a 318

TEMA III


severos golpes y transporta el fluido de perforación, en algunos casos abrasivo, y a altas presiones (ver Figuras 3.94a y3.94b).

b

a

Figura 3.94: Mangueras de Perforación [61].

• Bombas Especiales y Agitadores [60]

Son aquellos equipos utilizados de manera eficiente para agitar el fluido de perforación, dentro de los cuales se encuentran: Pistolas de Lodo: caracterizadas por ser tubos de acero de alta presión que

generalmente se montan sobre los tanques de lodo, con la finalidad de agitar el fluido de perforación, previniendo de esta forma que las partículas sólidas se sedimenten en el mismo. Agitadores de Lodo: son aquellos equipos utilizados para agitar el fluido de

perforación de manera más eficiente que las pistolas, razón por la cual, estas últimas han sido desplazadas en los modernos equipos de perforación por los agitadores. 319

TEMA III


Bombas Centrífugas: son dispositivos pequeños, constituidos por un conjunto de

paletas rotatorias perfectamente encajadas dentro de una cubierta metálica, de manera que son capaces de impulsar el fluido de perforación, gracias a la fuerza centrífuga que se genera cuando giran las paletas. Estas bombas se instalan en diferentes lugares del taladro, bien sea en los equipos de mezcla de química, para transportar el fluido de perforación de un tanque a otro o para operar cierto volumen de lodo en la descarga del desgasificador [68]. Las pistolas, los agitadores y las bombas centrífugas se pueden observar en la Figura 3.95, tal como se utilizan en el tanque de lodo de un taladro de perforación.

Pistola de Lodo

Agitador de Lodo

Bomba Centrífuga

Figura 3.95: Bombas Especiales y Agitadores de un Tanque de Lodo [62].

3.2.3.4 Área de Acondicionamiento del Fluido de Perforación [59]

El área de acondicionamiento está localizada muy cerca del taladro y está constituida por una serie de equipos especializados que permiten acondicionar el fluido de 320

TEMA III


perforación, eliminándole gran cantidad de sólidos indeseables que han sido incorporados durante la perforación. Dentro de los equipos que componen esta área se pueden mencionar:

• Tanques de Asentamiento

Son tanques de acero usados para almacenar el fluido de perforación, permitiendo la deposición de sólidos por gravedad durante el proceso de tratamiento del mismo. En la Figura 3.96 se muestran los tanques de asentamiento que generalmente se utilizan en un taladro de perforación.

Figura 3.96: Tanques de Asentamiento de un Taladro de Perforación [61].

• Equipos Mecánicos de Control de Sólidos

Como su nombre lo indica, son equipos especializados utilizados para separar los sólidos y el gas contenido en el fluido de perforación. Existen una gran diversidad de 321

TEMA III


estos equipos, de diferentes modelos, dentro de los que se pueden nombrar los siguientes:

Zaranda o Cernidores [61]

Estos equipos se encuentran localizados en el extremo final del último tanque de lodo, con la finalidad de separar los ripios obtenidos de la perforación, al hacer pasar el fluido de perforación que viene del pozo a través de una malla o tamiz vibrador que retiene estos sólidos grandes indeseables. La realización de este proceso de eliminación de sólidos del fluido de perforación es de gran importancia durante el proceso de perforación, debido a que de esta manera se garantiza el buen funcionamiento del sistema de circulación y se evita que estos sólidos ocupen el lugar del fluido de perforación en los tanques de lodo. Las mallas utilizadas para separar los ripios del fluido de perforación, son intercambiables y de su tamaño dependerá la presencia o no de sólidos grandes en el sistema. Estos equipos son conocidos también con el nombre de vibradores, zarandas vibradoras, rumberas, colador o temblador y se pueden observar en la Figura 3.97. (Ver Anexo D.13).

322

TEMA III


Figura 3.97: Equipo de Control de Sólidos. Zaranda [54].

Hidrociclón [2]

Es un equipo diseñado para la depuración de emulsiones y soluciones sintéticas. Este es un método de separación de sólidos, y se basa en introducir tangencialmente a gran velocidad el líquido contaminado en el interior del hidrociclón, dentro del cual gira en forma de remolino descendente. Debido a la energía cinética acumulada por las partículas contaminantes, éstas van contra las paredes del hidrociclón y son evacuadas por el orificio inferior juntamente con una pequeña cantidad de líquido. Las Figuras 3.98a y 3.98b, muestran un hidrociclón de manera esquemática y una imagen real.

323

TEMA III


a

b Líquido depurado

Entrada del líquido contaminado

Eje del Vortice Caja de alimentación

Apertura guía

Trayectoria de una larga y pesada partícula contaminante

Figura 3.98: Equipo de Control de Sólidos. Hidrociclón [73,74].

Los hidrociclones se pueden clasificar en desarenadores y deslimadores.

♦ Desarenadores[60]

Son equipos de control de sólidos, formados por varios cilindros cónicos que permiten separar pequeñas partículas de arena, cuyo tamaño es mayor a 74μ, contenida en el fluido de perforación, que pasan a través del vibrador o zaranda. Funcionan a través del principio de fuerza centrifuga ejercida sobre el fluido de perforación cuando el mismo pasa por cada cilindro a presión, donde las partículas pesadas se separan y se envían al fondo por la acción de dicha fuerza (ver Figura 3.99).

324

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Figura 3.99: Equipo de Control de Sólidos. Desarenador [61].

♦ Deslimador

Este equipo es similar al desarenador en lo que respecta a la operación; la diferencia entre ambos consiste en que éste equipo separa partículas de sólidos más pequeñas, es decir, partículas cuyo tamaño se encuentra entre los 2 y los 74μ (ver Figura 3.100).

Figura 3.100: Equipo de Control de Sólidos. Deslimador [75].

325

TEMA III


Un buen desarenador y un buen deslimador, permiten alargar la vida de la bomba, debido a que reducen grandes cantidades de sólidos de la formación que afectan todo el sistema de circulación. Esto hace que se use menos productos químicos en el fluido de perforación y se incremente la tasa de penetración.

Limpiadores de Lodo [74]

Son sistemas de procesamiento, de separación de dos etapas que comprenden varias combinaciones de hidrociclones montados sobre una zaranda, diseñados para operar como una sola unidad y de esta forma, manejar el volumen de circulación total del fluido de perforación; a efectos de remover y secar sólidos del tamaño de la arena, conservando al mismo tiempo el valioso líquido para su reutilización. El fluido de perforación y los sólidos deseables que atraviesan el tamiz de la zaranda, son recuperados y los sólidos retenidos sobre el mismo se descartan; el tamaño de la malla varía entre 100 y 325 mesh. (ver Figura 3.101).

Figura 3.101: Equipo de Control de Sólidos. Limpiador de Lodo [54].

326

TEMA III


Centrífugas Decantadoras

Las centrífugas decantadoras se utilizan en los procesos de depuración del fluido de perforación en los que se presentan materiales sólidos en suspensión. La separación de la fase sólida de la líquida se realiza en el interior de un tambor rodante de forma cilíndrica o tronco cónico, mientras el transportador que gira en una misma dirección pero a diferentes velocidades, hace posible controlar la descarga y el estado de humedad y/o sequedad de los sólidos descartados. La fase sólida, más pesada, se deposita sobre las paredes internas del tambor, siendo sucesivamente raspada por la cóclea interna hasta expulsarla a través de los orificios situados al final de la sección tronco cónico. Existen dos tipos de centrifugas de decantación: ♦ De alta velocidad: trabajan a 3200 RPM y eliminan sólidos ultrafinos menores a

5 μ. ♦ De baja velocidad: trabajan a 1800 RPM y eliminan sólidos cuyo tamaño es

mayor a 5 μ. En la Figura 3.102a y 3.102b se muestra un esquema de una centrífuga decantadora describiendo las partes que la componen y una centrífuga real.

327

TEMA III


a

b

Figura 3.102: Equipo de Control de Sólidos. Centrífuga Decantadora [76, 54].

328

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Equipos Tres en Uno[60]

Están conformados por una zaranda, un desarenador y un deslimador. Son equipos que poseen una gran capacidad de procesamiento, razón por la cual, se utilizan frecuentemente en la recuperación de fases líquidas costosas y descarte de sólidos indeseables.

•

Separador de Gas

Está localizado en el extremo final del área de acondicionamiento, muy cerca de la zaranda. Estos separadores pueden ser verticales u horizontales (Tal y como se muestra en las Figuras 3.103a y 3.103b) y están conectados al distribuidor de flujo por medio de líneas de alta presión. Sus principales funciones son:

Eliminar grandes cantidades de gas libre que ha entrado al fluido de perforación.

Pasar el lodo separado al desgasificador.

Enviar el gas separado a un quemador colocado a gran distancia del taladro.

Interiormente el separador de gas, está constituido por deflectores que hacen que cantidades de fluido de perforación y gas se muevan más despacio y un arreglo en forma de S en el fondo, permite que el fluido de perforación fluya hacia el tanque del vibrador mientras mantiene el gas por encima del mismo. El tubo de descarga en la parte superior permite que el gas se queme sin hacer mucha presión contra el fluido de perforación.

329

TEMA III


b

a

Figura 3.103: Separadores de Gas de un Taladro de Perforación [77].

•

Desgasificador

Este equipo generalmente se encuentra localizado sobre uno de los tanques de lodo, con el fin de separar continuamente el gas que penetra al fluido de perforación continuamente (ver Figura 3.104) Existen algunas razones por las cuales debe utilizarse un desgasificador en el área de acondicionamiento del lodo para separar el gas del mismo, entre las que se pueden nombrar:

Reduce el peso del fluido de perforación y la eficiencia de la bomba.

Disminuye la presión hidrostática ejercida por la columna de lodo.

Incrementa el volumen de lodo.

330

TEMA III


Figura 3.104: Desgasificador de un Taladro de Perforación [61].

Los aspectos antes mencionados deben tratar de evitarse, debido a que mientras más gas entre al pozo, aumenta la posibilidad de que ocurra una arremetida en el mismo, la cual podría llegar a transformarse en un reventón.

•

Recorrido del Fluido de Perforación en el Sistema de Circulación

El fluido de perforación es tratado en el área de preparación, luego desde los tanques y bajo presión se bombea al cabezal del pozo, desde donde se transporta al tubo vertical y posteriormente a la manguera rotatoria, luego pasa por la sarta de perforación y sube por el espacio anular, en la superficie fluye al área de acondicionamiento y posteriormente los equipos tratadores que separan el gas y los ripios del fluido de perforación, para finalmente pasar a los tanques de lodo donde se circula nuevamente. En la Figura 3.105 se muestra el ciclo del fluido de perforación,

331

TEMA III


basados en esta figura se puede enumerar el recorrido que realiza el fluido a través del sistema de circulación.

Figura 3.105: Ciclo del Fluido de Perforación [61].

1.

Bombas de lodo.

2.

Conexiones de Superficie.

3.

Tubo vertical.

4.

Manguera de lodo.

5.

Unión Giratoria.

6.

Cuadrante.

7.

Tubería de perforación.

332

TEMA III

8.

Portamechas.

9.

Mecha.


10. Espacio Anular. 11. Línea de Retorno. 12. Equipos de Control de Sólidos. 13. Tanque de Succión. Este recorrido se realiza en forma secuencial dentro del hoyo, de manera de ayudar a que el proceso de perforación sea cada vez más eficiente y seguro; por tal razón, y dada la importancia del ciclo del fluido de perforación juega en la perforación y la construcción de pozos, este punto se ampliará en el desarrollo del Tema V. (ver Anexo D.14)

333

TEMA III


3.2.4 Sistema de Potencia [60, 64]

La potencia máxima teórica requerida está en función de la mayor profundidad que se pueda alcanzar con el taladro y de la carga más pesada que represente la sarta de tubos requerida para revestir el hoyo a la mayor profundidad. Por encima de la potencia teórica estimada debe disponerse de potencia adicional. Esta potencia adicional representa un factor de seguridad en casos de atascamiento de la tubería de perforación o del revestimiento, durante su inserción en el hoyo para lo que será necesario templar para librarlas. Los requerimientos totales de energía de la mayoría de los taladros varían entre 750 a 3000 HP. Los primeros taladros fueron accionados por el vapor; sin embargo, debido al alto consumo de combustible y carencia de la portabilidad de las grandes plantas de las calderas requeridas, los taladros accionados a vapor han llegado a ser imprácticos. La mayor parte de la potencia del taladro es consumida por el sistema de levantamiento (malacate, consola del perforador, etc), rotación (mesa rotatoria) y por el sistema de circulación (bombas de lodo, bombas centrífugas, desgasificadores, etc); pues el sistema de seguridad es el único de los sistemas que componen el taladro de perforación que requiriere menor cantidad de energía. Afortunadamente los sistemas de levantamiento y circulación generalmente no se utilizan en forma simultánea, así que los mismos motores pueden realizar ambas funciones [59]. La planta consta generalmente de dos o más motores para mayor flexibilidad de intercambio y aplicación de mayor potencia, acoplamientos y embragues adecuados a un sistema particular. El tipo de planta puede ser mecánica, eléctrica o electromecánica. La selección se hace tomando en consideración una variedad de factores como la experiencia 334

TEMA III


derivada del uso de uno u otro tipo de equipo, disponibilidad de personal capacitado, suministros, repuestos, etc. El combustible más usado es diesel, pero también podría ser gas natural o butano. Los taladros modernos son accionados por los motores diesel de combustión interna y se clasifican generalmente como el tipo diesel-eléctricos o el tipo de impulsión directa (corriente directa) dependiendo del método que transmite la energía a los sistemas del taladro. En los taladros diesel-eléctricos, los motores principales se utilizan para generar electricidad. La energía eléctrica se transmite fácilmente a varios sistemas, donde el trabajo requerido se logra con el uso de motores eléctricos. Los motores de corriente directa tienen una amplia gama de usos, dentro de los que se pueden nombrar: esfuerzo de torsión de la velocidad que está extremadamente ligado al sistema de rotación y de levantamiento y las operaciones de circulación. Además, la energía eléctrica permite el uso de un sistema de control relativamente simple y flexible, se puede aplicar la energía suavemente a los componentes del taladro, lo cual disminuye al mínimo los problemas de choque y vibración. Los taladros accionados por motores de tipo impulsión directa (motores de corriente directa) logran transmitir mejor la energía que los motores de combustión interna usando los engranajes, las cadenas, las correas, y los embragues. El costo inicial de un sistema de energía generado por motores de corriente directa, es generalmente considerado menor que el del sistema eléctrico diesel. Los impulsores hidráulicos han mejorado el funcionamiento de este tipo de sistema de energía, debido a que reducen el choque y los problemas vibratorios del sistema de impulsión directa. Los convertidores, son impulsores hidráulicos diseñados de modo que el esfuerzo de torsión de la salida aumente rápidamente con la carga, actualmente

335

TEMA III


se utilizan para ampliar el esfuerzo de torsión de la velocidad, por lo que lo anterior suele caracterizar el motor de combustión interna. Las características de funcionamiento del sistema de energía se indican generalmente en términos de los caballos de fuerza, del esfuerzo de torsión y del consumo de combustible para la velocidad del motor. La energía de un

eje puede ser

transformada por un motor, y dicha potencia se obtiene del producto de la velocidad angular del eje y del esfuerzo de torsión de la salida.

Hp = ω x T

(3.81)

Donde: Hp:

potencia de salida.

ω:

velocidad angular.

T:

esfuerzo de torsión.

La eficiencia total de la energía determina el índice de consumo del combustible a una velocidad del motor dada. La energía térmica entrada al motor, se pueden expresar mediante: G = wf x H

Donde: G:

energía consumida.

Wf:

consumo de combustible.

H:

valor calorífico.

336

(3.82)

TEMA III


Entonces, la eficiencia del sistema de potencia, se define como la energía de salida entre la energía de entrada, tal como se muestra en la ecuación 3.83.

Efic =

P G

(3.83)

Un complejo equipo de perforación rotatoria no puede funcionar a menos que se disponga de suficiente potencia o energía para operar los diferentes componentes del taladro. El sistema de potencia soporta todas las operaciones de los sistemas de perforación rotatoria, genera la energía requerida en el sitio y la transmite a los diferentes componentes del taladro que necesiten energía para realizar sus respectivas funciones. En la Figura 3.106a y 3.106b, se muestra dos vistas del sistema de potencia de un taladro de perforación.

337

TEMA III


a

b

Figura 3.106: Sistema de Potencia de un Taladro de Perforación [61].

El sistema de potencia está constituido por una fuente primaria de potencia y la transmisión de la potencia.

338

TEMA III


3.2.4.1 Fuente Primaria de Potencia [58]

Es la fuente de energía para el equipo de perforación rotatoria, por lo que se necesitan varios motores para proveer la misma, estos en su mayoría son del tipo Diesel, por la facilidad de conseguir el combustible. El número de motores a utilizar dependerá del tamaño y capacidad de la torre. La energía producida es distribuida al taladro de dos formas: mecánica o eléctrica. Sin embargo, la fuente primaria, consta de equipos superiores de energía y de una unidad de motores, motores de combustión interna, bien sea a compresión y a gas o ignición. •

Equipos Superiores de Energía: son los que envían la potencia necesaria a las

diferentes áreas del taladro y están formados por grandes motores. [58] •

Unidades de Motores: aquellos que suplen potencia a un complejo de

perforación rotatoria son los generadores primarios. Generalmente, todos los taladros utilizan motores de combustión interna y son clasificados de acuerdo con el tipo de combustible que use cada motor; bien sea gas, gasoil o gasoil-eléctrico. El número de motores se determina por los requerimientos de potencia en el pozo, basados en los programas de revestimiento y profundidad. El rango de estos motores varía de 500 a 5.000 caballos de potencia (HP). La ubicación depende de algunos factores, tales como: el sistema de transmisión de potencia usada y la disponibilidad de espacio, entre otras. Algunas de las localizaciones en las cuales se suelen colocar los motores, se muestran en las Figuras 3.107a, 3.107b, 3.107c, 3.107d y 3.107e debajo del taladro de perforación, sobre la plataforma del taladro y levantado sobre la estructura, al lado del taladro al nivel del suelo del mismo y lejos del taladro respectivamente; para las que generalmente existen dos tipos de arreglos de motores,

339

TEMA III


uno sobre el piso del taladro y el otro levantado en una estructura al lado del taladro [58] .

a

b

c

d

e

Figura 3.107: Localización de los Motores en un Taladro de Perforación [59].

Los dos arreglos de los motores mencionados anteriormente se observan en la Figura 3.108a y3.108b, resaltando que la mayoría de las operaciones de perforación

340

TEMA III


requieren de dos o tres motores y para pozos profundos, los cuales tienen mayores requerimientos de potencia, necesitan de cuatro motores o más.

a

b

Figura 3.108: Arreglo de Motores Según los Requerimientos de la Operaciones de Perforación [59].

• Motores de Combustión Interna [2]

Es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Un motor diesel funciona mediante la ignición de la mezcla aire-gas sin chispa. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo motor, compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de compresión a gran presión, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se quema muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.

341

TEMA III


Para que se produzca la autoinflamación es necesario emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo comprendida entre los 220 y 350°C, que recibe la denominación de gasóleo. Los tipos básicos son los motores diesel de compresión y los de gas.

Motores Diesel de Compresión [2]

Convierten en energía un alto porcentaje del combustible, no poseen sistema de ignición (bujías) y no se experimenta pérdida de potencia a bajas velocidades. Son los de uso más común. En los motores diesel de encendido por compresión, la compresión de la mezcla es suficiente para provocar su autoinflamación. En este motor se utilizan valores elevados de compresión para lograr lo que se denomina "temperatura de ignición" cuando el pistón se encuentra en el punto superior muerto, y es en ese momento cuando se inyecta el combustible dentro de la cámara por medio de una bomba de alta presión y un inyector, variando la cantidad de combustible para controlar la potencia entregada por el mismo.

Motores de Gas

En su mayoría se han sustituido por motores diesel debido a que el gas es más difícil de obtener, a que los motores necesitan potencia a bajas velocidades, necesitan más reparaciones, cuando son similares a los diesel son menos eficientes [58].

342

TEMA III


3.2.4.2 Transmisión de Potencia

Como su nombre lo indica, transmite la potencia a los principales sistemas que componen el taladro de perforación, como es el caso del sistema de levantamiento, rotación y circulación. Se realiza a través de la transmisión de potencia mecánica y transmisión de potencia eléctrica, dependiendo del tipo de equipo a utilizarse.

•

Transmisión de Potencia Mecánica [2]

La transmisión de potencia mecánica significa que la potencia generada por los motores debe ser mecánicamente transmitida. Este proceso se realiza conectando el motor primario, generador de la potencia, con otros motores para liberar la energía adecuada y así llegar al acoplamiento hidráulico (convertidores de torque). Históricamente este fue el método de transmisión de potencia, pero actualmente está siendo reemplazado por el sistema eléctrico [59]. La Figura 3.109, muestra el arreglo mecánico de transmisión de potencia conjuntamente con el motor.

343

TEMA III


Figura 3.109: Transmisión de la Potencia Mecánica de un Taladro de Perforación [65].

•

Transmisión de Potencia Eléctrica [2]

Un motor eléctrico es un dispositivo rotativo que transforma energía eléctrica en energía mecánica, y viceversa, convierte la energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generador. En los taladros de perforación modernos se utiliza un sistema diesel eléctrico, es decir que el motor diesel mueve un generador eléctrico. El generador produce electricidad que se envía a través de una serie cables a un gabinete de control y transmisión. Desde el sistema de control, la potencia eléctrica se transmite a través de otros cables adicionales a motores eléctricos que son conectados directamente a los equipos del sistema.

344

TEMA III


Los sistemas de transmisión eléctricos, proveen mayor flexibilidad en la colección de unidades, eliminan el complicado arreglo de ensamblaje de transmisión por cadenas que presenta el sistema mecánico, experimentan pocos problemas de alineamiento y finalmente son más cómodos y portátiles, estas son algunas de las ventajas del sistema eléctrico en comparación con el sistema de transmisión mecánico. En la Figura 3.110 y 3.111 se puede observar un generador de potencia eléctrica y un diagrama de transmisión de dicha potencia eléctrica.

Figura 3.110: Generador de Potencia Eléctrica de un Taladro de Perforación [60].

Cabina de Control Malacate

Consola del perforador

Bombas de Lodo

Figura 3.111: Transmisión de la Potencia Eléctrica de un Taladro de Perforación [59].

345

TEMA III


3.2.5 Sistema de Seguridad [60]

Este sistema constituye otro de los componentes principales de un taladro de perforación y está formado por el conjunto de válvulas impiderreventones (VIR), cuya función principal es controlar mecánicamente una arremetida, y evitar que ésta se convierta en un reventón. Dichas válvulas no sólo actúan como sello en el hoyo, cuando ocurre una arremetida, sino que mantiene suficiente contrapresión en el hoyo e impide que continúe la entrada de fluidos desde la formación. Un reventón es una erupción de fluido sin control alguno, bien sea petróleo, gas o agua; generado siempre por una arremetida, la cual es una entrada no deseada de fluido a alta presión que viene de la formación y entra en el hoyo, desplazando el fluido de perforación. La ocurrencia de un reventón es un desastre en la perforación de pozos, pues si este se incendia se puede convertir en una catástrofe, generando pérdida de vidas y las operaciones de perforación se interrumpen y el taladro y las áreas circunvecinas sufren grandes daños [59]. En el control de una arremetida, el mantenimiento y supervisión del sistema debe ser extremadamente importante, en efecto el sistema de seguridad final es la cuadrilla del taladro, quienes deben estar alerta y operar el sistema de impide reventones cuando ocurra algún problema. Existen dos tipos de arremetidas que se pueden presentar durante la perforación de un pozo y para ellas se aplican métodos de control diferentes [58]: • Control de una Arremetida Pequeña: cuando la entrada de fluido de la

formación es pequeña, se puede manejar directamente circulando bien el pozo acondicionando el fluido de perforación, de esta manera se logra sacar el poco gas que entró al hoyo.

346

TEMA III


• Control de una Arremetida Severa: Si la entrada de fluido al pozo es grande, se

debe activar el sistema impide reventones, conocida comúnmente como cerrar el pozo, utilizando un distribuidor de flujo para controlar la contra presión cuando ocurre la arremetida, limitando la salida de fluido del hoyo y previniendo que siga entrando al mismo. Una vez que se cierra el pozo bajo presión, se usa un fluido apropiado para restaurar las operaciones. El sistema de seguridad está formado por cinco componentes, el conjunto de las válvulas impide reventones, la unidad acumuladora, el múltiple de estranguladores, la línea de matar y los accesorios.

3.2.5.1 Conjunto de Válvulas Impidereventones [2]

Este conjunto de válvulas también se conocen por sus siglas VIR’s o BOP’s (Blow Out Preventers), en inglés. Es un mecanismo diseñado especialmente para cerrar el

hoyo, cuando un reventón es inminente; el mismo consiste en un ensamblaje de válvulas que se utiliza para contrarrestar presiones en el hoyo cuando ocurre una arremetida y se encuentran localizadas en el cabezal del pozo, debajo del piso del taladro [58]. (Ver Anexo D.15). En las Figuras 3.112a y 3.112b se pueden observar la estructura interna y externa del conjunto de VIP utilizadas en un taladro de perforación como un componente del sistema de seguridad del mismo.

347

TEMA III

a


b

Figura 3.112: Conjunto de Válvulas Impidereventones del Taladro de Perforación [62, 61].

El conjunto de válvulas impidereventones está constituido por una serie de equipos de seguridad dentro de los cuales están: el impidereventón esférico y el tipo ariete.

•

Impidereventón Esférico[60]

Se coloca en la parte superior del conjunto de válvulas impiderreventón y normalmente es el primero en ser activado para cerrar el pozo. Presenta un elemento de empaque de goma elástica reforzada que se pliega radialmente para formar un sello alrededor de la sarta de perforación que se encuentre frente a él, sin importar cual sea el diámetro o forma de la tubería (ver Figura 3.113)

348

TEMA III


Figura 3.113: Válvula Impidereventón Esférico [60].

•

Impidereventón de Arietes [60]

Es un bloque de acero que a diferencia del impidereventón esférico, sella únicamente alrededor de una tubería de cierto diámetro que concuerda con el ariete instalado. Además de sellar el especio anular entre el revestidor y la tubería; los arietes pueden soportar el peso de la sarta de perforación de ser necesario. La mayoría de estos sistemas se cierran a través de pistones hidráulicos y poseen un pistón cuyo vástago se encuentra aislado de la presión del pozo por medio de sellos. Muchos de estos impidereventones tienen un sello auxiliar plástico, el cual puede energizarse para sellar sobre el vástago del pistón en caso de fallar el sello principal. En caso de fallas en el sistema de válvulas impidereventones, la mayoría de las válvulas no pueden cerrarse en forma manual, salvo que estén equipadas por un sistema hidráulico. La mayor parte de los impidereventones de arietes están diseñados de manera tal que permiten sellar la presión que proviene solo del lado inferior. Esto significa que al colocarla en posición invertida, no va a mantener la presión, además 349

TEMA III


no se podrá probar la presión desde el lado superior. Por consiguiente, debe tenerse sumo cuidado al armar un conjunto, ya que se deben ubicar con el lado correcto, es decir hacia arriba (ver Figura 3.114a y 3.114b).

a

Figura 3.114: Válvula Impidereventón Tipo Ariete [60].

b

Figura 3.114: Válvula Impidereventón Tipo Ariete [77].

350

TEMA III


Existen tres tipos de arietes:

De Tubería: utilizados para cerrar el pozo cuando la tubería está frente al ariete,

estos cierran solamente el diámetro del tubo para el cual han sido diseñados (ver Figura 3.115).

Figura 3.115: Arietes de Tubería [77].

Ciegos: se utilizan para cerrar el pozo cuando no hay tubería dentro del mismo,

pues estos solo cierran el hoyo abierto (ver Figura 3.116).

Figura 3.116: Arietes Ciegos [77].

351

TEMA III


Cizallantes: tiene hojas filosas especiales para cortar la tubería y cerrar el pozo,

esta acción se lleva a cabo si los otros preventores fallan, de esta forma se cierra el pozo en caso de una arremetida y son mayormente utilizados en perforaciones costa afuera [58].

Ciegos/de Corte: estas combinan las ventajas de las ciegas o de cierre de pozo

abierto con las cizallantes. Tienen la ventaja adicional de cortar la tubería para luego proceder a sellar la abertura del pozo. Otra condición favorable, es el espacio que se gana al utilizar un solo juego en lugar de dos para realizar las tareas necesarias.Cuando no hay tubería en el hoyo se comportan como un ariete ciego (ver Figura 3.117).

Figura 3.117: Arietes de Ciegos Corte [77].

•

Carreto

Se utiliza como un espaciador entre los impidereventones. Está provisto de entradas laterales donde se conectan la línea que va al distribuidor de flujo (línea de

352

TEMA III


estrangulador) usado para controlar la arremetida y la línea de matar el pozo, por donde se bombea fluido de perforación pesado al mismo.

•

Cabezal de Revestimiento

Es un accesorio que se coloca en el tope del revestimiento y sobre el cual se conecta el conjunto de válvulas de seguridad. En la Figura 3.118, se pueden observar claramente la localización de cada uno de estos equipos de seguridad que constituyen el conjunto de válvulas impidereventones.

Figura 3.118: Distribución de los Equipos de Seguridad Utilizados para Perforar Pozos [60].

353

TEMA III


3.2.5.2 Unidad Acumuladora [59]

La unidad acumuladora o de cierre, es el centro de control hidráulico y fuente de energía para operar el sistema de impiderreventones y las válvulas de control hidráulico. Para cumplir estas funciones, la unidad debe ser diseñada con suficiente capacidad para asegurar el funcionamiento de los impidereventones durante el tiempo requerido y en las condiciones que pueda presentar el pozo. Los preventores se abren o cierran con fluido hidráulico que va almacenando bajo presión en un equipo llamado Acumulador, el cual se coloca a 100 pies aproximadamente de las válvulas inpidereventones, conectado a estas las líneas de alta presión hidráulica. Varios recipientes en forma de botella o esféricos están localizados en la unidad de operaciones y es allí donde se guarda el fluido hidráulico (ver Figura 3.117) [58]. Esta unidad, posee líneas de alta presión que llevan el fluido hidráulico a los preventores y cuando las válvulas de control se activan, el fluido causa que los preventores actúen; debido a que los estos se deben sellar rápidamente cuando sea necesario, el fluido hidráulico se tiene que poner bajo 1500 a 3000 lpc de presión utilizando el gas de nitrógeno contenido en los recipientes.

Acumuladores Hidráulicos

Bomba Hidráulica Control de VIR

Figura 3.119: Unidad Acumuladora de Presión de un Taladro de Perforación [61].

354

TEMA III


3.2.5.3 Múltiple de Estranguladores [60]

Es un sistema de distribución de flujo constituido por un ensamblaje de tuberías de alta presión con varias salidas laterales controladas por válvulas manuales y automáticas. Están conectados al conjunto de válvulas impidereventones por una línea de alta presión llamada línea de estrangulación. Cuando se activa el distribuidor de flujo se mantiene suficiente contrapresión en el hoyo para que no continúe entrando fluido desde la formación hacia el pozo, al desviarse el fluido de perforación a través de las válvulas que restringen el flujo y lo dirigen a los tanques de reserva, al separador de gas o al área de acondicionamiento del mismo. En la Figura 3.120a y 3.120b se muestra una vista esquemática de un múltiple de estranguladores y una vista real del mismo, utilizado en un taladro de perforación.

b

a

Figura 3.120: Múltiple de Estranguladores de un Taladro de Perforación [ 60,61].

355

TEMA III


3.2.5.4 Línea de Matar el Pozo [60]

La línea de matar el pozo va desde la bomba de lodo al conjunto de válvulas de seguridad, conectándose a estas en el lado opuesto a las líneas de estrangulación. A través de esta línea se bombea el fluido de perforación pesado al pozo hasta que la presión se haya restaurado, lo cual ocurre cuando se ejerce suficiente presión hidrostática contra las paredes del hoyo para prevenir cualquier irrupción del fluido al pozo (ver Figura 3.121).

Figura 3.121: Línea de Matar el Pozo [61].

3.2.5.5 Accesorios

En el sistema de seguridad se incluyen algunos accesorios que forman parte de otros sistemas, como es el caso del separador de gas, los tanques de viaje y el

356

TEMA III

desgasificador, pertenecientes al


sistema de circulación, pero cuya función es

importante tanto para este sistema como para el de seguridad.

•

Tanques de Viaje

Son pequeñas estructuras metálicas utilizadas con la finalidad de mantener el hoyo lleno de fluido de perforación durante los viajes, reemplazar el volumen ocupado por la sarta de perforación que se saca del hoyo y contabilizar el volumen de fluido en el hoyo durante los viajes de tubería, además permite detectar si la sarta de perforación está desplazando o manteniendo el volumen dentro del hoyo cuando se meta o se saque tubería del mismo.

•

Separador de Gas

El separador de gas en el sistema de seguridad cumple una función específica, pues permite que el gas que se separa del fluido de perforación salga del sistema y gravite o sea expulsado hacia la línea de quemado. La mayor parte del gas que acompaña a una arremetida se separa del fluido después del estrangulador. Este es el gas del que se ocupa el separador.

•

Desgasificador

Permite la separación continua de pequeñas cantidades de gas presentes en el fluido de perforación para evitar la reducción de la densidad del lodo, la eficiencia de las

357

TEMA III


bombas de lodo y la presión hidrostática ejercida por la columna de fluido de perforación.

•

Línea al Quemador

Es una línea utilizada para desviar un flujo de gas hacia un sitio seguro lejos del taladro, después de haber pasado por el proceso de separación del fluido de perforación en el separador de gas que forma parte del sistema de circulación y de tal manera brindar seguridad durante el proceso de perforación de un pozo.

358

TEMA III

Problemas

3.3 Problemas

3.3.1 Problemas Resueltos

Ejercicio 3.1:

Durante la perforación del pozo UCV-007 se utilizó una sarta compuesta de 6000 pies de tubería de perforación de 4,5 pulg (17,80 lb/pie), 2000 pies de tubería extrapesada (36,1 lb/pie) y 1500 pies de portamechas de 7 pulg (45,2 lb/pie). El fluido de perforación utilizado fue de 10 lpg. El bloque corona constaba de 5 poleas (E = 0,841) y el peso de los accesorios presentes entre el gancho y la sarta de perforación era de 30.000 lbf. Adicionalmente se conoce que el gancho se encontraba trabajando a 740 HP. Determine: a) Potencia desarrollada por el malacate. b) Tensión en la línea viva. c) Velocidad de la línea viva.

Solución

a) Para hallar la potencia desarrollada por el malacate se utiliza la ecuación 3.7, despejando la potencia del malacate y sustituyendo valores se obtiene:

Hp malacate =

Hp gancho E

=

740 HP = 879,9HP 0,841

359

TEMA III

Problemas

R.- a) 879,9 HP. b) Para determinar la tensión en la línea viva se utiliza la siguiente ecuación 3.11, sin embargo se debe calcular primero, el peso sobre el gancho que es igual a la suma del peso de la tubería sumergida en el fluido de perforación, más el peso de los accesorios. Para obtener el peso de la tubería de perforación, la extrapesada y los portamechas se multiplica el peso nominal en lb/pie por la longitud de la tubería, esto da como resultado el peso de la tubería en el aire, para obtener el peso de la sarta sumergida en el fluido de perforación se multiplica por el factor de flotación. ⎡ ρ ⎞⎤ ⎛ W = ⎢(WDp's + WHW + WDC ) x ⎜1 − f ⎟⎥ + Waccesorios ⎝ 65,4 ⎠⎦ ⎣

WDp's = 17,80

lb x 6000 pies = 106.800 lb pie

WHW = 36,1

lb x 2000 pies = 72.200 lb pie

WDC = 45,2

lb x1500 pies = 67.800 lb pie

Al sustituir los valores se obtiene el peso sobre el gancho:

⎡ ⎛ 10 lpg ⎞⎤ W = ⎢(106.800 lb + 72.200 lb + 67.800 lb ) x ⎜1 − ⎟⎥ + 30.000 lb = 239.062,99 lb 65,4 ⎠⎦ ⎝ ⎣

360

TEMA III

Problemas

El valor de n se obtiene de la Tabla 3.3, una eficiencia igual a 0,841 indica que el número de líneas es igual a 8. Al sustituir y resolver la ecuación 3.11 se obtiene la tensión en la línea viva:

Tlf =

23.9062,99 lb = 35.532,54 lbs 8x0,841

R.- b) 35.532,54 lbs. c) Para determinar la velocidad de la línea viva, utilizamos la ecuación 3.10, para hallar la velocidad del gancho se divide la potencia entre el peso soportado por el gancho:

Vgancho

740 HP x = 239.062,99 lb

lbxpie min = 102,14 pies 1 HP min

33.000

La velocidad de la línea viva es n veces la velocidad del gancho así se obtiene:

Vlf = 8 x 102,14

pies pies = 817,19 min min

R.- c) 817,19 pies/min.

361

TEMA III

Problemas

Ejercicio 3.2:

Durante la construcción de Pozo UCV-005 se perforó un hoyo de 17,5 pulg. con un fluido de perforación de 8,5 lpg y una sarta compuesta por tubería de perforación de (5”x4”), para asentar un revestidor de superficie de 13,425 pulg a una profundidad de 3000 pies. Posterior a esto, se construyó la sección intermedia del pozo, adicionando 1300 pies de portamechas de 7 pulg, (con un diámetro Interno de 3 pulg) a la sarta de perforación, utilizando una mecha de 12,25 pulg y un fluido de perforación base aceite de gravedad específica 1,441. A 8700 pies de profundidad se asentó el revestidor intermedio de 9,625 pulg (con un diámetro interno de 8,725 pulg). Actualmente, se está construyendo una nueva sección con el objetivo de asentar el revestidor de producción a 15.500 pies. Para ello, se añadieron 3100 pies de tubería extrapesada de (6”x3,5” ) y 500 pies más de portamechas a la sarta de perforación. La mecha utilizada es de 8,5 pulg y el fluido de perforación de 13,6 lpg. Determine: a) Volumen de fluido de perforación existente en el hoyo cuando se estaba perforando a 8000 pies de profundidad. b) Presión hidrostática que ejerce la columna de fluido en el fondo del pozo a 8.700 pies de profundidad. c) Volumen de fluido en el interior de la sarta de perforación cuando se alcanza 14.300 pies de profundidad. d) Volumen de fluido en el anular cuando se alcanzan 15.500 pies de profundidad.

362

TEMA III

Problemas

a) Volumen de fluido de perforación existente en el hoyo cuando se estaba perforando a 8000 pies de profundidad. Se extrae del enunciado los datos relevantes para el momento en que la perforación se encuentra a 8000 pies. Diámetro del hoyo: 12,5 pulg Portamechas, DI = 3 pulg DE =7 pulg

Longitud 1300 pies

Tubería de perforación, DI = 4 pulg DE = 5 pulg. Longitud de la tubería de perforación: Profundidad del pozo – Longitud del portamechas. LDp’s = 8000 pies – 1300 pies = 6700 pies. Revestidor de superficie, DI = 13,425 pulg. Longitud 3000 pies. Se realiza un diagrama mecánico del pozo a 8000 pies, tal y como se muestra en la Figura 3.122.

363

TEMA III

Problemas

DI: 13 3/8 pulg 3000 pies DI: 4 pulg DE: 5 pulg 6700 pies

DI: 12,25pulg 8000 pies

DI: 3pulg DE: 7pulg 1.300 pies

Figura 3.122: Diagrama Mecánico del pozo UCV-005. Ejercicio 3.2, Pregunta a.

El volumen total de fluido de perforación cuando se está perforando a 8000 pies de profundidad, es igual a la suma del volumen de fluido que se encuentra en el interior de la tubería de perforación, más el volumen de fluido que se ocupa el interior del portamechas, más el volumen ocupado por el espacio anular portamechas-hoyo, más el volumen ocupado por el espacio anular tubería de perforación-hoyo, y tubería de perforación-revestidor.

Vlodo = VDp's + VDC + VDC−H + VHW−H + VRev−Dp's

364

TEMA III

Problemas

Sustituyendo los volúmenes en función de las capacidades tenemos: ⎡ (DI )2 ⎤ ⎡ (DI )2 ⎤ ⎡ (DI )2 − (DEDp's )2 ⎤ ⎤ ⎡ (DI )2 − (DEDC)2 Vlodo = ⎢ Dp's x hDo's ⎥ + ⎢ DC x hDC ⎥ + ⎢ Hoyo x h DC ⎥ + ⎢ Hoyo x (hDp' − hrev )⎥ 1029,4 1029,4 ⎦ ⎢⎣ ⎣⎢ 1029,4 ⎦⎥ ⎣ 1029,4 ⎦⎥ ⎢⎣ ⎦⎥ ⎡ (DI )2 − (DEDp's )2 ⎤ + ⎢ rev x hrev ⎥ 1029,4 ⎣⎢ ⎦⎥

Sustituyendo los valores correspondientes a diámetros y alturas se obtiene: ⎡ (4")2 ⎤ ⎡ (3")2 ⎤ ⎡(12,25")2 − (7")2 ⎤ ⎡(12,25")2 − (5")2 ⎤ Vlodo = ⎢ x 6700'⎥ + ⎢ x1300'⎥ + ⎢ x1300'⎥ + ⎢ x (6700'− 3000')⎥ 1029,4 1.029,4 ⎣1029,4 ⎦ ⎣1029,4 ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡(13,375")2 − (5")2 ⎤ x 3000'⎥ +⎢ 1029,4 ⎣ ⎦

Vlodo = 104,13 bls + 11,36 bls + 127,62 bls + 449,51 bls + 448,48 bls Vlodo = 1141,106 bls R.- El volumen de fluido de perforación a 8000 pies es 1141,10 bls. b) La presión hidrostática que ejerce la columna de fluido a 8700 pies viene dada por la ecuación 3.93:

Ph = 0,052 x ρ f x h

(3.93)

El revestidor intermedio fue asentado a 8700 pies de profundidad, razón por la cual para ese momento el fluido de perforación utilizado es el que corresponde a una gravedad específica de de 1,441. La gravedad específica es igual a la relación entre la densidad del fluido y la densidad del agua dulce. 365

TEMA III

Problemas

γ=

ρf ρw

Donde: γ: gravedad específica, adimensional. ρf: densidad del fluido, lpg ρw: densidad del agua, 8,33 lpg. Despejando la densidad del fluido y sustituyendo se obtiene: ρf = γ x ρw ρ f = 1,441 x 8,33 lpg

ρ f = 12,0 lpg

Al sustituir el valor de la densidad del fluido, obtenemos la presión hidrostática. P = 0,052 x 12,0 lpg x 8700 pies P = 5428,8 lpc

R.- .La presión que ejerce la columna de fluido a 8.700 pies de 5.428,8 lpc. c) Para determinar el volumen de fluido en el interior de la sarta de perforación cuando se alcanzan 14.300 pies de profundidad se debe realizar un nuevo diagrama mecánico del pozo UCV-005 (ver Figura 3.123).

366

TEMA III

Problemas

13.375 in Csg DI: 13,425 pulg 3000 68.00pies lbm/ft 3000 ft 5.000 in DP DI: 4 pulg DE: 5 pulg 19.50 lbm/ft 9400 9400 pies ft

DE: 9,625 pulg 9.625 in Csg DI: 8,725 pulg 58.40 lbm/ft 8700 8700 pies ft DI: 12,25 pulg 14.300 pies

8.310 DI: 3,5inpulg DE: 6 pulg 0% Excess 8000 14300pies ft

DI: 3pulg DE: 7pulg 14.300 pies

Figura 3.123: Diagrama Mecánico del Pozo UCV-005. Ejercicio 3.2, pregunta c.

La sarta de perforación está constituida por la tubería de perforación, la tubería extrapesada y el portamechas. Por lo tanto, el volumen interno de la sarta es igual a la sumatoria de los volúmenes internos parciales:

[

]

Vint = CIDp's x h Dp's + [CIHW x h HW] + [CIDC x h DC ]

367

TEMA III

Problemas

Sustituyendo en función de las capacidades tenemos: ⎤ ⎡ (DI ) 2 ⎡ (DIDp's ) 2 ⎤ ⎡ (DI ) 2 ⎤ Vint = ⎢ x h Dp's ⎥ + ⎢ HW x h HW ⎥ + ⎢ DC x h DC ⎥ ⎦ ⎣ 1029,4 ⎦ ⎦⎥ ⎣ 1029,4 ⎣⎢ 1029,4

Sustituyendo los valores que corresponden a los diámetros internos y las longitudes de la tubería de perforación, la tubería extrapesada y el portamechas. ⎡ (4") 2 ⎤ ⎡ (3,5") 2 ⎤ ⎡ (3") 2 ⎤ Vint = ⎢ x 9400'⎥ + ⎢ x 3100'⎥ + ⎢ x 1800'⎥ ⎣1.029,4 ⎦ ⎣1.029,4 ⎦ ⎣1.029,4 ⎦

Vint = 146,10 bls + 36,89 bls + 15,73 bls Vint = 198,72 bls R.- El volumen interno de la sarta de perforación es de 198,72 bls cuando la perforación alcanza 14.300 pies de profundidad. d) Para determinar el volumen de fluido de perforación en el espacio anular cuando se alcanzan los 15.500 pies de profundidad se debe realizar nuevamente el diagrama mecánico del pozo UCV-005.

368

TEMA III

Problemas

DI: 13,425 pulg 13.375 in Csg 3000 pies 68.00 lbm/ft 3000 ft

5.000 in DP DI: 4 pulg 19.50 DE: 5 lbm/ft pulg 9400 ft pies 10.600

DE: 9,625 pulg 9.625 in Csg DI: 8,725 pulg 58.40 lbm/ft 8700 pies 8700 ft

DI: 12,25 8.310 in pulg 15.500 pies 0% Excess 14300 ft

DI: 3,5 3pulg pulg DE: 7pulg 6 pulg 15.500 pies 13.700

Figura 3.124: Diagrama Mecánico del Pozo UCV-005. Ejemplo 3.2, pregunta d.

El volumen total de fluido que ocupa el espacio anular, cuando se está perforando a 15.500 pies de profundidad, es igual a la suma del volumen de fluido que se encuentra en el espacio anular portamechas-hoyo, tubería extrapesada-hoyo, más el volumen ocupado por el espacio anular tubería de perforación-hoyo, y tubería de perforación-revestidor:

[

] [

Va = [Ca DC−H x h PM ] + [Ca HW−H x h HW ] + Ca Dp's−H x (h Dp's − h Rev ) + Ca Rev−Dp's x h Rev 369

]

TEMA III

Problemas

Al sustituir los valores correspondientes a los diámetros y a las longitudes se obtiene: ⎡(8,5")2 − (7")2 ⎤ ⎡(8,5")2 − (6")2 ⎤ ⎡(8,5")2 − (5")2 ⎤ ⎡(8,725")2 − (5")2 ⎤ Va = ⎢ x 1800'⎥ + ⎢ x1300'⎥ + ⎢ x 1900'⎥ + ⎢ x 8700'⎥ 1029,4 ⎣ 1029,4 ⎦ ⎣ 1029,4 ⎦ ⎣ 1029,4 ⎦ ⎣ ⎦

Va = 40,65 bls + 109,16 bls + 87,21 bls + 432,08 bls Va = 669,10 bls

R.- El volumen de fluido de perforación que ocupa el especio anular cuando la perforación alcanza 15.550 pies de profundidad es 669,10 bls.

370

TEMA III

Problemas

Ejercicio 3.3:

Usted como Ingeniero de Perforación tiene la responsabilidad de seleccionar las bombas que se van utilizar en un taladro de perforación. Selecciona para ello en primero una bomba triplex, la cual tiene una camisa o liner de 0,5 pulg de diámetro, la longitud de la carrera es de 11 pulg y además opera a 2 emb/seg con una presión de descarga de 3000 lpc. Calcular: a) La capacidad de la bomba en gal/emb y en bls/emb, suponiendo que la bomba tiene una eficiencia volumétrica de 100%. b) La tasa de bombeo en barriles por minuto. c) La potencia desarrollada por la bomba en caballos de fuerza.

Solución

a) Para determinar la capacidad de la bomba triplex, en gal/emb y en bls/emb, se utilizan las ecuaciones 3.87 y 3.89 respectivamente, al sustituir los valores se obtiene: El desplazamiento volúmetrico de la bomba en gal/emb es igual a:

Fpt = 0,01019x (6pulg)2 x 1 x 11pulg

Fp t = 4,03524 gal/emb

371

TEMA III

Problemas

El desplazamiento volúmetrico de la bomba en bbls/emb es igual a:

Fp t = 2,4285 x 10 −4 x (6 pulg) 2 x 1 x 11 pulg

Fp t = 0,09616 bls/emb

R.- La capacidad de la bomba es 4,03 gal/emb ó 0, 0961 bls/emb. b) Para determinar la tasa de bombeo en bbls/min, se multiplica el desplazamiento volumétrico por las emboladas Q = Fp t x EPM Donde: Q:

tasa de bombeo, bls/min.

Fpt:

desplazamiento volumétrico de la bomba triplex, bls/emb.

EPM: emboladas por minuto, emb/min. Para transformar emb/seg a emb/min se utiliza el factor de conversión de segundo a minutos:

EPM = 2

emb 60 seg emb x = 120 seg 1 min min

Al sustituir el valor de capacidad de la bomba triplex obtenido en la pregunta a) en bls/emb y las emboladas por minuto se obtiene:

372

TEMA III

Problemas

Q = 0,09616

bls emb x120 emb min

Q = 11,53

bls min

R.- La tasa es 11,53 bls/min. c) Potencia desarrollada por la bomba en caballos de fuerza, es igual a la presión de la bomba por la tasa. Ηp =

PB x Q 1714

Donde: Hp:

potencia desarrollada por la bomba, HP.

PB:

presión de descarga de la boma, lpc.

Q:

tasa de bombeo, gal/min.

En la ecuación se debe sustituir la tasa de bombeo en unidades de gal/ min para ello se llevan los gal/emb a emb/min multiplicando el desplazamiento volumétrico de la bomba triplex por las EPM.

Q = 4,03524

gal emb gal x 120 = 484,228 emb min min

Al sustituir los valores se obtiene:

Hp =

3000 lpc x 484,228 gal/min = 847,53 HP 1714

R.- La potencia desarrollada por la bomba es 847,53 HP. 373

TEMA III

Problemas

Ejercicio 4.4:

Se efectuará el diseño de la tubería de perforación de un pozo partiendo de las siguientes condiciones: Profundidad total: 15.000 pies. Diámetro del hoyo: 8,5 pulg. Peso máximo del fluido de perforación: 12 lpg. Máxima sobretensión: 100.000 lbs. Factor de seguridad al colapso: 1,125. Peso máximo sobre la mecha: 40.000 lbs. Máxima inclinación esperada 5º (grados). Punto neutro: 85%. Portamechass: 6,25 x 2,25 pulg 108 lb/pie, 4,5 pulg FH Tubería de perforación: 4,5 pulg, 16,6 lbs/pie (nominal) NC50 (IF) 17,98 (peso ajustado) clase 2.

Solución

El diseño de la sarta de perforación se realiza de abajo hacia arriban en primer lugar se harán los cálculos sobre los portamechas y la tubería pesada y, posteriormente, se realiza el diseño de las distintas secciones que componen la tubería de perforación. La longitud de los portamechas se determina en función del peso sobre la mecha de 40.000 lbs para un ángulo de inclinación de 5º a través de la ecuación 3.94:

L DC =

PMSM Cosφ x PN x Ff x PDC

374

(3.94)

TEMA III

Problemas

Si se utiliza como criterio para el diseño de los portamechas el factor de flotación, de la ecuación 3.49 se obtiene: 12 ⎤ ⎡ Ff = ⎢1 − ⎥ = 0,817 ⎣ 65,5 ⎦ Al sustituir los valores en la ecuación 3.94 se obtiene la longitud de los portamechas:

L DC =

40.000 lbs = 535 pies 0,9962 x 0,85 x 0,817 x 108 lb/pie

Puesto que cada portamecha tiene una longitud de 30 pies es necesario ajustar la longitud total al múltiplo de 30 más próximo procediendo de la siguiente manera:

Nº de portamechas =

535 pies = 17,83 ≈ 18 portamecha 30 pies/portamecha

Es importante destacar la aproximación en este caso, puesto que no podemos utilizar 17,83 portamechas se necesita un número entero, aunado a esto, para que el punto neutro se encuentre ubicado a una longitud que corresponda al 85% de la sarta la longitud debería ser como mínimo el valor obtenido, si se aproxima por debajo del valor es decir, a 17 el punto neutro estaría por debajo del valor establecido y la tubería de perforación tiende a pandearse. Razón por la cual se aproxima a 18 portamechas, puesto que garantiza que el punto neutro se encontrará por encima del mínimo requerido evitando el pandeo de la tubería de perforación. Ahora, se recalcula la longitud de los portamechas, utilizando el Nº de portamechas igual a 18.

375

TEMA III

Problemas

L DC = 18 portamechas x 30 pies/portamecha = 540 pies Para determinar el peso de los portamechas en el aire y sumergido en el fluido de perforación, se realizan los siguientes cálculos: PCDA = L DC x PDC = 540 pies x 108 lb/pie = 58.320 lbs PDCL = PDCA x Ff = 53.820 lbs x 0,817 = 47.648 lbs Para determinar si el ensamblaje requiere tubería de transición entre los portamechas y la tubería de perforación, se hará referencia primero a la rigidez axial, la cual puede ser definida como la resistencia de los tubulares de acero a doblarse, y es proporcional al momento de inercia de la sección transversal de una tubería. Para calcular el momento de inercia de un tubular de acero se utiliza la ecuación 3.95.

I=

π ( DE 4 − DI 4 ) 64

(3.95)

Donde: I: momento de inercia, pulg4. DE: diámetro externo, pulg. DI: diámetro interno, pulg. La relación de momentos de inercia es el cociente entre el momento de inercia y el radio de la tubería, el cual está directamente relacionado con la resistencia. La ecuación 3.55 expresa la relación del momento de inercia para una tubería: 376

TEMA III

Problemas

I/C =

π ⎛ DE 4 − DI 4 ⎜ 64 ⎜⎝ DE

⎞ ⎟⎟ ⎠

(3.96)

Donde: relación del momento de inercia, pulg3.

I/C:

Para dos secciones de tubería, la relación anterior se expresa como la relación del momento de inercia de las secciones, tal y como se muestra en la ecuación 3.97:

SMR =

I/C diámetro mayor I/C diámtero menor

(3.97)

Donde: SMR: relación del momento de las secciones, adimensional. La relación del momento de las secciones se relaciona con el tipo de formación, se recomienda un SMR menor a 5,5 para formaciones suaves y menor a 3,5 para formaciones duras, cuando el SMR es mayor que 5,5 esto indica que la conexión no debe realizarse directamente entre las secciones evaluadas, sino que se requiere un tubular de transición. La Tabla 3.7 resume la relación del momento de las secciones con los requerimientos de tubería de transición. Tabla 3.7 Criterio para la Elección de Tubería Pesada-Momento de las Secciones [64].

SMR

Tipo de Formación

Tubería pesada

<5,5

Suave

No requiere

≥3,5

Duras

No requiere

>5,5

Cualquiera

Requiere

377

TEMA III

Problemas

Ahora se procede a calcular el momento de las secciones entre la tubería pesada y la tubería de perforación. π ⎛ 6,5 4 − 2,5 4 ⎜ 64 ⎜⎝ 6,5

⎞ ⎟⎟ ⎠ = 7,84 I/C = 4 4 π ⎛ 4,5 − 4 ⎞ ⎜ ⎟ 64 ⎜⎝ 4,5 ⎟⎠

Por lo tanto de acuerdo con la Tabla 3.7 se requiere de tubería pesada. Para calcular la longitud y peso de la tubería pesada, de debe tomar en cuenta que existe un criterio de acuerdo a la desviación del hoyo el cual se presenta en la Tabla 3.8. Tabla 3.8: Longitud de la Tubería de Acuerdo a la Desviación del Hoyo [64].

Desviación del Hoyo

Número de Tubos

<10º

21

≤ 60º

30

> 60º

45

El hoyo presenta una desviación moderada de 5%, utilizando la Tabla 3.8, el número de tubos recomendado para la tubería pesada es 21. La longitud y el peso se determinan a través de los siguientes cálculos. L HW = 21 tubos x 30 pies = 630 pies PHW = L HW x PHW

378

(3.98)

TEMA III

Problemas

Para determinar el peso de la tubería pesada, tenemos como dato que se utilizó una conexión NC50 IF para una tubería de perforación 4,5 en la Tabla 3.9 se muestran las dimensiones y propiedades de las tuberías pesadas de uso frecuente en la perforación de pozos. Tabla 3.9: Dimensiones y Propiedades de la Tubería Pesada [64] Tubería

Conexiones

Peso (incluye las conexiones) Rango II Rango III (lb/pie) (lb/pie)

Diámetro Nominal (pulg)

D.I (pulg)

Espesor (pulg)

Tipo

D.I (pulg)

D.E (pulg)

3,5

2,0625

0,719

4,75

2,1875

26

-

4 4,5 5

2,5625 2,75 3

0,719 0,875 1

NC 38:3- ½ IF NC 40:4 FH NC 46:4 IF NC50 4½ IF

5,25 6,25 6,5

2,6875 2,875 3,125

28 42 50

40 48

De la Tabla 3.9 (ver fila resaltada) se obtiene que la tubería pesada es de 50 lb/pie incluyendo las conexiones. Ahora se procede al cálculo del peso de la longitud de tubería pesada en el aire, sustituyendo los valores en la ecuación 3.98. PHWA = 630 pies x 50 lb/pie = 31.500 lb Para determinar el peso de la tubería pesada en el fluido de perforación se multiplica por el factor de flotación. PHW L = PHW A x Ff = 31.500 lbs x 0,817 = 25.736 lbs Se suma la longitud de los portamechas y de la tubería pesada y se obtiene longitud del ensamblaje de fondo tal y como se muestra e la ecuación 3.99.

379

TEMA III

Problemas

LE = L DC + L HW

(3.99)

Donde: LE:

longitud del ensamblaje de fondo, pies.

LDC:

longitud de los portamechas, pies

LHW:

longitud de la tubería pesada, pies. LE = 540 pies + 630 pies = 1170 pies

El peso del ensamblaje de fondo en el aire y el en fluido de perforación se obtiene sumando los pesos de los portamechas y la tubería pesada tanto en el aire, como el peso de cada uno de los componentes del ensamblaje sumergidos en el fluido de perforación. PEA = PDCA + PHWA = 58.320 lbs + 31.500 lbs = 89.820 lbs PEL = PDCL + PHWL = 47.648 lbs + 25.736 lbs = 73.384 lbs

Para diseñar la tubería de perforación, se determina primero la longitud total de la tubería y se procede a diseñar la sarta por secciones, comenzando desde el fondo, justo encima del ensamblaje de fondo, hasta alcanzar la superficie con la última sección. La longitud total se obtiene restando la longitud del ensamblaje de la profundidad del pozo. LTHW = 15.000 pies − 1170 pies = 13.830 pies

380

TEMA III

Problemas

Se determinan las características y propiedades de la tubería, en la Tabla 3.10 de especificaciones API. Donde existen tuberías de un mismo diámetro para distintos pesos nominales, y el grado de resistencia de la tubería de perforación crece de izquierda a derecha de tal forma que E
381

TEMA III

Problemas

Tabla 3.10: Propiedades Físicas de la Tubería de Perforación Usada [64].

D.E. (pulg) 2,375 2,875 3,5 4

4,5

5 5,5 6,5

Peso (lb/pie) 4,85 6,65 6,85 10,40 9,50 13,30 15,5 11,85 14,000 15,70 13,75 16,60 20,00 22,82 16,25 19,50 25,60 19,20 21,90 24,70 25,20 27,70

E 3725 4811 6332 8858 11094 14361 16146 15310 18196 20067 20403 24139 28683 31587 27607 32285 40544 34764 39863 44320 55766 60192

Fuerza de Torsión (pie-lb) X95 G105 S135 4719 5215 6705 6093 6735 8659 8020 8865 11397 11220 12401 15945 14052 15531 19968 18191 20106 25850 20452 22605 29063 19392 21433 27557 23048 25474 32752 25418 28094 36120 25844 28564 36725 30576 33795 43450 36332 40157 51630 40010 44222 56856 34969 38650 49693 40895 45199 58113 51356 56762 72979 44035 48670 62575 50494 55809 71754 56139 62048 79776 71522 79050 101635 77312 85450 109864

382

E 76893 107616 106946 166535 152979 121150 250620 182016 224182 253851 213258 260165 322916 367566 259155 311535 414690 294260 344780 391285 387466 422419

Resistencia a la tensión (lb) X95 G105 97398 107650 136313 150662 135465 149725 210945 233149 193774 214171 268723 297010 317452 350868 230554 254823 283963 313854 321544 355391 270127 298561 329542 364231 409026 452082 465584 514593 328263 362817 394612 436150 525274 580566 372730 411965 436721 482692 495627 547799 490790 542452 535064 591387

S135 138407 193709 192503 299764 275363 381870 451115 327630 403527 456931 383864 468297 581248 661620 466479 560764 746443 529669 620604 704313 697438 760354

TEMA III

Problemas

Se selecciona para la sección # 1, la tubería de menor grado, que debe ser colocada inmediatamente encima del ensamblaje. La cual de la Tabla 3.10 (ver aspectos resaltados) corresponde a: 4,5 pulg x 16,6 lbs/pie, grado E, resistencia máxima a la tensión 260.165 lbs. Para determinar la longitud de la primera sección se efectúa el diseño por tensión, utilizando la resistencia de la tubería, con un factor de diseño de 0,9 una sobretensión de 100.000 lbs y restando el peso del ensamblaje cuando está sumergido en el fluido de perforación. Finalmente se divide entre el peso por pie de la tubería en el fluido de perforación. Tal y como se muestra en la ecuación 3.100.

L Dp's 1 =

RMT1 x FD − ST − PEL P Dp's L

(3.100)

Donde: LDp’s:

longitud de la sección de tubería de perforación, pie.

RMT:

resistencia máxima a la tensión, lbs.

FD:

factor de diseño, adimensional.

DT:

sobretensión, lbs

PEL:

peso del ensamblaje sumergido en el fluido de perforación, lbs.

PDp’s L:

peso nominal de la tubería de perforación en el fluido de perforación, lbs.

Al sustituir los valores se obtiene:

L Dp's 1 =

(260.165 lbs x 0,9) − 100.000 lbs − 73.384 lbs = 4.136 lbs 17,98 x 0,817

383

TEMA III

Problemas

La longitud de cada tubo de conexión se estima en 31 pies, por lo que es necesario ajustar la longitud de la sección al múltiplo de 31 más próximo:

Nº de tubos =

4136 pies = 133 tubos 31 pies/tubo

L Dp's 1 = 133 tubos x 31 pies/tubo = 4123 pies.

Ahora, la longitud acumulada es la suma de la longitud del ensamblaje más la longitud de sección # 1, tal y como se muestra en la ecuación 3.101. LS1 = LE + L Dp's 1

(3.101)

LS1 = 1170 pies + 4123 pies = 5293 pies

El peso acumulado se calcula sumando el peso del ensamblaje más el peso de la sección # 1, en el aire y en el fluido de perforación. PASA1 = PAS1 + PEA

Donde: PASA1: peso acumulado de la sarta en el aire, lbs. PAS1: peso en el aire de la sección # 1, lbs. PE: peso del ensamblaje en el aire, lbs. Al sustituir los valores se obtiene: PASA 1 = 89.820 lbs + (4123 pies x 17,98 lbs/pie ) = 163.952 lbs

384

(3.102)

TEMA III

Problemas

Para obtener el peso en el fluido de perforación se multiplica el peso en el aire por el factor de flotación: PLSA 1 = PASA 1 x Ff = 163.952 lbs x 0,817 = 133.948 lbs

Para la sección # 2 se selecciona la tubería que sigue de acuerdo a la resistencia a la tensión, será colocada inmediatamente encima de la sección #1. El procedimiento a seguir es idéntico al utilizado en la primera sección y se repite para las otras secciones hasta alcanzar la profundidad total del pozo, y se utilizan cada vez tuberías de mayor resistencia. La Tabla 3.11 contiene la información para el resto de las secciones. R.- La Tabla 3.12 reúne la información sobre el diseño definitivo de la sarta para perforar el pozo a 15.000 pies.

385

TEMA III

Problemas

Tabla 3.11: Resultados Obtenidos de la Secciones de Tubería de Perforación Ejercicio 4.4.

Sección #

Grado tubería

Resistencia a la tensión (lbs)

Longitud de sección (pies)

Longitud Acumulada

Peso de la sección en el aire (lbs)

1

E

260.165

4.123

5.293

74.132

Peso acumulado en el aire (lbs) 163.952

60.566

Peso acumulado en el fluido (lbs) 133.948

2

X95

329.542

4.247

9.540

70.500

234.452

57.599

191.547

3

G105

364.231

2.480

12.020

41.168

275.620

33.634

225.182

4

S135

468.297

3.007

15.027

49.916

325.536

40.781

265.963

Peso de la sección en fluido (lbs)

Tabla 3.12: Diseño Definitivo de la Sarta. Ejercicio 4.4.

Componentes

Longitud

Tubos

Portamechass 6,75 x2,25 pulg, 108 lbs/pie, 4,5 pulg FH

540

18

Tubería pesada 5x3 pulg, 50 lbs/pie, 4,5 pulg IF

630

21

Sección # 1: grado E, NC 50 (IF) 4,5 pulg, 16,6 lbs/pie

4.123

133

Sección # 2: grado X95, NC 50 (IF) 4,5 pulg, 16,6lbs/pie

4.247

137

Sección # 3: grado G105, NC 50 (IF) 4,5 pulg, 16,6lbs/pie

2.480

80

Sección # 4: grado S 135, NC 50 (IF) 4,5 pulg, 16,6lbs/pie

3.007

97

386

TEMA III

Problemas

Ejercicio 3.5:

Determine el peso máximo que se puede aplicar sobre la mecha en un pozo utilizando el método de Arquímedes bajo las siguientes condiciones: Portamechass: 1000 pies, 6,5x2,5 pulg, 96 lb/pie. Tubería de perforación: 9000 pies, 5 x 4,276 pulg. 19,5 lb/pie. Densidad del fluido de perforación: 10 lpg. Densidad del acero: 65,5 lpg.

Solución:

En primer lugar se determina el volumen de los portamechas y de la tubería de perforación, mediante la ecuación 3.37 de capacidad volumétrica, sustituyendo los valores correspondientes a los portamechas, se obtiene:

VDC =

6,5 2 − 2,5 2 x 1000 = 34,97 bls. 1029,4

El volumen de la tubería de perforación se calcula de forma análoga al volumen de los portamechas, utilizando la ecuación (3.37) y sustituyendo los valores correspondientes a diámetros y longitud de la tubería de perforación.

VDp's =

5 2 − 4,276 2 x 9000 = 58,72bls. 1029,4

387

TEMA III

Problemas

El segundo paso consiste en calcular el volumen de fluido desplazado, que es igual al volumen de los portamechas más el volumen de la tubería de perforación, tal y como se muestra en la ecuación 3.38. Vd = 34,97 + 58,72 = 93,69 bls

Posteriormente se calcula la fuerza de flotación equivalente al peso del fluido desplazado para ello se utiliza la ecuación 3.39

PFD = 93,69 bls x 10 lpg x

42 gal = 39.350 lbs. 1 bl

Para especificar el peso disponible sobre la mecha se le resta al peso de los portamechas en el aire la fuerza de flotación tal y como se muestra en la ecuación 3.40. PSDM = (1000 pies x 96 lb/pie ) − 39.350 lbs = 56.650 lbs.

R.- Si se perfora en estas condiciones, solo se dispondrá de un máximo de 56.650 lbs para aplicar sobre la mecha, teniendo el punto neutro en la transición portamechas – tubería de perforación.

388

TEMA III

Problemas

Ejercicio 3.6:

Durante la perforación del pozo UCV-206 con una mecha de 8,5”, fluido de perforación de 16 lbs/gal y sarta de tuberías compuesta por tubería de perforación de 5,0” (21,9 lbs/pie) y 1200 pies de portamechas de 7” (96,0 lbs/pie); se ejecutaron las siguientes actividades: • Se realizó un viaje a 7550 pies. • Se perforó con repaso de 7550 – 9250 pies. • Se hace un vieja a 9250 pies para cambiar la mecha. • Se tomaron muestras de pared de 9250 – 10.250 pies. • Se perforó el intervalo 10.250 – 12.550 pies, sin repaso. • Se bajó a 12.550 pies. Al momento de bajar la tubería de perforación, se rompe la guaya y se cae el bloque viajero. El sistema bloque viajero, gancho y elevadores pesan 20.000 lbs y la torre de perforación tiene 128 pies de altura. Determine la cantidad de tubos que cayeron al fondo del hoyo. Usted es el coordinador de la comisión que investiga el accidente y el Ingeniero de Operaciones del taladro le informa lo siguiente: • Antes de realizar las operaciones en este pozo, la guaya tenía 800 Ton-millas acumuladas. • Por medidas de seguridad la guaya debió ser cortada cuando se tuvieran 1.500 Ton-millas acumuladas. • Al momento del accidente la guaya había pasado el límite de seguridad en 20%.

389

TEMA III

Problemas

Solución:

Para determinar la cantidad de tubos que cayeron al hoyo en el momento en que se rompe la guaya es indispensable determinar las Ton-millas de la misma en cada una de las actividades realizadas: Al realizar un viaje a 7550 pies: Por medio de las ecuaciones 3.49 y 3.64, se determinan el peso efectivo por pie de la tubería de perforación y de la sarta de portamechas en el lodo respectivamente, para lo que es necesario calcular primero el factor de flotabilidad:

Ff = 1 −

ρf 16 lbs/gal = 1− = 0,7553 65,4 lbs/gal 65,4 lbs/gal

Wm = Wa x Ff = 21,9 lbs/pie x 0,7553 = 16,5410 lbs/pie Wmb = Wab x Ff = 96 lbs/pie x 0,7553 = 72,50 lbs/pie

Ahora al sustituir Wm y Wmb en la ecuación 3.63 se obtiene el peso efectivo de la sarta de portamechas:

C = Lb x (Wmb − Wm) = 1200 pies (72,5088 − 16,5410) lbs/pie = 67161,36 lbs

Utilizando la ecuación 3.62, finalmente se obtienen una expresión de las Ton-millas al realizar un viaje a 7550 pies, debido a que no se tiene la longitud promedio de una pareja de tuberías:

390

TEMA III

Tm =

Problemas

7550 pies x 16,5410 lbs/pie x (90 pies + 7550 pies) 7550 pies x (20.000 lbs + 0,5 x 67161,36 lbs ) + 10.560.000 2.640.000

Tm = 243,58 Ton − millas

Al perforar con repaso de 7550 – 9250 pies, se debe utilizar la ecuación 3.66, donde Tmp1 viene dado por la expresión anterior y Tmp2 se determina por medio de la expresión 3.62 para la profundidad de 9250 pies: Tmp = 3 (Tmp 2 − Tmp1 )

Tmp2 =

9250 ' x 16,5410 lbs/pie x (90'+9.250 ') 9250 ' x (20.000 lbs + 0,5 x 67.161,36 lbs) + 10.560.000 2.640.000

Tmp 2 = 323,06 Ton − millas

Sustituyendo en la ecuación 3.66, se obtiene la siguiente expresión: Tmp = 3 (Tmp 2 − Tmp1 )

Tmp = 3 (323,06 − 243,58) Ton − millas = 238,44 Ton.millas

Cuando se hace un viaje a 9.250 pies para cambiar la mecha, utilizando la misma expresión de la parte anterior para las Ton-millas a 9250 pies: Tmp 2 = Tm viaje = 323,06 Ton − millas

Ton-millas al momento de tomar muestras de pared de 9250 – 10.250 pies:

391

TEMA III

Problemas

Para la profundidad de 9250 pies de igual forma se tiene que: Tmp 2 = Tmc1 = 323,06 Ton − millas

Las Ton-millas realizando viaje a 10.250 pies se obtiene utilizando la ecuación 3.62:

Tmc 2 =

10.250 ' x 16,5410 lbs/pie x (90 '+10.250 ') 10.250 ' x (20.000 lbs + 0,5 x 67.161,36 lbs ) + 10.560.000 2.640.000

Tmc 2 = 374,04 Ton − millas

Ahora bien, con la ecuación 3.68 se obtienen las Ton-millas muestreando en el intervalo de 9250 – 10.250 pies: Tmc = 2 (Tmc 2 − Tmc1 )

Tmc = 2 (374,04 − 323,06) Ton − millas = 101,96 Ton − millas

Al momento de perforar el intervalo 10.250 – 12.550 pies, sin repaso: Tmp1 = Tmc 2 = 374,04 Ton − millas

Tmp2 =

12550' x16,54 lbs/pie x (90'+12.550') 12550' x (20.000 lbs + 0,5 x 67.161,36 lbs) + 10.560.000 2.640.000

Tmp 2 = 503,18 Ton − millas

392

TEMA III

Problemas

Al sustituir estas expresiones en la ecuación 3.68 se obtiene que: Tmp = 2 (503,18 − 374,04 ) Ton − milas = 258,28 Ton − millas

Cuando se bajó a 12.550 pies:

Tm = 503,18 Ton − millas

La Tabla 3.13 muestra un resumen de las Ton-millas de cada una de las operaciones y las acumuladas:

Tabla 3.13: Toneladas Millas por Cada Operación y Acumuladas. Ejercicio 3.6 Operaciones

Ton-millas por c/operación 800

Ton-millas acumuladas 800

Realizando viaje a 7550 pies

243,58

1043,58

Perforando con repaso de 7550 - 9250 pies

238,44

1282,02

Realizando vieja a 9250 pies para cambiar la mecha

323,06

1605,08

Tomando muestras de pared de 9250 – 10250 pies

101,96

1707,04

Realizando vieja a 10250 pies para cambiar la mecha

374,04

2081,08

Perforando intervalo (10250-12550) pies

258,28

1965,32

Bajando a 12550 pies

503,18

2468, 5

Antes de realizar las operaciones del pozo

Como se puede observar, al realizar el viaje a 10.250 pies las Ton-millas acumuladas exceden la condición propuesta bajo la cual se tenía que cortar la guaya al tener 1500 Ton-millas acumuladas y haber sobrepasado el 20% del límite de seguridad.

393

TEMA III

Problemas

Con la intención de determinar las Ton-millas donde se rompe la guaya, se calcula cuantas Ton-millas se tienen en el momento de sacar la mecha a 10.250 pies para cambiarla:

Tm 10250pies =

374,04 Ton − millas = 187,02 Ton − millas 2

Entonces, al sumar las Ton-millas al momento de tomar muestras de 9250-10.250 pies con las obtenidas al sacar la mecha a 10.250 pies para cambiarla, se verifica que: 1707,04 + 187,02 = 1894,06 Ton − millas

La guaya se rompe al sacar la tubería. Ahora bien, la profundidad a la cual se rompe la guaya, se determina con las Tonmillas que hacían falta para que se rompiera la guaya después de realizar el muestreo en el intervalo de 9250-10.250 pies, bajo las condiciones de seguridad antes mencionadas:

Tm = 1800 − 1707,04 =

92,96 Ton − millas =

Pf x 16,5410 lbs/pie x (90 pies + 10.250 pies ) Pf x (20.000 lbs + 0,5 x 67.161,36 lbs ) + 10.560.000 2.640.000

Pf x 16,5410 lbs/pie x (90 pies + 10250 pies ) Pf x (20000 lbs + 0,5 x 67161,36 lbs ) + 10.560.000 2.640.000

Al despejar la profundidad del hoyo se obtiene la profundidad a la cual la guaya se rompe:

394

TEMA III

Problemas

Pf = 3.571,19 pies

Ahora, esta profundidad se resta los pies de portamechas para determinar cuantas parejas de tubos se cayeron al romperse la guaya: Pf tubería = 3571,19 pies − Portamecha = (3571,19 − 1200) pies = 2371,19 pies

Pf tubería =

2371,19 pies = 26,34 ≅ 26 90 pies

Parejas de tubos que caen. Si cada pareja tiene 3 tubos de 30 pies, 26 parejas tiene: 1 pareja 26 parejas

3 tubos X

X = 78 tubos R.- Al fondo del hoyo cayeron 78 tubos.

395

TEMA III

Problemas

3.3.2 – Problemas Propuestos

Propuesto 3.1:

En el tambor del malacate de un taladro de perforación hay una guaya de 1,5 pulg. Dicha guaya forma 30 camadas alrededor del tambor. Si se sabe que el radio del tambor es igual a 30 cm y la longitud del mismo es igual a 2 m Calcule la longitud de la guaya en pies, para las condiciones descritas anteriormente. Sugerencia: utilice la ecuación genérica para determinar la longitud de la guaya L T = (nD T + n 2 dc )

πA dc

R.- La longitud de la guaya es de 28.242 pies.

Propuesto 3.2:

Calcule el tiempo mínimo requerido para enrollar una guaya de perforación de 10.000 pies de 1 lbf/pie hasta la superficie usando una máquina de 10 HP. Sugerencia: utilice la ecuación 3.18

Wg x L2 Hp = 2t

396

TEMA III

Problemas

R.- El tiempo que tarda una máquina de 10 HP en enrollar la guaya de perforación hasta superficie son 151,5 min.

Propuesto 3.3:

Una torre puede levantar un peso de 200.000 lbf, el malacate provee una potencia máxima de salida de 800 HP, 10 líneas están enrolladas entre el bloque corona y el bloque viajero y la línea muerta está anclada a la torre como se muestra en la Figura 3.325. Determinar: a) La tensión estática de la línea viva cuando n = 10 (E=0,810). b) La máxima potencia disponible en el gancho. c) La máxima velocidad de levantamiento. d) El peso de la torre. e) El máximo peso equivalente en la torre. f) El factor de eficiencia de la torre.

A

B

L.M W

L.V C

D

Figura 3.125: Diagrama de Configuración de la Torre. Problema Propuesto 3.3.

397

TEMA III

Problemas

R.- a) 24.691,35 lb e) 280.000 lb

b) 648 HP

c) 106,92 pies/min

d) 244.691,35 lb

g) 0,8738

Propuesto3.4:

Se tiene un bloque viajero formado por cuatro poleas (E= 0,841). En el hoyo se encuentra una sarta de perforación a 16.000 pies, compuesta por 15.000 pies de tubería de perforación de peso nominal 19,5 lb/pie y peso ajustado de 21 lb/pie. Los portamechas de 7 pulg pesan 90 lb/pie. El peso de los accesorios en el gancho es de 25.000 lb. La mecha es de 12,25 pulg y el peso del fluido de perforación es de 12 lpg. Se comienza a sacar tubería a una velocidad de 3600 pies/hr. Determinar la potencia mínima que debe tener el malacate para levantar la carga y enrollar en el tambor la longitud de guaya correspondiente a esa velocidad y a ese peso inicial. R.- La potencia mínima desarrollada por el malacate es de 714,92 HP.

Propuesto 3.5:

Se está perforando la sección intermedia de un pozo exploratorio de 9 pulg. En este instante, el equipo de control de gas detectó la presencia de gas acetileno e el hoyo. Se procedió a circular el mismo, hasta llevarlo fuera del hoyo, tomándose para esto 12 min. El taladro, contaba con una bomba duplex de 95% de eficiencia volumétrica, un vástago de 2,5 pulg y camisa de (6”x18”) la cual se encontraba trabajando a 80 emb/min.

La sarta de perforación utilizada estaba constituida por 900 pies de

portamechas de 7 pulg (diámetro interno de 4 pulg) y tubería de perforación de (5”x4”).

398

TEMA III

Problemas

Determinar: a) Los barriles de fluido de perforación que se emplearon para sacar el gas fuera del hoyo. b) Si la bomba emplea 4906 emboladas para que el fluido de perforación circule por todo el pozo y sólo para pasar por dentro de la sarta de perforación se requieren 1050 emboladas. ¿Cuánto es la longitud de la sarta? R.- a) 174,85 bls b) 12.396,04 pies.

Propuesto 3.6:

El pozo UCV-006 está siendo perforado con una mecha de 8,5 pulg y un fluido de perforación de 12 lpg. A 2000 pies de profundidad se encuentra asentado un revestidor de superficie de 13,375 pulg y a 8000 pies se tiene asentado un revestidor intermedio de 9,625 pulg, de espesor igual a 0,275 pulg. La sarta de perforación existente en el hoyo. Consta de 9300 pies de tubería de perforación y de 2700 pies de portamechas de (7”x3”). a) Si se conoce que el volumen de lodo en los equipos de superficie (sin incluir los tanques) es de 47 bbls y se dispone de 2 tanques cuyo nivel de fluido esta a 12 pulg por debajo del tope del mismo, calcule el volumen de fluido de perforación existente en todo el sistema de circulación. b) Si la bomba utilizada para hacer circular el fluido de perforación en el pozo es una duplex de (5x11) pulg con vástago de 2 pulg y una eficiencia volumétrica de 95%. ¿Cuántas emboladas serán necesarias para que la bomba desplace un volumen de lodo igual al volumen del anular? R.- a) 916,48 bls

b) 6670,30 emb.

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TEMA III

Problemas

Propuesto 3.7:

Se está perforando el pozo UCV-008 con una mecha de 8,5 pulg y un fluido de perforación de 14 lpg. A los 3000 pies de profundidad se encuentra asentado un revestidor superficial de 13,375 pulg (e = 0,236 pulg) y a 10.000 pies se tiene asentado un revestidor intermedio de 9,625 pulg (e = 0,245 pulg). La sarta de perforación existente en el hoyo consta de una tubería de perforación (DI= 4 pulg), tubería extrapesada (6”x3”) y 2.000 pies de portamechas (7”x3”). Se está utilizando una bomba triplex que trabaja a 120 emb/min con una eficiencia volumétrica de 87%, con una camisa de (7x23) pulg. Adicionalmente se conoce lo siguiente: Capacidad (Rev y TP):

0,0568 bls/pies

Capacidad (Hoyo y TP): 4,5918 x10-2 bls/pies. Volumen (Hoyo y TEP): 140,91 bls. Volumen en el Anular:

35.529,48 gal

Determinar: a) Diámetro de la tubería de perforación. b) Longitud de la tubería de perforación. c) Profundidad total del pozo. d) Si al encontrarse una burbuja de gas en el sistema, ésta se circula en un tiempo de 15 minutos, ¿Cuántas emboladas deberá realizar la bomba para circularla? e) Si se necesitan 5600 emboladas para que el fluido de perforación recorra por todo el sistema de circulación, ¿qué volumen de lodo hay en los equipos de superficie? R.- a) 5 pulg b)12.000 pies c)18.000 pies d) 1800 emb e) 248,98 bls

400

TEMA III

Problemas

Propuesto 3.8:

Para las condiciones del pozo establecidas en el ejercicio 3.5, determine el peso máximo disponible sobre la mecha utilizando el método de Fuerza areal. R.- 56.636 lbs.

Propuesto 3.9:

Para las condiciones del pozo establecidas en el ejercicio 3.5, determine el peso máximo disponible sobre la mecha utilizando el método de Factor de flotación. R.- 69.115,2 lbs.

Propuesto 3.10:

Se está perforando el pozo FEI- 17 con fluido de perforación de 15,6 lb/gal y sarta de tuberías compuesta por 1200 pies de portamechas (96 lbs/pie) y tubería de perforación de 19,5 lbs/pie (21,9 lbs/pie corregido). Se sabe que la altura de la torre o cabria es de 147 pies y la longitud de la pareja de tuberías mide 93 pies. A 10.250 pies se correrá y asentará un revestimiento de 9,625 pulg de 43,5 lbs/pie (cada tubería de revestimiento mide 29 pies). Considere que el peso del bloque viajero, gancho y los elevadores son 13.500 lbs, 5500 lbs y 800 lbs respectivamente y que el diámetro de la guaya o cable de perforación es 1,25 pulg. Se está llevando un control de las toneladas millas que ha trabajado la guaya de perforación, la cual tiene acumulado 110 Ton-millas. Por medidas de seguridad se debe cortar la guaya cuando se tengan

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TEMA III

Problemas

1500 Ton-millas acumuladas. Determine en qué momento se debe cortar la guaya para evitar que falle y se caiga el bloque. a) Ton-millas realizando un viaje a 8750 pies. b) Ton-millas perforando el intervalo (8750 – 10.250) pies sin repaso en cada conexión. c) Ton-millas saliendo del hoyo a 10.250 pies. d) Ton-millas bajando revestidor a 10.250 pies. e) Ton-millas bajando al hoyo a 10.250 pies. f) Ton-millas perforando el intervalo (10.250 – 10.600) pies con repaso. g) Ton-millas realizando viaje redondo a 10.600 pies. h) Ton-millas cortando núcleos en el intervalo (10.600 – 10.975) pies. a) 300 Ton-millas

b) 152 Ton-millas

c) 188 Ton-millas

d) 204 Ton-millas e)

188 Ton-millas h) 42 Ton-millas La Tabla 3.14 muestra un resumen de las operaciones y las toneladas milla acumuladas.

Tabla 3. 14: Toneladas Millas por Cada Operación y Acumuladas. Problema Propuesto 3.10. Operaciones Principio de las operaciones Realizando viaje a 8750 pies Perforando el intervalo (875010250) pies sin repaso Saliendo del hoyo a 10250 pies Bajando revestidor a 10250 pies Bajando al hoyo a10250 pies Perforando intervalo (1025010600) pies con repaso Realizando viaje redondo a 10600 pies Cortando núcleos en el intervalo (10.600-10975) pies

Ton-millas por c/operación 110 300 152

Ton-millas acumuladas 110 410 562

188 204 188 54

750 954 1142 1196

394

1590

42

1632

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TEMA III

Problemas

R.- La guaya debe cortarse después de terminar de perforar el intervalo que va de 10.250 a 10.600 pies, es decir, al llevar 1196 Ton-millas acumuladas, para esto se debe subir la sarta y proceder a cortar la guaya.

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Tema III. EL TALADRO DE PERFORACIÓN

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