Equipos y Herramientas de Perforación de Pozos Equipos de Perforación Semestre 2018-1 PDF

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Equipos y Herramientas de Perforación de Pozos Equipos de Perforación Semestre 2018-1 Ing. Juan Carlos Sabido Alcántara Ingeniero Petrolero Facultad de Ingeniería UNAM Equipos de Perforación Equipos de Perforación Equipos de Perforación • Los equipos de perforación terrestre, además de ser auto tran...

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Equipos y Herramientas de Perforación de Pozos Equipos de Perforación Semestre 2018-1 Ing. Juan Carlos Sabido Alcántara Ingeniero Petrolero Facultad de Ingeniería UNAM

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación • Los equipos de perforación terrestre, además de ser auto transportables o no, también se clasifican en ligeros, medianos y pesados. En general un equipo pesado no es auto transportable y un equipo ligero no es 100% auto transportable. Ambos requieren de apoyo logístico como grúas, camiones y remolques para cambiar de localización.

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación • Plataformas Fijas: Fueron las primeras unidades utilizadas. Han sido las preferidas en los yacimientos localizados en tirantes de agua de hasta 200 [m] de profundidad. Generalmente las plataformas fijas se componen de estructuras modulares de acero, instaladas en el lugar de operación con pilotes hincados en el fondo marino. Las plataformas fijas son proyectadas para recibir todos los equipos de perforación, almacenaje de materiales, alojamiento del personal, así como todas las instalaciones necesarias a la producción de los pozos.

Equipos de Perforación • Plataformas Autoelevables: Se componen básicamente de una balsa equipada con una estructura de apoyo o piernas que, accionadas de forma mecánica o hidráulica, son sumergidas hasta alcanzar el fondo del mar. En seguida, se inicia la elevación de la plataforma sobre el nivel del agua, a una altura segura y fuera de la acción de las olas. Estas plataformas son móviles, pueden ser transportadas por remolcadores o por propulsión propia. Se destinan a la perforación de pozos exploratorios y de desarrollo en la plataforma continental, en tirantes de agua con una profundidad que varía de 5 a 130 [m].

Equipos de Perforación • Plataformas Semisumergibles: Las plataformas semisumergibles están compuestas de una estructura con una o varias cubiertas, apoyada en flotadores sumergidos. Una unidad flotante sufre movimientos debido a la acción de las olas, corrientes y vientos, lo que puede dañar los equipos que van a bajarse por el pozo. Por ello, es imprescindible que la plataforma permanezca en posición sobre la superficie del mar, dentro de un círculo con radio de tolerancia determinado por los equipos que se encuentran abajo de la superficie.

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación • Para fines del curso es necesario revisar los sistemas que conforman un equipo de perforación detallando los componentes más importantes de cada uno de ellos, en general los sistemas son los mismos para equipos terrestres y marinos en cuanto a la operación de perforación se refiere. • Los cinco sistemas que revisaremos son: 1. 2. 3. 4. 5.

Sistema de Izaje (Elevación) Sistema de Circulación Sistema de Rotación Sistema de Control Sistema de Potencia

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • La imagen más representativa en la cultura popular es la torre, esa que vemos en caricaturas, películas y fotos, mayormente conocida como mástil o torre dentro de la industria. Se trata de una estructura de acero diseñada para soportar las cargas verticales a las que será sometida durante la operación, el empuje del viento, el peso de la sarta de perforación y la tubería armada y estibada.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • La altura del mástil varía de un equipo a otro, pero un parámetro para “clasificarlo” es por el número de tubos que permite armar, meter y sacar dentro del pozo. • Hay equipos de un tubo, dos tubos y tres tubos (lingada).

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • El mástil se monta en una subestructura, ésta soporta además el piso de perforación y la mesa rotaria (sistema rotatorio), también deja el espacio suficiente por debajo para la colocación de los preventores (sistema de control). La subestructura también debe de tener la capacidad de soportar el peso de la sarta cuando se sienta en cuñas.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • El piso de perforación se encuentra sobre el marco de la subestructura y provee la plataforma de trabajo para la mayoría de las operaciones de perforación, y brinda soporte al equipo y herramientas requeridas, como son las cuñas, elevadores, llaves de fuerza, etc.

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • El resto de los componentes del sistema de izaje son: • Malacate • Corona • Bloque viajero • Gancho • Cable • Elevador

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Para el sistema de izaje el malacate es un sistema de levantamiento al que se le puede aumentar o disminuir su capacidad de carga haciendo uso de un cable y un arreglo de poleas. Además dar potencia de carga al sistema de izaje, también transmite potencia al sistema rotatorio durante la perforación.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Sus principales componentes son : 4 Un Tambor giratorio grande 1 Consola del Perforador 6 Un conjunto de ejes 2 y 5 Conjunto de cadenas y engranes 3 Frenos manuales, eléctricos, mecánicos o 7 Lubricadores hidráulicos. 8 Motor Eléctrico

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Malacate: Se ubica, en equipos antiguos, entre las dos patas traseras del mástil en el mismo nivel del piso de perforación, aunque en algunos equipos se puede encontrar en un nivel inferior al piso, en los equipos auto transportados y de generaciones más actuales casi siempre se encuentran por debajo del piso.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Corona: Se trata de un arreglo de poleas colocado en la parte superior (la punta) del mástil por el que se pasa el cable de perforación.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Bloque Viajero: Arreglo de poleas que se enlaza o conecta al bloque de corona con el cable de perforación. Esto permite que el bloque se desplace hacia arriba o hacia abajo del piso de perforación.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • El número de veces que se pasa el cable de perforación por las poleas del bloque se le llama “cuerda” ó “línea”. Por ejemplo, un cable con 10 cuerdas significa que el cable pasa por 5 poleas del bloque viajero y 5 del bloque corona en forma alterna. El número de poleas requerido en el bloque corona es uno más que el número que se van a enhebrar. Esta polea adicional es para la línea muerta que estará siempre anclada a la base de la subestructura.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Gancho: Es un elemento grande con forma de asa, localizado debajo del bloque viajero. Del gancho se suspende la unión giratoria y la sarta de perforación durante las operaciones de perforación. Tiene un resorte interior que le ayuda a absorber los impactos. Los brazos del elevador se encuentran sujetos al gancho y son usados para operaciones de Izaje.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Elevadores: Los elevadores son abrazaderas o grapas para trabajo extra pesado que sujetan la TP, la HW, los DC, la TR y la tubería de producción para que puedan ser introducidos o sacados del pozo. • Hay dos tipos básicos de Elevadores: • Tipo Cuello de Botella – son utilizados para Tubería de Perforación. • De Hombro Recto – utilizados para tubería de Revestimiento y algunas lastra barrenas

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Gafas: Las gafas se sujetan en las azas laterales que tiene el gancho, y en el extremo inferior los elevadores se sujetan de las gafas.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Cable de Perforación: Es un cable para servicio pesado construido con hilos de acero mejorado trenzados en torones o madejas helicoidales de 19 hilos cada una. Es un conjunto de piezas de precisión, cada una se mueve independientemente, y requiere de lubricación.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Cable de Perforación: Conecta todos los componentes del sistema de Izaje al pasar por las poleas del bloque corona y del bloque viajero en forma alternada. Luego es enrollada sobre el carrete en el malacate.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Cable

de

Perforación:

Generalmente varía entre 1” y 1 ¾” de diámetro y en longitudes entre 500 [m] y 2,300 [m]. Se almacena en un carrete de reserva.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Cable de Perforación: La longitud requerida depende de tres variables: La altura de la torre o mástil, el número de veces que se pasa el cable por los bloques y la profundidad del pozo a perforar más una reserva para el programa de deslizar y cortar el cable trabajado.

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Cable de Perforación: Está compuesto de tres partes: el Alma, los Torones y los Hilos individuales de acero que conforman el Alma y los torones.

Equipos de Perforación

Equipos de Perforación • Sistema de Izaje. • Cable de Perforación: Es fácil comprender que el cable de perforación es el alma del sistema de Izaje, no importa si se tiene un mástil, un bloque viajero, un gancho, un malacate, todos de gran capacidad, si no hay un cable que enlace cada componente y los haga funcionar.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • El sistema de rotación es el encargado de hacer girar la barrena y la sarta de perforación para perforar el pozo. Los componentes de éste sistema varían de un autor a otro, algunos incluyen la tubería de perforación, los lastrabarrenas o Drill Collars, la tubería pesada o Heavy Weight y la barrena, otros sacan todos estos elementos y se refieren únicamente a los componentes mecánicos como son la mesa rotaria, el cuadro y la flecha o Kelly, y en su caso el Top Drive.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Mesa Rotaria: La mesa rotaria se encuentra en el piso de perforación sobre el pozo. Para rotar la sarta de perforación se utiliza la mesa rotaria, el buje principal y el buje de la flecha. Desde el gancho, la unión giratoria y la flecha se encuentran enroscadas en la tubería de perforación.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Flecha o Kelly: Es un tramo de tubería, generalmente de forma cuadrada o hexagonal, tiene una longitud de 12 [m], cuya función es transmitir el movimiento de rotación de la mesa rotaria a la sarta de perforación.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Flecha o Kelly: En el extremo inferior tiene un elemento llamado Kelly Bushing, este es el que se embona directamente a la mesa rotaria en el llamado Master Bushing.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Cuñas: Las cuñas no son un elemento que de rotación a la sarta, sin embargo es conveniente mencionarlas en este punto pues trabajan directamente sobre el Master Bushing. Su función es la de cargar toda la sarta de perforación mientras se hacen los preparativos para conectar otro tramo de tubería.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Flecha o Kelly:

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Cuñas:

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Kelly Spinner: Es el dispositivo en el que se enrosca la flecha kelly en la parte superior, dicho elemento está acoplado a otro elemento llamado Unión Giratoria o Swivel (sistema circulatorio) y que va colgado del gancho (sistema de izaje).

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Top Drive: El sistema del Top Drive, o TDS, reemplaza la mesa rotaria, la flecha y la unión giratoria. Está colgado del gancho en el bloque viajero (sistema de izaje) además de agregar un sistema de rieles sobre el mástil (sistema de izaje). Un motor para trabajo pesado montado en el Top Drive provee la potencia necesaria.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Top Drive: La lingada superior se enrosca directamente al Top Drive. El Top Drive hace rotar la sarta de perforación y la barrena directamente. Esto elimina la necesidad de una mesa rotaria giratoria y la flecha. Debido a su diseño el Top Drive sirve para agilizar las operaciones de perforación.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • El programa de la asignatura contempla abordar el tema de barrenas y tuberías una vez que se ha terminado de revisar los sistemas de los equipos de perforación, sin embargo por conveniencia académica los agregaremos como elementos del sistema de rotación.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: La perforación rotatoria requiere de una barrena siempre, es el elemento que conjunta el resultado de todos los esfuerzos suministrados por cada sistema de los equipos de perforación para conseguir la “destrucción” de miles de metros de roca para conectar un yacimiento con la superficie.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: Aunque su costo no es el más representativo en total de la inversión económica de perforación de un pozo, su rendimiento es de gran relevancia para optimizar los recursos económicos, si una barrena no es bien seleccionada va a provocar incremento de los tiempos de perforación, accidentes mecánicos, desviación de trayectorias, entre otras.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: En el mercado existe una gran variedad de barrenas destinadas a diferentes objetivos, de varios diámetros, configuraciones y marcas. Como Ingenieros de perforación se deben de conocer los tipos de barrenas, su función, su comportamiento y el tipo de corte que hace sobre la roca.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: “La herramienta utilizada para triturar o cortar la roca. Todo lo que se encuentra en un equipo de perforación asiste directa o indirectamente a la barrena para la trituración o el corte de la roca. La barrena se encuentra en la parte inferior de la sarta de perforación y debe cambiarse cuando se desgasta excesivamente y deja de avanzar. La mayoría de las barrenas funcionan raspando o triturando la roca, o ambas acciones a la vez, generalmente como parte de un movimiento de rotación. Algunas barrenas, denominadas barrenas de tipo martillo, martillan la roca verticalmente en forma similar a un martillo neumático utilizado en operaciones de construcción.” – Schlumberger, Oilfield Glossary.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: Las barrenas funcionan con base en dos principios, el primero consiste en fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y el segundo venciendo los esfuerzos de compresión. • Para esto las barrenas atacan la formación incrustando sus dientes y posteriormente desplazándose con la rotación dentro de la misma, logrando así el corte de la roca. • El segundo caso ocurre cuando la barrena por medio del cizallamiento generado por los cortadores vence la resistencia de la roca.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: La forma de ataque dependerá del tipo y dureza de la roca que se desea cortar. Por ejemplo, las formaciones suaves requieren de una barrena de dientes, ya que ese tipo proporciona un ataque de paleado y escareado ideal para formaciones suaves. En el caso de una formación más dura lo ideal es usar barrenas de arrastre.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: De lo anterior concluimos que tenemos dos tipos fundamentales de barrenas. CLASE

ARRASTRE

CARACTERÍSTICAS

1. Cortadores de acero

Los cortadores forman parte integral 2. Diamantes naturales de la barrena 3. PDC Los cortadores están unidos a tres

TRICÓNICAS

TIPOS

piezas cónicas que giran alrededor de su eje

1. Dientes maquinados 2. Insertos

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas Tricónicas: Como su nombre lo dice, cuentan con tres conos, mismos que giran de manera independiente sobre su propio eje, pueden ser de dientes fresados de acero o de insertos, comúnmente de carburo de tungsteno. También cambian en función de su sistema de rodamiento que puede tener balero estándar, balero sellado o chumacera.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación.

• Barrenas Tricónicas: Sus principales componentes son la estructura cortadora, los cojinetes y el cuerpo de la barrena.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación.

• Barrenas Tricónicas: Como ya se mencionó, se clasifican en barreas con dientes maquinados y en barrenas de insertos.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: Las barrenas tricónicas con dientes de acero se utilizan en formaciones blandas con baja resistencia a la compresión. Las que poseen insertos se utilizan para perforar formaciones que van de semiduras a duras semiabrasivas y duras abrasivas.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación.

Estructura de Corte

• Barrenas Tricónicas: Dientes Maquinados Formaciones

Descripción

Blandas (Dientes largos)

Dientes largos y bastantes espaciados, lo que favorece la acción de incisión y paleo para obtener altos ritmos de penetración; utilizando poco peso sobre la barrena y altas velocidades de rotación.

Medianamente Duras (Dientes intermedios)

Se requiere mayor cantidad de dientes, de longitud intermedia y espaciamiento moderado. Esta configuración ofrece mayor resistencia y permite aumentar el peso aplicado sobre barrena.

Duras (Dientes cortos)

Dientes bastante cortos y con poco espaciamiento; a fin de lograr la resistencia necesaria para triturar la roca, aplicando altos pesos y bajas velocidades de rotación.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación.

Estructura de Corte

• Barrenas Tricónicas: Insertos Formaciones

Descripción

Blandas (Dientes afilados)

Es el mas efectivo en formaciones relativamente blandas. Es más resistente, por lo tanto rota mayor tiempo a una ritmo de penetración competitivo.

Fracturadas y/o Intercaladas (Forma cónica) Medianamente Duras (Dientes acincelados)

Incrementan la capacidad de carga de los cojinetes, lo que lo convierte en el cortador ideal para formaciones con fracturas e intercalaciones de arena. Para perforar formaciones poco duras con barrenas cuya geometría se diseña para que ejerzan una acción moderada de paleo y raspado.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: En formaciones blandas se utilizan dientes largos y agudos, con excentricidad en los conos. En este tipo de formaciones se recomienda perforar con poco o moderado peso sobre barrena y alta velocidad de rotación RPM, ya que el exceso de peso evita la limpieza de los dientes y ocasiona el embolamiento de la barrena.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: En formaciones menos blandas se utilizan dientes largos y agudos, con excentricidad en los conos. En este tipo de formaciones se recomienda perforar con poco o moderado peso sobre barrena y alta velocidad de rotación RPM, ya que el exceso de peso evita la limpieza de los dientes y ocasiona el embolamiento de la barrena.

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas Tricónicas: Excentricidad de los conos. • Se refiere al ángulo o espacio de separación que forman los ejes de rotación de los conos con respecto al eje de rotación de la barrena. La excentricidad permite que el cono se detenga periódicamente cuando la barrena gira alrededor de su eje. Este efecto hace que se incremente la velocidad de penetración

Equipos de Perforación • Sistema de Rotación. • Barrenas: Cojinetes y sellos. • Los cojinetes funcionan como ejes alrededor de los cuales giran los conos. Estos elementos se diseñan tomando en cuenta la velocidad de rotación (RPM) y el peso sobre la barrena (WOB). • El sello generalmente es un elastómero el cual no permite el contacto entre el fluido de perforación ...