Capitulo 1 - Perforación Rotaria

Ingeniería de Perforación Aplicada

Adam T. Bourgoyne Jr.Profesor de Ingeniería Petrolera, Luisiana Estado U.

Keith K. MillheimGerente- Instalaciones Perforación Critica, Amoco Production Co.

F. S. Young Jr.Presidente, Woodway Energy Co.

Primera ImpresiónSociedad de Ingenieros PetrolerosRichardson, TX1986

Capitulo 1

Proceso Perforación Rotaria

Los objetivos de este capitulo son (1) el familiarizar al estudiante con el equipo básico de perforación rotaria, así como, con los procedimientos operativos e (2) introducir al estudiante al análisis del costo de perforación.

1.1 Equipo de PerforaciónLas grandes inversiones que requieren de la perforación para la búsqueda de gas y petróleo son hechas principalmente por compañías petroleras. Las Compañías pequeñas de petróleo invierten mayormente en la perforación superficial, pozos más económicos perforados en tierra en los Estados Unidos. Inversiones de costos altos de perforación en agua y pozos no Americanos, pueden ser costeados únicamente por compañías petroleras grandes. Los gastos de perforación se han vuelto tan altos en muchas áreas que varias compañías grandes, frecuentemente, forman grupos para compartir los riesgos financieros. Muchos talentos especializados son requeridos para que la perforación de un pozo sea de forma segura y económica. Como en la mayoría de industrias complejas, diferentes compañías de servicios, contratistas y asesores, cada uno con su propia organización, han surgido para brindar los servicios y características necesaria. Grupos especializados también han surgido dentro de las grandes compañías petroleras. Un equipo de Ingenieros de Perforación es usualmente identificado como uno de estos grupos. Un pozo es clasificado como un pozo exploratorio si su propósito es el descubrir una nueva reserva de petróleo. Por el contrario, el propósito de un pozo de explotación es de explotar una reserva conocida. Usualmente el grupo de geólogos recomienda las ubicaciones de los pozos exploratorios, mientras que, el grupo de Ingenieros de Reservorio recomienda las ubicaciones de pozos a ser desarrollados. El grupo de Ingenieros de Perforación realiza los diseños preliminares del pozo, así como, los costos estimados para el pozo propuesto. El grupo Legal asegura los derechos de perforación y producción necesarios, y establece el titulo de dominio necesario, así como, el derecho de vía correspondiente.Los peritos establecen y participan la ubicación del pozo. Usualmente la perforación es llevada a cabo por un contratista encargado de la perforación.Una vez la decisión de perforar el pozo es tomada por la gerencia, el grupo de ingenieros de perforación prepara un diseño de pozo más detallado y detalla las especificaciones del contrato. El equipo y los procedimientos que el operador requiera, junto con una descripción del pozo, deberán ser incluidas en las especificaciones del contrato y en el contrato de perforación. En áreas en las cuales experiencias anteriores, han demostrado que la perforación es una rutina, las bases del contrato podrían ser el

Cuando el pozo esta siendo financiado por más de una compañía, el plan de perforación, así como, el contrato de perforación deberán ser aprobados por los Ingenieros de Perforación en representación de las diferentes compañías involucradas. Antes que el contratista encargado de la perforación pueda comenzar, el área de la superficie debe de ser preparada para poder acomodar la torre especifica. Pozos de agua pueden tener que ser perforados para abastecer los requerimientos de la operación de perforación. La preparación de la superficie deberá de ser la más adecuada para el terreno local y los problemas de abastecimiento; que varían ampliamente de área a área. En marshland al sur de Louisiana, la perforación usualmente es llevada a cabo mediante el uso de una barcaza tierra adentro. La única preparación requerida es el dragado de una separación para permitir el movimiento de la barcaza a la ubicación. En contraste, la preparación para la perforación en las Islas Canadienses, requiere de la construcción de una plataforma de hielo hecha por la mano del hombre, gran cantidad de provisiones, y facilidades para el almacenaje. La Fig. 1.1 muestra una barcaza tierra adentro ubicada en el área de marsh al sur de Louisiana y la Fig. 1.2 muestra un área de perforación en las Islas Canadienses. Después que la perforación comienza, la mano de obra requerida para la perforación del pozo y para resolver cualquier problema de perforación que ocurra es brindada por (1) el contratista de la perforación (2) el operador del pozo, (3) diferentes compañías de servicios de perforación, y (4) consultores especiales. La autoridad final corresponde, ya sea al contratista de la perforación cuando la perforadora esta perforando sobre la base de un costo por pie o al operador del pozo cuando la perforadora esta perforando sobre la base de un costo por día. La Fig. 3 muestra una organización típica de perforación, frecuentemente usada por el contratista de la perforación y por el operador del pozo cuando un pozo esta siendo perforado sobre la base de un costo por día. El Ingeniero de Perforación recomienda los procedimientos de perforación a seguir que permitan que el pozo sea perforado de la forma más segura y económica posible. En muchos casos, el plan original del pozo debe de ser modificado de acuerdo al progreso de la perforación, debido a circunstancias no previstas. Estas modificaciones también son la responsabilidad del Ingeniero de Perforación. El representante de la compañía, usando el plan del pozo, toma las decisiones concernientes a las operaciones de perforación y de otros servicios requeridos. La operación de la perforadora y el personal

costo por pie de cada hoyo perforado. En las áreas, en las cuales el costo no puede ser estimado con una certeza razonable, usualmente las bases del contrato son con un precio por día. En algunos casos, el contrato se basa en el costo por pie perforado hasta una profundidad o una formación determinada y costo por día sobre la base de ese punto.

supervisor de la perforadora son la responsabilidad del jefe de la cuadrilla de perforación.

INGENIERIA DE PERFORACIÓN APLICADA

Fig. 1.1 – Barcaza de Perforación de Texaco Fig. 1.2 – Plataforma de hielo hecha por la mano

Ubicada en Gibbeons en el Campo del hombre en aguas profundas en las

Laftte, Louisiana. Islas Canadienses.

Fig. 1.3 Organización de Perforación Típica

PROCESO DE PERFORACIÓN ROTARIA

Fig. 1.4 – El Proceso de Perforación Fig. 1.5 – Clasificación de Torres de Perforación

Rotaria Rotaria

1.2 Torres de PerforaciónLas torres de perforación rotaria son usadas para casi todas las perforaciones realizadas hoy en día. Un bosquejo ilustrando del proceso de perforación rotaria es mostrado en la Fig. 1.4. El

perforadora son montados sobre plataformas de tal manera que la perforadora pueda ser movida por unidades y conectada fácilmente. La torre plegable (Fig. 1.6) es ensamblada en el suelo con pernos y luego elevada como una unidad usando

hoyo es perforado mediante la rotación de una broca a la cual se le aplica una fuerza descendente. Generalmente, la broca es volteada mediante la rotación total de la sarta de perforación, mediante el uso de una mesa rotatoria en la superficie, y la fuerza descendente es aplicada a la broca mediante el uso de tuberías de paredes gruesas y pesadas por secciones, llamadas cuellos de tubería en la sarta de perforación por encima de la broca. Las cortaduras son elevadas a la superficie mediante la circulación de un fluido por la sarta de perforación, a través de la broca, y arriba del espacio anular entre el hoyo y la sarta de perforación. Las cortaduras son separadas del fluido de perforación en la superficie. Como se muestra en la Fig. 1.5, las perforadoras rotarias pueden ser clasificadas ampliamente como perforadoras terrestres o perforadoras marítimas. Las principales características del diseño de las perforadoras terrestres son la portabilidad y máxima profundidad operativa. La torre de la perforadora terrestre convencional debe de ser construida en la ubicación. En muchos casos la perforadora es dejada en el hoyo después de que el pozo es completado. Al inicio de la perforación, muchas de estas torres de perforación estándar, eran construidas muy cerca una de la otra de acuerdo a la explotación del campo. Sin embargo, debido a los altos costos de construcción, la mayoría de las perforadoras terrestres son construidas de tal forma que la torre pueda ser movida fácilmente y usada nuevamente. Los diversos componentes de la Cuando la profundidad del agua es menor a 350 pies, torres apoyadas en el fondo pueden ser usadas. El tipo mas común de torres movibles apoyadas en el fondo es la perforadora por bombeo (Fig. 1.8). La perforadora por bombeo es remolcada a la ubicación con las patas de la torre elevadas. Una vez en la ubicación, las patas son bajadas al fondo y la plataforma es bombeada por encima de la actividad de las olas mediante bombas hidráulicas. Las perforadoras semi sumergibles que pueden ser inundadas de una forma similar a la barcazas de tierra adentro pueden perforar reposando en el fondo, así como, en una posición flotante. Sin embargo, las perforadoras semi sumergibles modernas (Fig. 1.9) son usualmente mas caras que las perforadoras por bombeo, y son usualmente usadas en profundidades muy grandes en las cuales no pueden ser reposadas en el fondo. Actualmente, la mayoría de las perforadoras semi sumergibles son ancladas en el hoy. Unas cuantas semi sumergibles usan grandes bombas para posicionar dinámicamente la perforadora en el hoyo. Esto puede extender grandemente la profundidad operativa. Algunas de estas perforadoras pueden ser usadas en grandes profundidades hasta de 6,000 pies. La forma de una perforadora semi sumergible tiende a hacer menos violento el movimiento de las olas sin importar la dirección de las mismas. Esto permite su uso

el equipo de elevación. La portátil (Fig. 1.7), la cual es apropiada para pozos de profundidad moderada, usualmente es montada en carritos rodantes o traileres que tienen incorporados la maquinaria de elevación, motores y torres de perforación como unidades únicas. La perforadora portátil compactada es elevada a la posición vertical y luego extendida a la altura máxima por pistones hidráulicos en la unidad. Las principales características del diseño de las perforadoras marítimas son la portabilidad y máxima profundidad operativa en el agua. Las barcazas de perforación sumergibles son generalmente usadas para la perforación mar adentro donde la actividad de las olas no es severa y la profundidad de las aguas es menor a 20 pies. Toda la perforadora es ensamblada en la barcaza y la unidad es remolcada a la ubicación, así como, hundida por medio de la inundación de la barcaza. Una vez que la perforación es completada, el agua es bombeada fuera de la barcaza, permitiéndole ser movida a la siguiente ubicación. Después que el pozo es completado, una plataforma deberá ser construida para proteger el cabezal del pozo, y para servir de soporte del equipo de producción en la superficie. En algunos casos, la profundidad operativa en el agua ha sido extendida hasta 40 pies reposando la barcaza en una pared interna construida en el fondo del mar. La perforación exploratoria mar adentro, usualmente es realizada mediante perforadoras autónomas que pueden ser movidas fácilmente. en áreas tales como el Mar del Norte donde la actividad de las olas es severa. Un segundo tipo de embarcación flotante es usada en la perforación en el mar que es el buque para perforación (Fig. 1.10). Los buques para perforación son usualmente mucho menos costosos que las semi sumergibles a menos que estén diseñadas para ser posicionadas dinámicamente. Unas cuantas embarcaciones para perforación que están siendo planificadas podrán operar en profundidades de agua hasta de 13,000 pies. Algunas son diseñadas con el equipo de perforación y sistema de anclaje montado en una torre central. La embarcación es rotada alrededor de la torre central usando propulsores de tal forma que la embarcación siempre enfrente a las olas que ingresan. Esto ayuda a hacer menos violento el movimiento de las olas. Sin embargo, el uso de embarcaciones para la perforación usualmente esta limitado a áreas en donde la actividad de las olas no es severa. El desarrollo de la perforación en el agua usualmente es hecho desde plataformas fijas. Después de que el programa de perforación exploratoria indica la presencia de reservas de petróleo suficientes para justificar los costos de construcción, una o mas plataformas desde las cuales varios pozos direccionales pueden ser perforados, son construidas y puestas en la ubicación.

Fig. 1.6 Perforadora plegable ubicada en Fig. 1.8 Perforadora Elevada Mr. Mel ubicada

el campo Port Hudson, Louisiana. en la Isla Eugene, Louisiana


Fig. 1.7 – Torre portátil siendo transportada Fig. 1.9 – Una torre semisumergible en la

ubicación.

Usualmente los componentes varios de la perforadora son integrados dentro de unos cuantos módulos grandes que una barcaza de perforación puede rápidamente ubicar en la plataforma. Las plataformas grandes permiten el uso de perforadoras autónomas, todos los componentes de la perforadora son ubicados en la plataforma (Fig. 1.11). Una plataforma flotante puede ser usado para plataformas pequeñas. La plataforma flotante de la perforadora, la cual es una pequeña embarcación anclada junto a la plataforma, contiene las áreas de alojamiento, así como, muchos de los componentes de la perforadora (Fig. 1.12). El tiempo de perforación y el costo operativo será menor para una operación de plataforma/ trasbordador. Sin embargo, parte del tiempo de operación puede ser perdido debido al severo tiempo. Los costos de la plataforma se elevan rápidamente debido la profundidad del agua. Cuando las profundidades del agua son muy grandes para el uso económico de las plataformas de explotación, los pozos en explotación pueden ser perforados desde las embarcaciones flotantes, y desde el equipo del cabezal del pozo ubicado en el suelo del mar. La tecnología submarina es aun relativamente nueva y experimental. A pesar de que las perforadoras difieren grandemente en su apariencia externa y método de despliegue, todas las perforadoras rotarias tienen el mismo equipo de perforación básico. Las principales partes componentes de una perforadora rotaria son (1) sistema de energía,

circulación de flujo (4) sistema de rotación, (5) sistema de control de pozo, y (6) sistema de monitoreo de pozo.

1.3 Sistema de Energía de la Perforadora

La mayoría de la energía de la perforadora es consumida por el sistema de elevación y el sistema de circulación de flujos. Los otros sistemas de la perforadora requieren de mucha menor cantidad de energía. Afortunadamente, el sistema de elevación y el sistema de circulación de flujos no son usados simultáneamente, por lo que las dos bombas pueden desempeñar ambas funciones. El total de energía requerida para la mayoría de perforadoras es de 1,000 a 3,000 hp. Las primeras perforadoras eran suministradas de energía principalmente por energía a vapor. Sin embargo, debido al alto consumo de combustible y a la falta de portabilidad de las grandes caleras de vapor requeridas, las perforadoras suministradas por energía a vapor se han vuelto imprácticas. Las perforadoras modernas son suministradas de energía por medio de bombas de combustión internas de diesel y generalmente se sub clasifican en (1) el tipo eléctrico a diesel o el (2) el tipo directo, dependiendo del método usado para la transmisión de energía a los diversos sistemas de la perforadora. Las perforadoras eléctricas a diesel son aquellas en las cuales las principales bombas de la torre son usadas para generar energía. La energía es transmitida fácilmente a los diversos sistemas de la perforadora, en donde el trabajo

(2) sistema de elevación, (3) sistema de requerido es cumplido a través del uso PROCESO PERFORACIÓN ROTARIA

Fig. 1.10 – Buque de perforación mar adentro Fig. 1.11 – Una perforadora autónoma ubicada

en el área de las Islas Eugene, Louisiana

Fig. 1.12 Plataforma flotante

de motores eléctricos. Los motores de dispositivos directos pueden ser conectados para darle características de un amplio rango de velocidad de torsión que es extremadamente adecuado para las operaciones de elevación y circulación. Los componentes de la perforadora pueden ser empacados como unidades portátiles que pueden ser conectados con enchufes de cables eléctricos conectores. Existe una flexibilidad considerable para la ubicación del equipo, permitiendo un mejor uso del espacio y distribución de peso. Adicionalmente, la energía eléctrica permite el uso de un sistema de control relativamente simple y

Las perforadoras de dispositivos directos logran la transmisión de energía desde las bombas de combustión internas mediante el uso de engranajes, cadenas, correas y embragues en lugar de generadores y motores. El costo inicial de un sistema de dispositivos directos es generalmente menor comparado a un sistema eléctrico a diesel. El desarrollo de dispositivos hidráulicos han mejorado enormemente el desempeño de este tipo de sistema de energía. Los dispositivos hidráulicos reducen los problemas de shock y vibraciones de los sistemas de dispositivos directos. Los convertidores de torsión,

flexible. El perforador puede aplicar energía fluidamente a varios componentes de la perforadora, minimizando los problemas de shock y vibraciones.

que son dispositivos hidráulicos diseñados de tal forma que la salida de torsión aumenta rápidamente con el volumen de carga, actualmente son usados para aumentar las características de la velocidad de torsión de la bomba


interna de combustión a grandes rangos que son más adecuados para las aplicaciones de perforación. El uso de convertidores de torsión también permite la selección de bombas sobre la base de las condiciones de funcionamiento en lugar de las condiciones de arranque. Las características de desempeño del sistema de energía están indicadas en términos de potencia de salida, torsión y consumo de combustible para diferentes velocidades de las bombas. Como esta ilustrado en la Fig. 1.13, la potencia del eje desarrollada por una bomba es obtenida del producto de la velocidad angular del eje, , y la torsión de salida T:

P=T. ............................................................... (1.1)

La eficacia de la energía total determina el rango de consumo de combustible w a una velocidad determinada de la bomba. El calor de combustión H de diferentes gasolinas para bombas de combustión internas son mostradas en la Tabla 1.1. La entrada de energía térmica a la bomba, Q i , puede ser expresada por:

Q i = wH. ……………………………………………. (1.2)

Debido a que la eficacia de la energía total del sistema , es definida como la energía de salida por ingreso de energía, entonces:

= P, ...................................................... (1.3) Qi

TABLA 1.1 – CALOR DE COMBUSTION DE DIFERENTES COMBUSTIBLES

Fig. 1.13 – Salida Energía de Bomba

TIPO DE COMBUSTIBLE

DENSIDAD (IBM/GAL)

CALOR DE COMBUSTIÓN (BTU/IMB)

Diesel 7.2 19,000Gasolina 6.6 20,000Butano 4.7 21,000Metano - 24,000

Fig. 1.14 – Realizando una conexión

PROCESO DE ROTACIÓN ROTARIA

Ejemplo 1.1 Una bomba a diesel otorga una salida de torsión de 1,740 ft-lbf a una velocidad de 1,200 rpm. Si el rango de consumo de combustible fue 31.5 gal/hr. Cuál sería la salida de energía y eficacia total de la bomba?

Solución: La velocidad angular, , es dada por:

= 2(1,200) = 7,539.8 rad / min.

La salida de energía puede ser computada usando Eq. 1.1.:

= 7,539.8 (1740) ft – lbf / min 33,000 ft-lbf/min/hp

Debido a que el tipo de combustible es el diesel, la densidad es 7.2 lbm/gal y el calor de combustión es 19,000 Btu/lbm (Tabla 1.1). Por lo tanto, el rango de consumo de combustible es

= 31.5 gal/hr (7.2 lbm/gal) (1hora)(60 minutos)

= 3.78 lbm / min.

El total del calor de combustión consumido por la bomba es dado por Eq. 1.2:Q i = wH

= 3.78 lbm/Min. (19,000 Btu/lbm) (779 ft-lbf/Btu) 33,000 ft-lbf / min / hp= 1,695.4 hp.

Por lo tanto, la eficacia total de la bomba a 1,200 rpm dada por ala Eq. 1.3 es

= P, = 397.5 = 0.234 o 23.4% Qi 1695.4

1.4 Sistema de Elevación

La función del sistema de elevación es de proveer un medio para bajar o elevar las sartas de perforación, tuberías de revestimiento, y otros equipos de superficie dentro o fuera del hoyo. Los principales componentes del sistema de elevación son (1) la torre de perforación e infraestructura, (2) la polea compuesta y (3) el malacate. Dos operaciones de perforación rutinarias realizadas con el sistema de elevación son llamadas (1) realizando una conexión (2) realizando un viaje. Realizando una operación se refiere al proceso periódico de añadir una nueva articulación a la tubería de perforación de acuerdo a como el hoyo se va profundizando. Este proceso es descrito en la Fig. 1.14. Realizando un viaje se refiere al proceso de remover la sarta de perforación del hoyo para cambiar una porción del ensamblaje del fondo del pozo y luego volver a bajar la sarta de perforación al fondo del pozo. Un viaje es realizado usualmente para cambiar una broca. Los pasos involucrados en la salida del hoyo están mostrados en la Fig. 1.15.

Fig. 1.15 Salida del hoyo

INGENIERÍA DE PERFORACIÓN APLICADA

Fig. 1.16 Esquema de la Polea Compuesta

1.4.1 Torre de perforación o Mástil Portátil

La función de la torre de perforación es de proveer la altura vertical requerido para elevar secciones de la tubería desde o bajarlas dentro del hoyo. Cuanto mayor sea la altura, la sección de la tubería a ser manejada puede ser más larga, por lo tanto, es mas rápido insertar una tubería o removerla del hoyo. Las sartas de tuberías usadas mayormente son entre 27 y 30 pies de largo. Las torres de perforación que pueden manejar secciones llamadas lingadas, las cuales están compuestas por dos, tres o cuatro sartas de tuberías conjuntas, se dice son capaces de jalar dobles, triples y cuádruples respectivamente. Adicionalmente a su altura, las torres de perforación son calificadas de acuerdo a su resistencia a las cargas compresivas y al viento. Usualmente los vientos permitidos se determinan con la sarta de perforación dentro del hoyo y con la sarta de perforación en la sección de la torre de perforación. Cuando la sarta de perforación esta en la torre reposando sobre la plataforma de tuberías, un momento de volteo es aplicado a la torre en ese punto. Las calificaciones del viento deben de ser computadas asumiendo que el viento esta en la misma dirección que el momento de volteo. Anclas atadas con alambres a cada pata de la torre son usadas para aumentar la calificación de pequeñas torres portátiles. El Instituto Americano de Petróleo (API) ha publicado estándares relacionados a las especificaciones y calificaciones de las torres de perforación. Para proporcionar espacio de trabajo debajo del suelo de la torre de perforación para válvulas de control de

presión llamadas preventores de explosión, usualmente la la torre es elevada por encima del nivel del suelo colocándola en una subestructura. La subestructura debe de soportar no solamente a la torre de perforación con su carga sino también el peso de otras piezas grandes del equipo. El Instituto Americano de Petróleo recomienda calificar la capacidad de soporte de carga de la subestructura de acuerdo a lo siguiente: (1) el máximo de peso de tuberías que pueden ser colocadas en la torre como carga adicional, (2) el máximo de peso de una tubería que puede ser suspendida en la mesa rotatoria (independientemente de la carga adicional), y (3) la capacidad de carga de cada esquina (máximo de carga que puede soportar cada esquina). Así mismo, en los estándares del Instituto Americano de Petróleo, tres tipos de subestructuras han sido adoptadas. Adicionalmente, muchos diseños que no son del Instituto Americano de Petróleo están disponibles. La opción del diseño normalmente depende del alto del preventor de explosión y las condiciones locales del suelo.

1.4.2 Poleas Compuestas

La polea compuesta comprende el (1) bloque fijo, (2) la polea viajera, y la (3) línea de perforación. El arreglo y la nomenclatura de la polea compuesta usada en perforadoras rotarias se muestra en la Figura 1.16a. La función principal de la polea compuesta es de proporcionar una ventaja mecánica, la cual permite manejar fácilmente cargas grandes. La ventaja mecánica M de una polea compuesta es simplemente la carga soportada por la polea

PROCESO DE PERFORACION ROTARIA

viajera, W, dividida por la carga impuesta en el malacate, F:

M = W ……………………………..………………….. (1.4)

FLa carga impuesta en el malacate es la tensión en el cable de perforación. La ventaja mecánica ideal, la cual no asume fricción en la polea compuesta, puede ser determinada por un análisis de fuerza de la polea viajera. Considere el diagrama de la estructura de la polea viajera mostrado en la Figura 1.16b. Si no hay fricción en las poleas, la tensión en la línea de perforación es constante. Por lo tanto, un equilibrio de fuerza en la dirección vertical cede.

,F = W ת

donde es el numero de cables jalados a través ת de la polea viajera. Resolver esta relación para la tensión en el cable de perforación y sustituir la expresión resultante en Eq. 1.4.

TABLA 1.2 – FACTORES PROMEDIO DE EFICACIA PARA EL SISTEMA DE LA POLEA

COMPUSTA

Numero de cables Eficacia

aproximados de la eficacia de la polea compuesta para el rodamiento de la misma están mostrados en la Tabla 1.2. El conocimiento de la eficacia de la polea compuesto permite el cálculo de la tensión en el cable de perforación para una determinada carga. Debido a que la eficacia de la energía esta dada por:

E = Ph = W vb, = W υ /n = W Pi F υ Fn

(n) (E)6 0.8748 0.84110 0.81012 0.77014 0.740

Mi = W = nW/n

que indica que la ventaja mecánica ideal es igual al numero de cables jalados entre la polea viajera y el bloque fijo. Se muestran ocho cables entre el bloque fijo y la polea viajera en la Figura 1.16. El uso de 6, 8, 10 o 12 cables es común, dependiendo en la condición de carga. La energía entrante Pi, de la polea compuesta es igual a la carga del malacate F, por la velocidad del cable de perforación υ,

Pi = F υ …………………………………………..…. (1.5)

La energía saliente, Ph, es igual a la carga de la polea viajera W por la velocidad de la polea viajera, vb,

Ph = W vb, ……………………………………….……..(1.6)

Para una polea compuesta con menos fricción, W= F. Así mismo, debido a que el movimiento del תcable de perforación por una distancia unitaria tiende a acortar cada uno de los cables jalados entre la polea fija y la polea viajera, solamente por 1/n veces las distancia unitaria, entonces vb, = υ/n. Por lo tanto, un sistema sin fricción implica que el ratio de la energía saliente a la energía entrante es la unidad:

E = Ph = ( ת F ) (υ /n) = 1 Pi F υ

Obviamente, en un sistema actual, siempre hay una perdida de energía debido a la fricción. Valores

Fig. 1.17 – Proyección de cables de perforación en el piso de la torre

Entonces la tensión en el cable de perforación es:

F = W ........................................................................(1.7) En

La ecuación 1.7 puede ser usada para seleccionar el tamaño de los cables de perforación. Sin embargo, un factor de seguridad debería de ser usado para permitir desgaste de cable y condiciones de carga. La disposición usada en la polea compuesta causa que la carga impuesta en la torre sea mayor a la capacidad de carga. Tal como se muestra en la Figura 1.16c, la carga aplicada Fd a la torre es la suma de la capacidad de carga W, la tensión en el cable muerto, Fs, y la tensión en el cable de perforación F.

Fd = W + F + Fs, …………………………………………. (1.8a)

Si la carga, W, esta siendo elevada por medio del cable de perforación y la tensión en la línea de perforación aumenta de W/n en la primera polea (cable muerto) a W/En en la ultima polea (cable de perforación). Sustituir estos valores para F y Fs, en la Ecuación 1.8a, da

Fd = W + W + W = (1 + E + E/n)W .......................(1.8b) En n En

El total de la carga de la torre no esta distribuida equitativamente en las cuatro patas de la torre. Debido a que el malacate

INGERNIERÍA DE PERFORACIÓN APLICADA

están ubicadas a un lado del piso de la torre, la tensión en el cable de perforación es distribuido entre dos de las cuatro patas. Así mismo, el cable muerte afecta únicamente a la pata a la cual esta amarrado. Los cables de perforación usualmente están dispuestos de acuerdo a la vista del plan de suelo de la torre mostrado en la Figura

1.17. Para estas disposiciones, las patas de la torre C y D compartirían la carga impuesta por la tensión en el cable de perforación, y la pata A asumiría la carga total impuesta por la tensión del cable muerto. La distribución de la carga para cada pata ha sido calculada en la Tabla 1.3.

TABLA 1.3 - EJEMPLO CALCULO DE CARGA POR PATA DE LA TORRE

Carga en cada pata de la torreFuente de

CargaTotal Carga Pata A Pata B Pata C Pata D

Capacidad de carga

W W/4 W/4 W/4 W/4

Cable de perforación

W/En W/2En W/2En

Cable muerto W/n W/nW(n+4)/(4n) W/4 W(En+2)/4En W(En+2)/4En

TABLA 1.4 – VALOR NOMINAL DE LA RESISTENCIA A LA ROTURA DE LA

CLASIFICACION DEL CABLE DE ACERO DE 6x19”, BRILLANTE (OPACO) O ACERO

GALVANIZADO, CABLE DE ACERO INDEPENDIENTE CENTRAL (WRC)

Fuerza NominalDiámetr

o Nominal (ln).

Masa Aproximada (lbm/ft)

Acero Resistent

e Mejorado

(lbf)

Acero Resistente

Extra Mejorado

(lbf)1/2 0.46 23,000 26,6009/16 0.59 29,000 33,6005/8 0.72 35,800 41,200¾ 1.04 51,200 58,800

7/8 1.42 69,200 79,6001 1.85 89,800 103,400

1 1/8 2.34 113,000 130,0001 1/4 2.89 138,800 159,8001 3/8 3.50 167,000 192,0001 1/2 4.16 197,800 228,0001 5/8 4.88 230,000 264,0001 3/4 5.67 266,000 306,0001 7/8 6.50 304,000 348,000

2 7.39 344,000 396,000* Seis cordones conteniendo 18 cables por cordón.

Forma correcta de medir Forma incorrecta de medirel diámetro de un cable el diámetro de un cable deacero. acero.

Fig. 1.18 – Medición del diámetro del cable de acero.

Observe que para E≥0.5, la carga en la pata A es mayor que la carga en las otras tres patas. Debido a que si cualquiera de las patas falla, toda la torre también falla, es conveniente definir un equivalente máximo de la carga de la torre, F de, el cual es igual a cuatro veces el máximo de una carga por pata. Para la disposición del cable de perforación usual mostrado en la Fig. 1.17.

F de= (n+4)W ………………………………………….(1.9) n

Un parámetro usado algunas veces para evaluar diferentes disposiciones de cables de perforación es el factor de eficacia de la torre, definido como el ratio de la carga actual de la torre al máximo equivalente de la carga. Para un máximo de carga dado por la ecuación 1.19, el factor de eficacia de la torre es:

(1 + E + En)WEd = Fd = ( En ) = E(n+1) + 1 F de (n+4)W E(n+4) n

Para los valores dados en la tabla 1.2 de la eficacia de la polea compuesta, la eficacia de la torre aumenta con el número de cables jalados entre la polea fija y la polea viajera. El cable de perforación esta sujeto a un servicio intenso durante las operaciones normales de desenganche. Fallas en el cable de perforación pueden resultar en (1) lesiones en el personal de perforación, (2) daños a la perforadora, y (3) pérdida de la sarta de perforación en el hoyo. Por lo tanto, es importante mantener la tensión del cable de perforación por debajo del valor nominal de la resistencia a la rotura, así como, mantenerlo en buenas condiciones. El valor nominal de la resistencia a la rotura (nuevo) para un tipo de cable de acero comúnmente usado para el cable de perforación es mostrado en la tabla 1.4 para diferentes diámetros de cables. El método correcto para medir el diámetro del cable de acero es ilustrado en la Figura 1.18. El cable de perforación no tiende a desgastarse uniformemente a lo largo de toda su longitud. El desgaste mas grave ocurre en los puntos de aceleración en las poleas y en los puntos soldados en el tambor del malacate. Los puntos de aceleración son los puntos en el


cable de perforación que están arriba de las poleas fijas o debajo de las poleas viajeras cuando el peso de la sarta de perforación es elevado desde sus soportes en la mesa rotatoria durante las operaciones de desenganche. La rápida aceleración de la pesada sarta de perforación causa una tensión grave en estos puntos. Los puntos soldados, son los puntos en el cable de perforación donde existe una nueva capa o soldadura de cable de acero en el tambor del malacate.El cable de perforación es mantenido en buenas condiciones siguiendo un horario del programa deslizamiento y corte del cable. El deslizamiento del cable de perforación involucra soltar el ancla del cable muerto y colocar unos cuantos pies de cable nuevo en servicio desde la rueda de almacenaje. El cortar el cable de perforación involucra remover el cable del tambor del malacate y cortar una sección de cable del final. El deslizamiento del cable de perforación cambia los puntos de aceleración, y cortar el cable cambia los puntos soldados. El cable muchas veces es deslizado varias veces antes de ser cortado. Se debe de tener cuidado en no deslizar el cable un múltiplo de distancia entre los puntos de aceleración. De otra forma, los puntos de máximo desgaste son solamente desplazados de una polea a la otra. Así mismo, se debe de tener cuidado al momento de cortar el cable de no cortar una sección equivalente a la longitud de un múltiplo de la distancia entre los puntos soldados. El Instituto Americano de Petróleo ha adoptado un programa de deslizamiento y corte de cables para los cables de perforación. El parámetro adoptado para evaluar el número de cables en servicio es el tonelada-milla. Se dice que el cable de perforación ha rendido una tonelada – milla de servicio de distancia cuando la polea viajera se ha movido 1 tonelada de distancia de una milla Americana. Se debe de observar que para simplicidad este parámetro es independiente del número de cables jalados. Se deben de mantener los registros de las toneladas – millas, para poder realizar un programa de deslizamiento y corte de cables satisfactorio. Los dispositivos que automáticamente acumulan las toneladas – millas entre los cortes variara de acuerdo a las condiciones de perforación y al diámetro del cable de perforación y deberán ser determinadas a través de la experiencia en este campo. En el caso de la perforación en roca dura, los problemas de vibraciones pueden ocasionar un desgaste mas rápidos en los cables que cuando las rocas son relativamente suaves. Los rangos típicos de toneladas – millas entre cortes usualmente oscilan entre más o menos 500 para 1-en, diámetro del cable de perforación a 2,000 por 1.375-en, diámetro del cable de perforación.

Ejemplo 1.2. Una torre debe de elevar una carga de 300,000 lbf. El malacate puede proporcionar una energía entrante al sistema de la polea compuesta de hasta 500 hp. Ocho cables son jalados entre la polea fija y la polea viajera. Calcular (1) la tensión estática en el cable de perforación cuando el movimiento ascendente es inminente, (2) la máxima potencia del gancho

suelo de la torre esta dispuesto de acuerdo a lo mostrado en la Figura 1.17.

Respuesta.1. La eficacia de la energía para n=8 esta dado como 0.841 en la Tabla 1.2. La tensión en el cable de perforación es dada por la ecuación 1.7.

F = W = 300,000 = 44,590 lbf En 0.841(8)

2. La máxima potencia del gancho, disponible es:

Ph = E* Pi = 0.841(500) = 420.5 hp

3. La máxima velocidad de elevación esta dada por:

(33,000ft-lfb/min.)vb, = Ph = 420.5 hp ( hp ) W 300,000 lbf

Para jalar una lingada de 90 pies, se requiere:

t = 90 ft = 19 min. 46.3 ft/min.

4. La carga actual de la torre es dada por la ecuación 1.8b:

Fd = (1 + E + En)W En

= (1+0.841+0.841(8)) (300,000) 0.841 (8)

= 382, 090 lbf.

5. El máximo de carga equivalente es dado por la ecuación 1.9:

F de= (n+4)W = 8+ 4 (300,000) = 450,000 lbf. n 8

6. El factor de eficacia de la torre es de:

Ed = Fd = 382,090 = 0.849 o 84:9% F de 450,000

1.4.3 Malacate

Los malacates (Fig. 1.19) proporcionan la energía de elevación y de frenado requeridas para elevar o bajar las pesadas sartas de tuberías. Las partes principales del malacate son (1) el tambor, (2) los frenos, (3) la transmisión, y (4) el carretel de maniobras. El tambor transmite la torsión requerida para la elevación o el freno. También, almacena el cable de perforación requerido para mover la polea viajera a lo largo de la torre. Los frenos deben de tener la capacidad de parar y sostener los grandes pesos impuestos al momento de bajar una sarta de tuberías al hoyo. Frenos auxiliares son usados para ayudar a disipar la gran cantidad de energía


Fig. 1.19 – Ejemplo de malacate usado para

la perforación rotaria.

Fig. 1.20 – Carretel de Maniobras tipo Fricción

Fig. 1.21 – Tenazas potenciadas por cadena al carretel de maniobras.

generada durante el frenado. Dos tipo de frenos auxiliares comúnmente usados son: (1) el tipo hidrodinámico y (2) el tipo electromagnético. Con el tipo hidrodinámico, el frenado es realizado a través de agua impulsada en el sentido contrario a la rotación del tambor. En el caso del tipo electromagnético, el freno eléctrico es proporcionado a través de dos campos magnéticos opuestos. La magnitud de los campos magnéticos depende de la velocidad de rotación y del monto de excitación externa proporcionada. En ambos tipos, el calor desarrollado debe de ser disipado por un sistema de enfriamiento líquido. La transmisión del malacate proporciona la facilidad de poder cambiar fácilmente la dirección y velocidad de la polea viajera. La energía también debe de ser transmitida al carretel de maniobras sujetado a ambos extremos del malacate.

Los carretel de maniobras tipo fricción mostrados en la Figura 1.20 voltean constantemente y pueden ser usados para asistir en la elevación o movimiento de equipos en el suelo de la torre. El numero de vueltas del cable en el tambor y la tensión proporcionada por el operador controla la fuerza del jalado. Un segundo tipo de carretel de maniobras, generalmente ubicado entre la carcasa del malacate y el carretel de maniobras tipo fricción, puede ser usado para proporcionar la torsión requerida para entornillar o desentornillar secciones de la tubería. La figura 1.21 muestra un conjunto de tuberías de perforación siendo ajustadas con tenazas potenciadas por una cadena desde el carretel de maniobras. Los dispositivos de rotación y torsión hidráulica o potenciada por aire también están disponibles como alternativas a las tenazas convencionales. Un tipo de tenaza es mostrado en la Figura 1.22.

1.5 Sistema de Circulación

Para un mejor funcionamiento del sistema de circulación de fluidos es mejor remover las rocas del hoyo de acuerdo al progreso de la perforación. Un diagrama esquemático ilustrando un típico sistema de circulación de la torre es mostrado en la Figura 1.23. El fluido de perforación es comúnmente una mezcla de arcilla con otros materiales en el agua, y es llamado lodo de perforación. El lodo de perforación viaja (1) desde los tanques de acero a la bomba de lodo, (2) desde la bomba a través de las conexiones de la superficie de alta presión a la sarta de perforación, (3) a través de las sartas de perforación a la broca, (4) a través de las boquillas de la broca y por arriba del espacio anular entre la sarta de perforación y el hoyo a la superficie, y (5) a través del equipo de contaminantes removibles de regreso al tanque de succión. Los principales componentes del sistema de circulación de la torre incluyen (1) bombas de lodo, (2) brocas de lodo, (3) equipo mezclador de lodo, y el (4) equipo de contaminantes removibles. Con la excepción de varios tipos experimentales, las bombas de lodo siempre han usado pistones de desplazamiento positivo reciproco. Tanto las bombas de dos cilindros (dobles) como las de tres

cilindros (triples) son comunes. Las bombas dobles generalmente son bombas de doble acción que bombean tanto hacia delante como hacia atrás. Las bombas triples generalmente son bombas de simple acción que solo bombean hacia delante. Las bombas triples son mas


livianas y mas compactas que las bombas dobles, sus pulsaciones de presión saliente no son tan grandes, y son mas económicas para operar. Por estas razones, la mayoría de las bombas nuevas que son colocadas en las operaciones son del diseño triple. Las ventajas de las bombas con pistones de desplazamiento positivo reciproco son (1) la habilidad de mover fluidos de alto contenido sólido cargados con abrasivos, (2) la habilidad de bombear grandes partículas, (3) facilidad de operación y mantenimiento, (4) flexibilidad, y (5) la habilidad de operar a través de un amplio rango de presión y fluido por medio del cambio de los diámetros de la camisa (cilindros de compresión) y pistones. Ejemplos de las bombas dobles y triples se muestran en la Figura 1.24. La eficacia total de una bomba circulatoria de lodo es el producto de la eficacia mecánica y volumétrica. La eficacia mecánica usualmente se asume que es del 90% y esta relacionada a la eficacia del motor primario y la conexión a la bomba del eje de mando. La eficacia volumétrica de una bomba en la cual su succión es adecuadamente cargada, puede ser de hasta el 100%. La mayoría de las tablas de rangos de bombas de los fabricantes, usan una eficacia mecánica, Em, del 90% y una eficacia volumétrica, Ev, del 100%. Generalmente, dos bombas de circulación son instaladas en la torre. Para los hoyos de grandes dimensiones usados en las porciones poco profundas de la mayoría de pozos, ambas bombas pueden se operadas en paralelo para alcanzar los altos rangos de fluido requeridos. En las porciones mas profundas del pozo, únicamente se necesita una bomba, y la segunda bomba sirve como reemplazo de la primera cuando se requiera el mantenimiento de la misma. Un diagrama esquemático con la disposición de la válvula y la operación de la bomba de doble acción se muestra en la Fig. 1.25. El desplazamiento teórico de una bomba de doble acción es una función al diámetro del pistón dr, diámetro de la tubería dl, y la longitud del pistón Ls. En cada pistón que va hacia delante, el volumen de desplazamiento es dado por:

๙ dl,2 Ls.4

Fig. 1.22 – Tenazas de la tubería de perforación

Fig. 1.23 – Sistema de circulación para fluidos de perforación.

(a) Diseño Doble (b) Diseño Triple

Fig. 1.24 – Ejemplo de bombas de circulación de lodo.INGERNIERÍA DE PERFORACIÓN APLICADA

Simultáneamente en cada pistón que va hacia atrás, el volumen desplazado es dado por:

๙ (dl2 – dr

2 )Ls.4

Por lo tanto, el total del volumen desplazado por cada ciclo completo de la bomba por una bomba dedos cilindros, esta dado por:

Fp = ๙ (2)Ls(2 dl2 - dr

2)Ev , …………………….. (1.10)

4 (doble)

Donde Ev, , es la eficacia volumétrica de la bomba. El desplazamiento de la bomba por ciclo, Fp, es comúnmente llamado el factor de bombeo. Para l bomba de simple acción (triple), el volumen desplazado por cada pistón durante un ciclo completo de bombeo es dado por:

๙ dl2Ls.

4

Por lo tanto, el factor de bombeo para una bomba de simple acción, con tres cilindros viene a ser:

Fp = 3 ๙ LsEv dl2, ……………………….…………..

(1.10)4 (triple)

El rango de fluido q de la bomba es obtenido multiplicando el factor de bombeo por N, el número de ciclos por cada unidad de tiempo. En el uso común del campo, los términos ciclo y pistón son usados intercambiablemente para referirse a una revolución completa de la bomba. Las bombas son calificadas por (1) energía hidráulica, (2) presión máxima, y (3) máximo rango de fluido. Si la admisión de presión de la bomba es esencialmente presión atmosférica, el aumento en la presión del fluido en movimiento hacia la bomba es aproximadamente igual a la presión descargada. La energía hidráulica saliente de la bomba es igual a la presión descargada por el rango de fluido. En unidades de campo de hp

compensación amortiza grandemente la presión desarrollada por la bomba de desplazamiento positivo. El tubo de descarga también contiene una válvula de liberación de presión para prevenir la ruptura de la tubería en el caso que la bomba sea iniciada contra una válvula cerrada. La tubería vertical y la manguera rotatoria proporcionan una conexión flexible que permite el movimiento vertical de l sarta de perforación. La cabeza giratoria contiene un rodamiento de rodillos para soportar la carga rotaria de la sarta de perforación y un sello de de presión rotatoria que permite una circulación fluida a través de la cabeza giratoria. La barra giratoria, la cual es una tubería rectangular o hexagonal en corte transversal, permite que la sarta de perforación sea rotada. Normalmente tiene un pasaje de 3 pulgadas de diámetro para la circulación del fluido a la sarta de perforación.

Ejemplo 1.3: Calcule el factor de bombeo en unidades de barriles por pistón para una bomba doble que tiene tuberías de 6.5 pulgadas y varillas de 18 pulgadas, pistones de 18 pulgadas, y una eficacia volumétrica del 90%.

Respuesta:

Fp = ๙ LsEv (2 dl2 - dr

2)2

= ๙ (18)(0.90)[2(6.5)2 – (2.5)2] 2

= 1991.2 pulgadas 3 / piston

= 0.2052 bbl/piston

Las fosas de lodo son requeridas para retener un exceso de lodo de perforación en la superficie. Este volumen en la superficie otorga tiempo para

psi, y gal/min, la energía hidráulica desarrollada por la bomba, esa dada por:

PH = Δpq ……………………………………………..(1.12) 1714

Para un nivel de energía dado, el máximo de descarga de presión y rango de fluido puede variar por el cambio del rango del pistón y el tamaño del cable. Un cable pequeño permitirá al operador obtener una mayor presión, pero un rango menor. Debido a problemas de mantenimiento de equipo, presiones menores a 3,500 psig raramente son usadas.El conducto del fluido conectando a las bombas de lodo a la sarta de perforación incluyen (1) una cámara de compensación, (2) una tubería de paredes pesadas de 4 a6 pulgadas que conecta la bomba con una bomba de múltiple de distribución ubicada en el suelo de la torre, (3) una tubería vertical y una manguera rotatoria, (4) una cabeza giratoria, y (5) una barra giratoria. La cámara de compensación (ver figura 1.26) contiene un gas en la porción superior, que es separado del fluido liquido por medio de un diafragma flexible. La cámara de

la calibración de las rocas delgadas y para la liberación de las burbujas de gas arrastradas que no están mecánicamente separadas. Así mismo, en el caso que un poco de fluido de perforación se pierda en una formación subterránea, esta pérdida de fluido es reemplazada por lodo de las fosas de la superficie. Las fosas de sedimentación y succión algunas veces son excavadas en fosas de tierra con una excavadora mecánica, pero comúnmente son hechas de acero. Una gran reserva de fosas de tierra es proporcionada para fluidos de perforación contaminados o descargados y para las rocas. Esta fosa también es usada para contener cualquier formación de fluidos producida durante las operaciones de perforación y pruebas de pozo. Los aditivos de lodo seco frecuentemente son almacenados en sacos, los cuales son añadidos manualmente a la fosa de succión usando una tolva mezcladora. Sin embargo, en muchas torres modernas un almacén de basura es usado y la mezcla del lodo es automatizada. Los aditivos de lodo líquido pueden ser añadidos a la fosa de succión desde un tanque químico. Los chorros de


(a) Diseño de doble acción (doble) (b) Diseño de acción simple (triple)

Fig. 1.25 Esquemática de la operación de válvula de bombas de acción simple y doble.

lodo o agitados a motor usualmente son montados en las fosas para mezclas auxiliares. El equipo removedor de contaminantes incluye dispositivos mecánicos para remover sólidos y gases de el lodo. Los pedazos de roca gruesa y derrumbes son removidos por el colador vibratorio. El colador vibratorio esta compuesto por una o mas cribas vibratorias por las cuales el lodo pasa cuando retorna del hoyo. Un colador vibratorio en operación es mostrado en la Figura 1.27. Una separación adicional de sólidos y gases ocurre en la fosa de sedimentaciones. Cuando la cantidad de sólidos finos en el lodo es muy grande, pueden ser removidos por centrifugas de hidrociclon y de decantación. Un hidrociclon (Fig. 1.28) es un bastidor en forma de cono que imparte un fluido con un movimiento en forma de remolino muy parecido a un tornado. Cuanto mas pesados sean los sólidos en el lodo son enviados al bastidor del hidrociclon y caen a través del ápice al fondo. La mayoría de las partículas liquidas y ligeras salen a través del vértice por la parte superior. La centrifuga de decantación (Figura 1.29) consiste de un tambor rotatorio en forma de cono que contiene una transportadora de tornillo sin fin en su interior. La rotación del cono crea una fuerza centrifuga que bota las partículas mas pesadas a la parte externa del bastidor. La transportadora de rodillo sin fin mueve las partículas separadas a la descargadora. Cuando la cantidad de formación de gases arrastrada dejando la fosa de sedimentación se vuelve muy grande, puede ser separado mediante el uso de un desgasificador. Una cámara al vacío desgasificadora es mostrada en la Figura 1.30. Una bomba al vacío montada arriba de la cámara remueve el gas de la cámara. El lodo fluye a través de superficies planas inclinadas en capas finas, que permite a las burbujas de gas que se han agrandado debido a la presión reducida, se separen del lodo más fácilmente. El lodo es tomado a través de la cámara a una presión reducida de mas o menos 5 psia por un chorro de lodo ubicado en el cable de descarga. Un fluido de perforación gaseoso puede ser usado cuando las formaciones encontradas por la broca tienen una alta resistencia y una permeabilidad extremadamente baja. El uso de gas como un fluido de perforación al perforar las rocas mas sedimentarias resulta en un rango de penetración mucho mas alto que el obtenido usando el

Figura 1.26 – Ejemplo amortiguador pulsatorio

Figura 1.27 – Colador vibratorio en operación.


lodo de perforación. Un orden de diferencia de magnitud en los rangos de penetración puede ser obtenido con el gas si es comparado con el lodo de perforación. Sin embargo, cuando las formaciones encontradas son capaces de producir un volumen significativo de agua, los pedazos de roca tienden a pegarse uno con el otro y ya no es posible de eliminarnos tan fácilmente del hoyo. Este problema algunas veces puede ser resuelto por la inyección de una mezcla de agentes tenso activos y agua dentro del gas para formar un tipo espumoso de fluido de perforación. Los rangos de perforación con la espuma son generalmente menores que con el aire, pero mayores que con agua o lodo. Conforme el rango de producción de agua aumenta, el costo del mantenimiento de la espuma también aumenta y eventualmente compensa el rango de mejoras de perforación. Un segundo procedimiento que usualmente es usado cuando una zona productora de agua es encontrada, es de sellar la zona permeable. Las zonas productoras de agua pueden ser conectadas por medio de (1) plásticos de baja viscosidad o (2) gas silícico tetrafluorurico. Un catalizador inyectado con el plástico causa que el plástico comience a solidificarse al momento del contacto con las formaciones calientes. El gas silícico tetrafluorurico reacciona con las formaciones de agua y precipita el silicio en los espacios porosos de la roca. Los mejores resultados son obtenidos cuando la formación productora de agua es aislada para la inyección de fluido mediante el uso de un tapón. Así mismo, una presión de inyección suficiente deberá ser usada para exceder la presión de la formación. Debido a que esta técnica requiere gastar una cantidad considerable del tiempo de la torre, los costos de aislamiento de numerosas zonas de agua tienden a compensar el rango de mejora de la perforación. Tanto el aire como el gas natural han sido usados como fluidos de perforación. Una compresora reguladora de presión de aire o de gas natural permite que el gas sea inyectado en la tubería vertical con la presión deseada. Un ejemplo de un sistema circulatorio de una torre es mostrado en la Figura 1.31. La presión de inyección usualmente es escogida para que el mínimo de la velocidad anular sea de cómo 3,000 ft/min. También se muestran pequeñas bombas usadas para la inyección de agua y agentes tenso activos dentro de la tubería de descarga. Una cabeza rotatoria instalada debajo del suelo de la torre sella el tapón y previene al gas de regarse por el suelo de la torre. El gas que retorna del espacio anular es después ventilado a través de una línea de desalojo a la fosa de reserva, por lo menos a 200 pies de la torre. Si se usa gas natural, es usualmente quemado continuamente al final de la línea de desalojo. Incluso si se usa el aire, se debe de tener cuidado para prevenir una explosión. Pequeñas cantidades de formaciones de hidrocarburos mezcladas con aire compreso puede ser muy peligroso. El equipo de la sub superficie usado para la perforación con aire es normalmente el mismo que es usado para la perforación con lodo. Sin

Figura 1.28 – Esquemática de Hidrociclon.

Figura 1.29 – Esquemática de una Centrifuga de Decantación.

Figura 1.30 – Esquemática de una cámara desgasificadora al vacío

embargo, en algunas áreas en las cuales la resistencia de la roca es extremadamente alta, una herramienta de percusión


puede ser usada en la sarta de perforación arriba de la broca. Una vista en corte de un dispositivo de percusión es mostrada en la Figura 1.32. El fluido del gas a través de la herramienta causa que un martillo impacte repetidamente en un yunque encima de la broca. La herramienta es similar al martillo de percusión en operación usado por los equipos de constructores para romper el concreto. Con una presión operativa normal de 350 psia, la herramienta de percusión causa que la broca martille la formación a 1,800 golpes/min. en adición a la acción rotaria normal.

1.6 Sistema de Rotación

El sistema de rotación incluye todo el equipo usado para lograr la rotación de la broca. Un diagrama esquemático mostrando la disposición y nomenclatura del sistema rotatorio es mostrado en la Figura 1.33. Las partes principales del sistema rotatorio son la (1) unión giratoria, (2) el tapón, (3) accionamiento rotatorio, (4) mesa rotatoria, (5) tubería de perforación, y (6) el cuello de la tubería de perforación. La unión giratoria (Figura 1.34) soporta el peso de la sarta de perforación y permite la rotación. La pelota de la unión giratoria esta sujetada al gancho de la polea viajera, y la conexión de la unión giratoria proporciona una conexión hacia abajo para la manguera rotatoria. Las uniones giratorias están calificadas de acuerdo a su capacidad de carga. El tapón es la primera sección de la tubería debajo de la unión giratoria. La sección externa cruzada del tapón es cuadrada o hexagonal para permitirle que se agarre fácilmente para la rotación. La torsión es transmitida al tapón a través de los bujes del tapón, que por dentro encajan con los bujes maestros de la mesa rotatoria. El tapón debe de ser mantenido tan derecho como sea posible. La rotación de un tapón enganchado causa un movimiento que resulta en un desgaste innecesario en la polea fija, tubería de perforación, unión giratoria, y conexiones enroscadas en gran parte de la sarta de perforación. Una vista del tapón y del buje del tapón en operaciones es mostrada en la Figura 1.35. La rosca del tapón esta hacia la derecha en el extremo inferior y hacia la izquierda en el extremo superior para permitir la rotación normal hacia la derecha de la sarta de perforación. Un protector de tapón es usado entre el tapón y la primera conexión de la tubería de perforación. Esta

Figura 1.31 Esquemática del Sistema de circulación para la perforación con aire.

Figura 1.32 – Herramienta de percusión usada para la perforación con aire.

corta sección de la tubería relativamente económica previene el desgaste en las roscas del tapón y proporciona espacio para montar un protector plástico para mantener el tapón centrado. Un ejemplo de la mesa rotatoria es mostrado en la Figura 1.36. La abertura en la mesa rotatoria que acepta los pujes del tapón debe de ser suficientemente larga para que la broca mas

Figura 1.33 – Esquemática del Sistema de Rotación.


grande pase para ser corrida en el hoyo. La porción inferior de la abertura es contorneada para sujetar las caídas de la sarta de perforación y para prevenirla de caer dentro del hoyo mientras que una nueva conexión de tubería esta siendo añadida a la sarta de perforación. Un seguro en la mesa rotatoria la previene de voltearse cuando la tubería esta desentornillada sin el uso de tenazas de apoyo. La energía para el manejo de la mesa rotatoria generalmente es proporcionada por un accionamiento rotatorio independiente. Sin embargo, en algunos casos, la energía es tomada del malacate. Una transmisión hidráulica entre la mesa rotatoria y el accionamiento rotatorio es frecuentemente usado. Esto reduce enormemente los choques de carga y previene la torsión excesiva en caso la sarta de perforación se atore. La excesiva torsión generalmente resulta en twist – off, una falla torsional debido a una rotura en la superficie de la sarta de perforación. Las uniones giratorias eléctricas o conexiones de barra eléctricas instaladas debajo de una unión giratoria convencional pueden remplazar al tapón, buje del tapón y mesa rotatoria. La rotación de la sarta de perforación se logra a través de un motor hidráulico incorporado en la unión giratoria eléctrica o en las conexiones de barra eléctricas. Estos dispositivos están disponibles para un amplio rango de combinaciones de velocidad rotaria y torsión. Un tipo de conexión eléctrica es mostrado en la Figura 1.37. La mayoría de la porción de la sarta de rotación esta compuesta por la tubería de perforación. La sarta de perforación en su uso normal, es laminada al calor, y es una tubería sin costura. El Instituto Americano de Petróleo ha desarrollado especificaciones para la tubería de perforación. Las especificaciones de la tubería de perforación son su diámetro exterior, peso por pie, grado de acero,

Figura 1.34 – Vista en Corte de un Ejemplo de la Unión Giratoria.

y rango de longitud. Las dimensiones y resistencia de la tubería de perforación del Instituto Americano de Petróleo para los grados D, E, G y S-135 están mostradas en la Tabla 1.5. La tubería de perforación esta predeterminada de acuerdo a los siguientes rangos de longitud del Instituto Americano de Petróleo:

Rango Longitud (pies)1 18 a 222 27 a 303 38 a 45

El rango 2 de la tubería de perforación es usado comúnmente. Debido a que cada conexión de tubería tiene una longitud única, la longitud de cada conexión debe de ser medida cuidadosamente y registrada para permitir la determinación de la profundidad total del pozo durante las operaciones de perforación. Las conexiones de la tubería de perforación están unidas conjuntamente en la sarta de perforación mediante las herramientas conjuntas (Fig. 1.38). La porción hembra de las herramientas conjuntas es llamada caja y la porción macho es llamada la aguja. La porción de la tubería de perforación a la cual las herramientas conjuntas esta sujeta tiene paredes mas gruesas que el resto de la tubería de perforación para proporcionar una unión mas fuerte. La parte mas gruesa de la tubería de perforación es llamada upset. Si el grosor adicional es alcanzado mediante la disminución del diámetro interno, se dice que

Figura 1.35 – Vista del Tapón y Buje del Tapón.


la tubería de perforación tiene un upset interno. Una rosca de tipo redonda es usada actualmente en la tubería de perforación. El Estándar de rosca V Americano fue usado en los primeros diseños de las tuberías de perforación, pero las fallas en la rosca eran frecuentes debido a la concentración de tensión en la raíz de la rosca. Un carburo de tungsteno resistente al desgaste algunas veces es fabricado en la parte externa de la caja de herramientas conjunta para reducir el desgaste abrasivo de la herramienta unida por la pared de perforación cuando la sarta de perforación esta rotando. La sección inferior de sarta de perforación rotatoria esta compuesta de cuellos de la tubería de perforación. Los cuellos de la tubería de perforación son tubulares de paredes pesadas de acero usados para aplicar peso a la broca. La tendencia de pandeo de la pared relativamente delgada de la tubería de perforación es muy grande como para usarla para este propósito. El poco espacio libre entre el muro de perforación y los cuellos de la tubería de perforación ayuda a mantener el hoyo derecho. Las conexiones estabilizadoras (Fig. 1.39) frecuentemente son usadas en el cuello para ayudar a mantener los cuellos de la tubería de perforación centrados. En muchas operaciones de perforación, un conocimiento del volumen contenido en o desplazado por la sarta de perforación es requerido. El termino capacidad frecuentemente es usado para referirse al área transversal de la

Figura 1.36 – Ejemplo de mesa rotatoria.

tubería o del espacio anular expresado en unidades de volumen contenido por unidad de longitud.En términos del diámetro de la tubería, d, la capacidad de la tubería, Ap, es dada por:

Ap = ๙ d2 …………………………………………. (1.13)

4

Similarmente, la capacidad del espacio anular, Aa, en términos del diámetro interior y exterior, es:

Aa = ๙ (d22 – dl

2…………………………………. (1.14)

4 El termino desplazamiento, usualmente es usado para referirse al área transversal de acero de la tubería expresado en unidades de volumen por unidad de longitud. El desplazamiento, As, de una sección de tubería es dado por:

As = ๙ (dl2 – d2………………………………… .

(1.15) 4 Los desplazamientos calculados en la Ecuación 1.15 no consideran el fluido adicional desplazado por las secciones más gruesas de acero en las herramientas conjuntas o acoplamientos. Cuando un cálculo mas exacto del desplazamiento es requerido, las tablas proporcionadas por los fabricantes de herramientas conjuntas o acoplamientos puede ser usada. La tabla 1.16 otorga valores promedio del desplazamiento para el rango 2 de la tubería de perforación, incluyendo los desplazamientos de las herramientas conjuntas.

Figura 1.37 – Ejemplo de Conexión Eléctrica.


TABLA 1.5 – DIMENSIONES Y RESISTENCIAS DEL INSTITUTO AMERICANO DE PETROLEO PARA LOS UPSET INTERNOS DE LAS TUBERIAS DE PERFORACION

Resistencia a la Tensión *Tamaño Diámetro

Peso por pie con

Diámetro Interno

Diámetro Interno

con

Presión Colapsada * Presión de Fluencia Interna D E G** S-135

Externo (pulgada

s)

acoplamientos (lbf)

(pulgadas)

Upset Total

(pulgadas)

D(psi)

E(psi)

G**(psi)

S-135**(psi)

D(psi)

E(psi)

G**(psi)

S-135(psi)

1,000

(lbf)

1,000

(lbf)

1,000

(lbf)

1,000

(lbf)

2 3/8 4.85 1.995 1.437 6,850**

11,040

13,250

16,560

7,110**

10,500

14,700

18,900

70 98 137 176

2 3/8 6.65 1.815 1.125 11,440 15,600

18,720

23,400

11,350 15,470

21,660

27,850

101 138 194 249

2 7/8 6.85 2.441 1.875 - 10,470

12,560

15,700

- 9,910 13,870

17,830

- 136 190 245

2 7/8 10.40 2.151 1.187 12,110 16,510

19,810

24,760

12,120 16,530

23,140

29,750

157 214 300 386

3 1/2 9.50 2.992 2.250 - 10,040

12,110

15,140

- 9,520 13,340

17,140

- 194 272 350

3 1/2 13.30 2.764 1.875 10,350 14,110

16,940

21,170

10,120 13,800

19,320

24,840

199 272 380 489

3 1/2 15.50 2.602 1.750 12,300 16,770

20,130

25,160

12,350 16,840

23,570

30,310

237 323 452 581

4 11.85 3.476 2.937 - 8,410 10,31 12,82 - 8,600 12,04 15,47 - 231 323 415

0 0 0 04 14.00 3.340 2.375 8,330 11,35

014,63

017,03

07,940 10,83

015,16

019,50

0209 285 400 514

4 1/2 13.75 3.958 3.156 - 7,200 8,920 10,910

- 7,900 11,070

14,230

- 270 378 486

4 1/2 16.60 3.826 2.812 7,620 10,390

12,470

15,590

7,210 9,830 13,760

17,690

242 331 463 595

4 1/2 20.00 3.640 2.812 9,510 12,960

15,560

19,450

9,200 12,540

17,560

22,580

302 412 577 742

5 16.25 4.408 3.750 - 6,970 8,640 10,550

- 7,770 10,880

13,980

- 328 459 591

5 19.50 4.276 3.687 7,390 10,000

12,090

15,110

6,970 9,500 13,300

17,100

290 396 554 712

5 1/2 21.90 4.778 3.812 6,610 8,440 10,350

12,870

6,320 8,610 12,060

15,500

321 437 612 787

5 1/2 24.70 4.670 3.500 7,670 10,460

12,560

15,700

7,260 9,900 13,860

17,820

365 497 696 895

5 9/16 19.00** 4.975 4.125 4,580 5,640 - - 5,090 6,950 - - 267 365 - -5 9/16 22.20** 4.859 3.812 5,480 6,740 - - 6,090 8,300 - - 317 432 - -5 9/16 25.25** 4.733 3.500 6,730 8,290 - - 7,180 9,790 - - 369 503 - -6 5/8 22.20** 6.065 5.187 3,260 4,020 - - 4,160 5,530 - - 307 418 - -6 5/8 25.20 5.965 5.000 4,010 4,810 6,160 6,430 4,790 6,540 9,150 11,77

0359 489 685 881

6 5/8 31.90** 5.761 4.625 5,020 6,170 - - 6,275 8,540 - - 463 631 - -

Ejemplo 1.4: una sarta de perforación esta compuesta de 7,000 pies de 5 pulgadas, 19.5 lbm/pies de tubería de perforación y 500 pies de 8 pulgadas OD por 2.75 pulgadas ID cuellos de tuberías de perforación, al perforar una pared de 9.875 pulgadas. Asumiendo que la pared de perforación se mantenga el diámetro , calcular el numero de ciclos de bombeo requeridos para circular lodo desde la superficie a la broca y de el fondo del hoyo a la superficie, si el factor de bombeo es de 0.1781 bbl/ciclo.

Respuesta: Para las unidades de campo de pies y barriles, la Ecuación 1.13 viene a ser:

Ap = ( ๙ d2)pulg.2 ( gal )( bb )(12pulg)4 (231 pulg.3)(42 gal)( pies)

= ( d 2 )bbl/ pie (1,029.4)

Usando la tabla 1.5, el diámetro interior de 5 pulg., 19.5 lbm/ft, la tubería de perforación es 4.276 pulg., por lo tanto la capacidad de la tubería de perforación es:4.276 2 = 0.01776 bbl/ft1,029.4y la capacidad del cuello de la tubería es:2. 75 2 = 0.000735 bbl/ft1,029.4El numero de ciclos de bombeo requeridos para circular lodo nuevo a la broca es dada por:[0.01776(7,000)+0.000735(500) bbl = 719 ciclos 0.1781 bbl/cicloSimilarmente, la capacidad anular fuera de la tubería de perforación es dada por:9. 875 2 - 5 2 = 0.0704 bbl/ft1,029.4y la capacidad anular fuera del cuello de la tubería de

TAMAÑOS Y DIMENSIONES DEL GRADO E, DISEÑO “XTRAHOYO”

Símbolo de Dimensión

Tubería de Perforación de

3 ½”

Tubería de Perforación

de 4 ½”

Tubería de Perforación

de 5”

pulgadas

mm pulgadas

mm pulgadas

mm

A 3 5/8 92 4 11/16 119 5 1/8 130B 2 1/8 54 3 ¼ 83 3 ¾ 95C 4 ¾ 121 6 ¼ 159 6 3/8 162D .438 11 .672 17 .531 13E 4 17/32 115 5 23/32 145 5 69/84 150LP 6 ½ 165 7 178 7 178LB 9 1/2 241 10 254 10 254

Figura 1.38 – Vista en corte y dimensiones como ejemplo de una

herramienta conjunta.


perforación es:9. 875 2 - 8 2 = 0.0326 bbl/ft1,029.4

Los ciclos de bombeo requeridos para circular el lodo desde el fondo del hoyo hasta la superficie dado es de:

[0.0704(7,000)+0.0326(500) bbl0.1781 bbl/ciclo

= 2,858 ciclos

Figura 1.40 – Nomenclatura de la Capacidad y del Desplazamiento Figura 1.39 – Ejemplo de Estabilizador

TABLA 1.6 – DESPLAZAMIENTOS PROMEDIO PARA UN RANGO 2 DE LA TUBERIA DE PERFORACION

Tamaño del Diámetro Peso Peso

ActualDesplazamiento

Externo (pulg.)

Nominal(lbm/ft)

Tipo deHerramienta Conjunta

en el aire(lbm/ft) (ft/bbl) (bbl/ft)

bbl/90ftvertical

2 3/8 6.65 Unión de diámetro interior

6.90 398.4 0.00251 0.23

2 7/8 10.40 Unión de diámetro interior

10.90 251.9 0.00397 0.36

Hoyo angosto 10.40 263.0 0.00379 0.343 1/2 13.30 Hoyo completo 13.90 197.6 0.00506 0.46

Hoyo angosto 13.40 204.9 0.00488 0.44Unión de diámetro

interior13.80 199.2 0.00502 0.45

15.50 Unión de diámetro interior

16.02 171.5 0.00583 0.52

4 14.00 Hoyo completo 15.10 181.8 0.00550 0.50Unión de diámetro

interior15.10 176.1 0.00568 0.51

4 1/2 16.60 Hoyo completo 17.80 154.3 0.00648 0.58xtrahoyo 18.00 152.7 0.00655 0.59

Hoyo angosto 17.00 161.6 0.00619 0.56Unión de diámetro

interior17.70 155.3 0.00644 0.58

20.00 xtrahoyo 21.40 128.5 0.00778 0.70Hoyo completo 21.30 129.0 0.00775 0.70Hoyo angosto 20.50 134.0 0.00746 0.67

Unión de diámetro interior

21.20 129.5 0.00772 0.69

22.82 xtrahoyo 24.10 114.0 0.00877 0.7932.94 xtrahoyo 36.28 75.7 0.01320 1.19

5 19.50 xtrahoyo 20.60 133.3 0.00750 0.6825.60 xtrahoyo 26.18 107.4 0.00932 0.8442.00 xtrahoyo 45.2± 60.8± 0.0165± 1.48±


1.7 Sistema de Control de Pozo

El sistema de control de pozo previene el fluido incontrolable de fluidos de formación desde el orificio del pozo. Cuando la broca penetra una formación permeable que tiene una presión de fluido en exceso de la presión hidrostática ejercida por el fluido de perforación, los fluidos de formación comenzaran a desplazar a los fluidos de perforación del pozo. El fluido de fluidos de formación dentro del pozo en la presencia del fluido de perforación se llama ingreso de fluido. El sistema de control de pozo permite (1) detectar el ingreso de fluido, (2) cerrar el pozo en la superficie, (3) circular el pozo bajo la presión para remover los fluidos de formación e incrementar la densidad del lodo, (4) mover la sarta de perforación bajo presión, y (5) desviar el fluido lejos del personal y del equipo de la torre. La falla del sistema de control de pozo resulta en un fluido incontrolable de fluidos de formación y es llamado una explosión. Este es probablemente el peor desastre que podría ocurrir durante las operaciones de perforación. Las explosiones pueden causar la perdida de vidas, de equipos, del pozo, la mayoría de las reservas subterráneas de petróleo y gas, así como, daños al entorno cercano al pozo. Por lo tanto, el sistema de control de pozo es uno de los sistemas mas importantes en la torre. La detección del ingreso de fluido durante las operaciones de perforación usualmente es lograda mediante el uso de un indicador del volumen de la fosa o un indicador del fluido. La operación de estos dispositivos esta ilustrada en la Fig. 1.41. Ambos dispositivos pueden detectar un incremento en el fluido de lodo retornando del pozo sobre el cual esta siendo circulado por la bomba. Los indicadores del volumen de la fosa emplean flotadores en cada fosa que seta conectada por medio de dispositivos transductores neumáticos o eléctricos a un dispositivo de grabación en el suelo de la torre. El dispositivo de grabación indica el volumen de toda la actividad de la fosas. Las alarmas de alto y bajo nivel pueden ser preestablecidas para encender luces y trompetas cuando el volumen de la fosa aumenta o disminuye significativamente. Un aumento en el lodo de la superficie indica que los fluidos de la formación podrían entrar al pozo. Una disminución indica que el fluido de perforación esta siendo perdido en un formación subterránea. Los indicadores del fluido de lodo son usados para ayudar a detectar el ingreso de fluidos rápidamente. Los dispositivos comúnmente usados son de alguna forma similares en operación a los indicadores del nivel de la fosa. Un sensor tipo paleta del nivel del fluido es usado en la línea de fluido. Adicionalmente, un pistón medidor de la bomba es usado para

Figura 1.41 – Detección Ingreso de Fluido durante las Operaciones de Perforación.

Figura 1.42 – Disposiciones de dos Tanques Alternativos de Salida para la Detección de Ingreso de Fluido durante las Operaciones

de Desembrague.

dentro del hoyo para reemplazar el volumen de la tubería removida. La detección del ingreso de fluidos durante las operaciones de desembrague es lograda a través de un indicador de llenado. El propósito del indicador de llenado es de medir con precisión el volumen de lodo requerido para llenar el hoyo. Si el volumen requerido para llenar el hoyo es menor al volumen de la tubería removida, un ingreso de fluido

detectar el rango de fluido ingresando al pozo. Un panel del suelo de la torre monitorea los rangos de fluido que ingresan y salen del pozo. Si los rangos son apreciablemente diferentes, un aumento o disminución, la alerta será dada. Mientras se realiza una salida, la circulación es detenida y un volumen significativo de tubería es removido del hoyo. Por lo tanto, para mantener el pozo lleno, el lodo debe de ser bombeado hacia

podría estar en progreso. Pequeños tanques de salida proporcionan el mejor monitoreo del volumen de llenado del hoyo. Los tanques de salida usualmente retienen de 10 a 15 bbl y tienen 1-


bbl calibrador. Disposiciones de dos tanques de salida alternativa están ilustrados en la Fig. 1.42. Ya sea con disposiciones, el hoyo es mantenido lleno mientras que la tubería es transferida desde el pozo. Periódicamente, el tanque de salida es rellenado usando la bomba de lodo. La parte superior del tanque de salida de carga de peso debe de ser ligeramente menor al niple de campana, para prevenir que el lodo se pierda en la línea de fluido. El volumen requerido de llenado es determinado por un chequeo periódico del nivel de fluido en el tanque de salida. Cuando un tanque de salida no esta instalado en la torre, el volumen de llenado del hoyo debe de ser determinado mediante el conteo de pistones de la bomba cada vez que el hoyo es llenado. El nivel en una de las fosas activas no debe de ser usado debido a que las fosas activas son normalmente muy grandes para proporcionar suficiente precisión. El fluido de fluidos desde un pozo causado por un ingreso de fluido es detenido mediante el uso de dispositivos especiales que son llamados preventores de explosión (BOP`s). Múltiples preventores de explosión usados en una serie son colectivamente referidos como grupo de preventores de explosión. Los preventores de explosión deben de ser capaces de terminar con el fluido del pozo en cualquier condición de perforación. Cuando la sarta de perforación esta en el hoyo, el movimiento de la tubería sin liberar presión del pozo debería de poder ocurrir. Adicionalmente, los preventores de explosión deberían de permitir la circulación de fluidos a través el espacio anular del pozo bajo presión. Estos objetivos usualmente son logrados mediante el uso de varios preventores de ariete y anulares. Un ejemplo de un tapón preventor es mostrado en la Figura 1.43. Los tapones preventores tienen dos elementos de relleno en lados opuestos que se cierran moviéndose uno hacia el otro. Los tapones de las tuberías tienen aberturas semicirculares las cuales coinciden con el diámetro del tamaño de las tuberías para las cuales están diseñadas. Por lo tanto, los tapones de las tuberías deberían de coincidir con el tamaño de la tubería que este en uso. Si hay más de un tamaño de tubería de perforación en el hoyo, tapones preventores adicionales deben de ser usados con los preventores de explosión. Tapones diseñados a cerrarse cuando no hay ninguna tubería en el hoyo son llamados tapones ciegos. Los tapones ciegos aplanaran la tubería de perforación en caso fuese cerrada inadvertidamente con la sarta de perforación en el hoyo, pero no detendrán el fluido del pozo. Los tapones cortadores son tapones ciegos diseñados a cortar la sarta de perforación cuando se cierran. Esto causara que la sarta de

2,000,5000,y 10,000 psig. Tanto los preventores de explosión como los tapones preventores son cerrados hidráulicamente. Adicionalmente, los tapones preventores tienen un dispositivo de bloqueo tipo rosca que puede ser usado para cerrar el preventor en caso de que el sistema hidráulico falle. Los preventores anulares están diseñados de tal forma que una vez que el elemento elástico este en contacto con la sarta de perforación, la presión del pozo ayuda a mantener al preventor cerrado. Los sistemas hidráulicos modernos usados para cerrar los preventores de explosión son acumuladores de fluido de alta presión, similares a aquellos desarrollados para los sistemas de control de fluido aéreo. Un ejemplo de un acumulador vertical es mostrado en la Figura 1.45. El acumulador es capaz de proporcionar el suficiente fluido de alta presión para cerrar todas las unidades en el grupo de preventores de explosión, por lo menos una vez y aun mantener una reserva. Los acumuladores con capacidades de fluido de 40, 80, 0 120 gal y presión operativa máxima de 1,500 o 3,000 psig, son comunes. El acumulador es mantenido por una pequeña bomba en todo momento, de tal forma que el operador tiene la habilidad de cerrar el pozo inmediatamente, independientemente de la energía normal de la torre. Por seguridad, bombas auxiliares de los acumuladores que usan una fuente de energía secundaria, son mantenidas. El fluido del acumulador usualmente es un aceite hidráulico no corrosivo con un punto bajo de congelación. El aceite hidráulico también debería tener buenas características de lubricación y debe de ser compatible con las partes elásticas sintéticas del sistema de control de pozo. El acumulador esta equipado con un sistema regularizador de presión. La habilidad de variar la presión de cerrado en los preventores es importante cuando es necesario separar la tubería (bajar la tubería con el preventor cerrado) dentro del hoyo. Si un ingreso de fluido sucede durante una salida, es mejor separar hacia el fondo para permitir una circulación eficaz de los fluidos de formación del pozo. La aplicación de mucha presión de cerrado al preventor durante la operación de separación causa un desgaste rápido del elemento de sellado. El procedimiento usual es de reducir la presión hidráulica de cierre durante las operaciones de separación hasta que halla un derrame ligero del fluido del pozo.

perforación caiga en el hoyo y detendrá el fluido del pozo. Los tapones cortadores son cerrados en la tubería únicamente cuando los tapones de tuberías y preventores anulares han fallado. Los tapones preventores están disponibles para presiones de 2,000, 5,000, 10,000 y 15,000 psig. Los preventores anulares, algunas veces llamados preventores de tipo de saco, paran el fluido del pozo usando un anillo de elástico sintético que se contrae en el pasaje del fluido. El paquete elástico es de la forma de la tubería en el hoyo. La mayoría de los preventores anulares también cerraran y abrirán el hoyo si fuese necesario. Una sección transversal de un tipo de preventores anulares es mostrada en la Figura 1.44. Los preventores anulares están disponibles para presiones de

Figura 1.44 – Ejemplo Preventor de explosión Anular.


La separación es lograda fácilmente mediante el uso del preventor anular. Sin embargo, cuando la presión de la superficie del pozo es muy grande, la separación se debe de realizar usando dos tapones preventores de tuberías colocados lo mas lejos posible uno del otro para las que las herramientas externas conjuntas encajen entre ellas. Los tapones superiores e inferiores deben de ser cerrados y abiertos alternadamente mientras que las herramientas conjuntas están siendo bajadas. El espacio entre los tapones preventores usado para las operaciones de separación es proporcionado por un carrete de perforación. Los carretes de perforación también son usados para permitir la conexión de las líneas de fluido de alta presión a puntos determinados del grupo. Estas líneas de fluido de alta presión hacen posible el bombear dentro del espacio anular o liberar fluido del espacio anular con el preventor de explosión cerrado. Un conducto usado para bombear dentro del espacio anular es llamado línea de ahogo. Los conductos usados para liberar el fluido del espacio anular pueden incluir una línea de evacuación, línea desviadora, o simplemente una línea de fluido. Todos los carretes de perforación deben de tener un orificio lo suficientemente grande para permitir que el siguiente sarta de revestimiento pueda ser colocada en su lugar sin tener que mover el grupo de preventores de explosión. Los grupos preventores de explosión están conectados con el revestimiento usando un cabezal de tubería de revestimiento. El cabezal de tubería de revestimiento algunas veces llamado cabezal de revestimiento, esta soldado a la primera sarta de revestimiento cementada en el pozo. Debe de proporcionar una presión para las sartas colocadas subsecuentemente en el pozo. Así mismo, también se proporcionan salidas en el cabezal de la tubería de revestimiento para liberar cualquier presión que se pueda acumular entre la sarta de revestimiento. El panel de control para la operación del grupo de preventores de explosión, usualmente es colocado en el suelo de la torre para un acceso fácil para el perforador. Los controles deberán ser marcados claramente e identificados con la disposición del grupo de preventores de explosión

Figura 1.45 – Ejemplo sistema acumulador

usado. Un tipo de panel usado para este propósito es mostrado en la Figura 1.46. La disposición del grupo de preventores de explosión varía considerablemente. La disposición usada depende de la magnitud de la presión de las formaciones en el área y en el tipo de procedimientos de control de pozo usados por el operador. El Instituto Americano de Petróleo presenta varias disposiciones recomendadas para los grupos preventores de explosión. La Figura 1.47 muestra las disposiciones típicas para el servicio de presión de 10,000 y 15,000 psi. Observe que la nomenclatura de la disposición usa la letra “A” para denotar un preventor anular, la letra “R” para denotar un tapón preventor, y la letra “S” para denotar un carrete de perforación.. Las disposiciones son definidas empezando del cabezal de la tubería de revestimiento y siguiendo con el niple de campana. Por lo tanto, las Disposiciones RSRRA denota el uso de un grupo de preventores de explosión con un tapón preventor conectado al cabezal de la tubería de revestimiento, un carrete de perforación abajo del tapón preventor, dos tapones preventores en serie abajo del carrete de perforación, y un preventor anular abajo del tapón preventor.

Figura 1.46 – Ejemplo del panel a control remoto para la operación de preventores de

explosión.

En algunos casos, puede ser deseable el conducir las operaciones de perforación con una ligera presión de superficie en el espacio anular. Un cabezal rotatorio, el cual sella alrededor del ingreso de fluidos en la parte superior del grupo preventor de explosiones, debe de ser usado cuando esto es realizado. Un preventor de explosión tipo rotatorio es mostrado en la Fig. 1.48. La mayoría de los cabezales son comúnmente usados cuando se usa aire o gas como fluido de perforación. También pueden ser usados cuando los fluidos de formación están ingresando al pozo lentamente desde formaciones de baja


Permeabilidad. Sin embargo, esta practica es peligrosa a menos que la formación que esta siendo perforada tenga una permeabilidad muy baja.Esto debe de ser establecido de acuerdo a la experiencia ganada en la perforación en el área local. Por ejemplo, esta practica es conocida como segura en la formación Ellenberg, en algunas áreas Oeste de Texas. Cuando la sarta de perforación esta en el hoyo, el grupo de preventores de explosión pueden ser usados para detener únicamente el fluido del espacio anular. Varias válvulas adicionales pueden ser usadas para prevenir el fluido desde el interior de la sarta de perforación. Estas válvulas incluyen válvulas de tapón y preventores de explosión internos. En la Fig. 1.49 se muestra un ejemplo válvula de tapón. Generalmente,, una válvula de tapón superior enroscada hacia la izquierda es colocada abajo del ingreso de fluidos y una válvula tapón inferior enroscada hacia la derecha es colocada en el ingreso de fluidos. La válvula tapón inferior también es llamada válvula varilla de perforación. Dos válvulas tapón son requeridas porque la posición inferior podría no ser accesible en una emergencia si la sarta de perforación esta atorada en el hoyo con el ingreso de fluidos abajo. Un preventor de explosión interno es una válvula que puede ser colocada en la sarta de perforación si el pozo empieza a fluir durante las operaciones de separación. Las válvulas redondas son similares a la válvula mostrada en la Fig. 1.49, también pueden ser usadas como un preventor de explosión interno. Adicionalmente, los preventores de explosiones internos tipo dardo también están disponibles. El tipo de preventor de explosión deberá de ser colocado en la sarta de perforación antes que la tubería de perforación sea separada en el hoyo, debido a que permitirá que el lodo sea bombeado a través de la sarta de perforación después de haber alcanzado el fondo del pozo. Los preventores de explosión internos son instalados cuando es necesario, entornillándolos en la parte superior de una sarta de perforación abierta con la válvula o dardo en la posición abierta. Una vez que el preventor de explosión se instalado, la válvula puede ser cerrada o el dardo liberado. Un sistema de circulación de alta presión usado para las operaciones de control de pozo es mostrado en la Fig. 1.51. El ingreso de fluido normalmente es circulado desde el pozo a través de un estrangulador ajustable. El estrangulador ajustable es controlado desde un panel remoto en el suelo de la torre. Un ejemplo de un estrangulador y del panel de control están mostrados en las Figuras 1.52 y 1.53. La presión suficiente debe de ser retenida contra el pozo por el estrangulador de tal forma que la presión en el fondo del pozo se mantenga ligeramente por debajo de la presión de la formación. De otra forma, los fluidos de la formación continuarán entrando al pozo. Las tensiones mecánicas en el sistema de emergencia de presión alta del fluido pueden ser graves durante el manejo de un ingreso de fluido. La liberación rápida de presión de grandes volúmenes de fluido a través de la tubería de la superficie, frecuentemente esta acompañada por

Figura 1.47 – Típica Disposición en Superficie del Grupo de Preventores de Explosión para

10,00 y 15,000 psi de presión

Figura 1.48 – Vista en Corte del Preventor de Explosión tipo Rotatorio

conexiones deberán de estar soportados en miembros estructurales de tal forma que tensiones por flexión no sean creadas en la tubería. Debido al abrasivo del fluido, el número de flexiones debe de ser minimizado. Las flexiones requeridas deben de ser flexiones de giro contorneado preferiblemente en ves de flexiones de giro pronunciado “L”, o tener una resistencia abrasiva en el punto de incidencia del fluido en la flexión. El Instituto Americano de Petróleo presenta varias recomendaciones de disposiciones para estranguladores múltiples de 2,000, 3,000, 5,000, 10,000 y 15,000 psis para sistemas de presión. Adicionalmente a esas recomendaciones, los operadores de pozo han desarrollado muchos otros diseños opcionales. La disposición seleccionada debe de ser basada en la magnitud de la presión de la formación en el área y de acuerdo a los procedimientos de control de pozo usados por el operador. En la Figura 1.51 se muestra una de las alternativas de las disposiciones del Instituto Americano

tensión vibrante extrema. Por lo tanto, se debe de tener cuidado para usar la tubería mas fuerte que este disponible, así como, anclar todas los cables de forma segura contra la reacción de empuje. También, es necesario cierta flexibilidad de la tubería de y hasta el cabezal del pozo. El peso de todas las válvulas y


de Petróleo. En esta disposición, un bomba hidráulica controlada separa al grupo de preventores de explosión del estrangulador múltiple. Esta válvula normalmente esta cerrada durante las operaciones de perforación para prevenir que lo sólidos del lodo de perforación se sedimenten en el sistema de estranguladores. Los controles que operan esta válvula son colocados en el panel de control de los preventores de explosión, para que los preventores de explosión sean operados con facilidad. Dos estranguladores ajustables permitirían que continué la circulación del ingreso de fluidos en el caso uno de los estranguladores ajustables fallara. Un separador de lodo y gas, permite que cualquier formación de gas producida sea ventilada. Así mismo, las válvulas son dispuestas de tal forma que los fluidos del pozo puedan ser derivados fácilmente a la fosa de reserva para prevenir la presión excesiva causada por la fractura de algunas formaciones debajo de la sarta de revestimiento. La línea de ahogo permite que el fluido de perforación sea bombeado a través de los espacios anulares desde la superficie. Este procedimiento es usado únicamente en ocasiones especiales y no es parte de un sistema de control de operación de pozo normal. La línea de ahogo mayormente es necesitada cuando la presión subterránea durante un ingreso de fluido ocasiona que una formación expuesta se fracture y que empiece rápidamente a tomar fluido de perforación de la porción superior del hoyo.

1.8 Sistema de Monitoreo de Pozo

Las consideraciones de seguridad y eficacia requieren constante monitoreo del pozo para detectar problemas de perforación rápidamente. Un ejemplo de la estación de control de un perforador es mostrado en la Figura 1.54. Los dispositivos de grabación o parámetros de monitoreo tales como (1) profundidad, (2) rango de penetración, (3) gancho de carga, (4) velocidad rotatoria, (5) tensión rotatoria, (6) rango de bombeo, (7) presión de bombeo, (8) densidad del lodo, (9) temperatura del lodo, (10) salinidad de lodo, (11) contenido gaseoso del lodo, (12) contenido de gas peligroso en el aire, (13) nivel de la fosa, y (14) rango de fluido de lodo. Adicionalmente, para asistir al perforador en la detección de problemas de perforación, amplios registros históricos de varios aspectos de la operación de perforación también pueden ayudar al personal de geología, ingeniería, y supervisores. En algunos casos, un sistema centralizado de monitoreo de pozo ubicado en un trailer es usado (Fig. 1.55). Esta unidad proporciona información detallada sobre la formación que esta siendo

Figura 1.49 – Ejemplo de Válvula de Tapón.

PARTES LISTADASDetall

eParte

1 Conexión Principal2 Conexión Sellante3 Ajuste Instalación de

Herramientas4 Araña con Guía

perforada y la circulación de fluidos a la superficie en el lodo, así como, la centralización de los registros de parámetros de perforación. El registrador de lodo inspecciona cuidadosamente pedazos de roca que provienen del colador vibratorio en intervalos regulares y mantiene un registro describiendo su apariencia. Pedazos adicionales son etiquetados de acuerdo a su profundidad y son guardados para estudios más profundos por parte de los paleontólogos. La identificación de micro fósiles presentes en lo pedazos de rocas, ayudan a los geólogos en tener un correlativo de las formaciones que están siendo perforadas. Las muestras de gas removidas de lodo son analizadas por el registrador de lodo usando un

5 Separación6 Dardo 7 Dardo Elástico8 Barra Retenida9 Base Vertical

10 Aguja Liberada11 Manejo de HerramientasFigura 1.50 – Ejemplo de Preventor de

Explosión Interno tipo Dardo


cromatógrafo de gas. La presencia de una reserva de hidrocarburo frecuentemente puede ser detectada por medio de este tipo de análisis. Recientemente, ha habido avances significativos en los sistemas de monitoreo de pozo subterráneo y telemetría de datos. Los sistemas son principalmente de gran uso para el monitoreo de la dirección del hoyo en los pozos no verticales. Una de las técnicas más prometedoras para la telemetría de datos para la instrumentación subterránea en la sarta de perforación a la superficie involucra el uso de un generador de impulsos de lodo que envíe información a la superficie por medio de impulsos codificados en el fluido de perforación contenido en la sarta de perforación. Un sistema, ilustrado en la Fig. 1.56, usa una válvula de derivación a los espacios anulares para crear la señal de presión requerida.

1.9 Equipo Marino Especial

Equipo especial y procedimientos son requeridos cuando se realiza la perforación desde una embarcación flotante. El equipo especial debe de (1) mantener la embarcación en la ubicación en el pozo, (2) compensar los movimientos verticales, laterales e inclinaciones causados por la acción de las olas contra la embarcación. Los problemas de movimiento de la embarcación son mas graves para un buque de perforación que para un semisumergible. Sin embargo, los buques de perforación usualmente son mas económicos y pueden ser movidos rápidamente de una ubicación a la siguiente. Un diseño especial de torre debe de ser usado para un buque de perforación debido a los movimientos de inclinación causados por la acción de las olas. La torre de un buque de perforación es usualmente diseñado para soportar una inclinación de 20 grados con una carga máxima de la tubería de perforación en la torre. También, es requerido un equipo especial de manejo de tuberías para permitir realizar las operaciones de desenganche con seguridad con un clima difícil. Este equipo permite recostar las tuberías de perforación dobles o triples rápidamente en un rack de tuberías en vez de que sean soportadas en la torre. Un bloque de pista guía también es requerido para prevenir que la polea viajera se columpie durante clima difícil. La mayoría de embarcaciones flotantes son mantenidas en la ubicación por medio de anclas. Cuando el fondo del océano es muy fuerte para las

Figura 1.51 – Esquemática del Sistema de Circulación de Alta Presión para

Operaciones de Control de Pozo.

Figura 1.52 – Ejemplo de Estrangulador Múltiple mostrando un estrangular

manualmente ajustable de 15,000 psi y un estrangulador ajustable a control remoto de

15,000.

anclas convencionales, pilotes de ancla son llevados o cementadas en pozos en el fondo del océano. La embarcación es amarrada orientada hacia la dirección en la cual se pronostica el clima más difícil. Se ha diseñado un buque de perforación que puede ser amarrado desde una torre central que contiene la torre de perforación. El buque es rotado alrededor de la torre usando propulsores montados en las hélices y popa, de tal forma que siempre este orientado hacia las olas entrantes. La mayoría de sistemas de amarre son diseñados para restringir los movimientos horizontales de las embarcaciones hasta un 10% de la profundidad del agua en las condiciones de clima más difícil. Sin embargo, el movimiento horizontal puede ser restringido hasta un 3% de la profundidad del agua para las condiciones de clima experimentadas el 95% de las veces. El máximo de anclas usadas en un sistema de amarre son de 10. Varios patrones de ancla similares son mostrados en la Figura 1.57.

Fig. 1.53 – Ejemplo de Paneles de Control


Pocas embarcaciones tienen unidades de empuje capaces de retener la embarcación de perforación en la ubicación sin la necesidad del uso de anclas. La técnica de colocado es llamada posicionamiento dinámico. La gran cantidad requerida de consumo de combustible para el posicionamiento dinámico es económicamente factible únicamente cuando (1) cambios frecuentes de ubicación son requeridos o (2) la longitud de las líneas de anclas requeridas son excesivas. También el rango de las condiciones de clima sostenidas es mas limitada para el posicionamiento dinámico. El posicionamiento dinámico generalmente no es usado en aguas de profundidades menores a 3,000 pies. La posición de las embarcaciones con relación al hoyo debe de ser monitoreada en todo momento. El desgaste excesivo en el equipo bajo el mar podría suceder si la embarcación no es alineada constantemente en el hoyo. Existen dos tipos de indicadores de alineación que son comúnmente usados son (1) el tipo mecánico y (2) el tipo acústico. El sistema de tipo mecánico usa inclinómetros de doble eje sujetos a un cable que funcionan desde el cabezal del pozo hasta el buque. Se asume que tensión suficiente se mantiene en la línea para mantenerla derecha. Adicionalmente, un inclinómetro puede ser sujetado al conducto de fluidos desde el suelo del océano hasta la embarcación de perforación. El indicador de posición tipo acústico usa transmisores con faro en el suelo del océano e hidrófonos en el buque. También es posible el uso del ultrasonido Doppler. Este sistema es mas preciso que el del sistema de cable tensor en aguas profundas y no depende de una conexión mecánica con la embarcación. Parte del sistema usado para la compensación de los movimientos horizontales y verticales de la embarcación durante las operaciones de perforación es mostrado en la Fig. 1.58. Un elevador marino conduce el fluido de perforación desde el suelo del océano hasta la embarcación de perforación. Una conexión flexible en la parte inferior del elevador marino permite el movimiento lateral de la embarcación. Los

Figura 1.54 – Ejemplo de la unidad de Control del Perforador

Figura 1.55 – Ejemplo de la Unidad de Monitoreo de Pozo

que el pozo pueda ser cerrado aunque halla un

movimientos verticales de la embarcación son permitidos por un conexión de desplazamiento colocada en la parte superior del elevador. El elevador es asegurado a la embarcación por un sistema tensor neumático. Los requerimientos de tensión pueden ser reducidos adicionando secciones flotadoras al sistema de elevación. El movimiento vertical de la tubería de perforación puede ser absorbido por una conexión amortiguadora entre la tubería de perforación y el cuello de la tubería de perforación. Sin embargo, muchos problemas resultan de estas disposiciones, debido a que el movimiento de las embarcaciones causa que toda la longitud da la tubería de perforación sea reciproca con relación al revestimiento y al hoyo. Así mismo, no es posible variar el peso de la broca de perforación cuando las conexiones amortiguadoras están siendo usadas. El equipo de superficie compensador de movimiento llamado compensador de desplazamiento ha sido desarrollado con el fin de eliminar este problema. Un gancho de carga es mantenido a través del uso de dispositivos tensores neumáticos en la polea viajera como se muestra en la Fig. 1.59.El grupo de preventores de explosión para una operación de perforación flotante es colocado en el suelo del océano por debajo del elevador marino. Esto asegura

clima difícil, tal como un huracán, cuando sea necesario desconectar el elevador marino. Así mismo, seria extremadamente difícil el diseñar un elevador marino y una conexión de desplazamiento capaz de soportar presiones anulares altas. Los operadores conectores hidráulicos idénticos frecuentemente son usados por debajo y por encima del grupo de los preventores de explosión. Esto hace posible el agregar un grupo de preventores de explosión adicional por debajo del ya existente en una emergencia. Un ejemplo de un grupo de preventores de explosión bajo el agua es mostrado en la Figura 1.60. La línea ahogada y la línea de estranguladores al grupo de preventores de explosión están sujetas al elevador marino. En la Fig. 1.61 se muestran vistas en corte del equipo elevador marino superior e inferior con la línea del estrangulador y la línea ahogada íntegramente sujetas. Las líneas hidráulicas requeridas para operar el grupo de preventores de explosión, válvulas laterales, y conectores están sujetos a un cable guía. Los mismos son almacenados y manejados en la embarcación de perforación por rieles de mangueras de aire. Un sistema


Figura 1.56 – Ejemplo Sistema de Monitoreo Subterráneo

Figura 1.58 - Esquemática de Equipos para Operaciones de Perforación Marinas

Figura 1.57 – Ejemplo patrones de amarrado temporal

Fig. 1.59 – Operación de un Compensador de Desplazamiento

Figura 1.60 – Ejemplo Grupo Preventor de Explosión bajo agua.


Figura 1.61 – Vista en Corte de la parte superior e inferior del Equipo Elevador Marino.


hidráulico directo puede ser usado para profundidades de agua menores a 300 pies. El sistema directo es similar al sistema usado en torres terrestres y tiene cables de energía

del océano cuando lo deseen. Las primeras secciones del hoyo son perforadas sin grupos de preventores de explosión en el suelo del océano. Cuando un elevador marino es usado, un cabezal

independientes para cada control. Un sistema indirecto debe de ser usado para agua profunda. El sistema indirecto tiene una fuente de energía para el grupo de preventores de explosión en el agua. Las botellas de acumulador son montadas en el grupo bajo el agua para almacenar un volumen adecuado de petróleo presurizado hidráulico en el suelo del mar. El fluido de la energía de petróleo presurizada es distribuido a las diversas funciones por válvulas piloto en el suelo del océano. Líneas hidráulicas mas pequeñas, que permiten mucho mas tiempo de respuesta, son usados para activar las válvulas piloto. Los activadores hidráulicos y estáticos también están disponibles. Una sección transversal de de una manguera de control es mostrada en la Fig. 1.62. La manguera grande en el centro, es la manguera de energía de petróleo. Varios planes han sido desarrollados para la instalación de equipo bajo el mar. El diagrama mostrado en la Fig. 1.63 ilustra una aproximación. Una guía básica de ensamblaje es la pieza inicial del equipo bajado al suelo del océano. Cuatro cables que bordean el hoyo central en la base guía se extienden de regreso al buque donde una tensión constante se mantiene en los cables. El equipo puede ser bajado a su posición por el hoyo usando un ensamblaje que se monta sobre los cables guía. Dos cables guía adicionales sujetos a un lado de la base guía permiten que una cámara de televisión sea bajada al piso

rotatorio en la superficie permite que los fluidos de la formación sean derivados lejos de la torre en caso de una emergencia. El conductor de revestimiento es bajado dentro del hoyo con la boca del pozo sujeta a la parte superior. El ensamblaje de la boca del pozo es asegurado dentro de la estructura de la base guía. El revestimiento es cementado en el lugar con retorno al suelo del océano. El ensamblaje de la boca delpozo es diseñado de tal forma que todos los revestimientos y sartas futuras sean colocados en la boca

Figura 1.62 – Manguera de Control Sección Vertical para un Sistema Indirecto

1. POSICIONAR EMBARCACIÓNEN LA UBICACION

2. INSTALAR BASE GUIA3. CONDUCTOR DE PERFORACIÓN Y CONDUCTOR HOYOS DE PERFORACIÓN E INSTALAR REVESTIMIENTO

4. INSTALAR GRUPO DE PREVENTORES DE EXPLOSION Y ELEVADOR MARINO

Figura 1.63 – Ejemplo Procedimiento Instalación Equipo Bajo el Agua


del pozo. El grupo de preventores de explosión es bajado y asegurado a la parte superior de la boca del pozo. El elevador marino en ese momento puede ser instalado y asegurado dentro de los preventores de explosión. Los dispositivos tensores neumáticos han tenido una aplicación amplia en las operaciones de perforación flotantes. Ellos han reemplazado ampliamente el uso de contrapesos para la tensión de los cables. La Fig. 1.64 ilustra el principio operativo de un dispositivo tensor neumático. La tensión deseada es obtenida por medio de la regulación de la presión del aire ejercida en un pistón. El fluido hidráulico en el lado opuesto del pistón sirve para amortizar la acción del pistón y lubricar el empaque. Un sistema de polea compuesta permite el uso de un pistón más pequeño. Los dispositivos tensores neumáticos frecuentemente son usados en el elevador marino, los varios cables guía a la boca del pozo bajo el agua, y en compensadores de movimiento para la sarta de perforación en la superficie.

1.10 Análisis Costo de Perforación

La principal función del ingeniero de perforación es el recomendar procedimientos de perforación que resultarán en el termino del pozo de la manera más segura y económica posible. El ingeniero de perforación debe de hacer recomendaciones concernientes a las operaciones de rutina de la torre tales como el tratamiento para los fluidos de perforación, operación de bombeo, selección de broca, y cualquier problema encontrado durante la operación de perforación. En muchos casos, el uso de una ecuación de costo puede ser útil para hacer dichas recomendaciones. El procedimiento usual es el separar los costos de perforación en (1) costos de perforación variables y (2) costos de operación fijos que son independientes de alternativas que están siendo evaluadas.

1.10.1 Ejemplo de la Formula de Costo de Perforación

La aplicación más común de una formula de costo de perforación es en evaluar la eficacia de operatividad de una broca. Gran parte del tiempo requerido para completar un pozo es gastado ya sea en perforar o viajando para reemplazar la broca. El tiempo total requerido para una profundidad determinada, ΔD, puede ser expresada como la suma del tiempo total de rotación durante el tiempo de operatividad de la broca tb, el tiempo de monitoreo durante la actividad de la broca tc, y el tiempo de viaje, tt. La formula de costo de perforación es:

C = Cb + Cr + (tb+ tc+ tt), …………………………(1.16) ΔD

donde C es costo por unidad de profundidad, Cb

es el costo de la broca, y Cr, es el costo fijo operativo de la torre por unidad de tiempo independientemente de las alternativas siendo evaluadas. Debido a que la función del costo de perforación ignora los factores de riesgo, el resultado del análisis de costo algunas veces debe de ser

Figura 1.64 – Esquemática Dispositivo Tensor Neumático

perforación encontrados, tales como una tubería atorada, desviación del hoyo, derrumbe de hoyo, etc. por el contrario, es aumentado grandemente.

Ejemplo 1.5: Un programa de broca recomendado esta siendo preparado para un nuevo pozo, usando registros de rendimiento de brocas de pozos cercanos. Los registros de rendimiento de tres brocas son mostrados para una formación de piedra caliza gruesa a 9,000 pies. Determinar que broca da el menor costo de perforación si el costo operativo de la torre es de $400 / hr, el tiempo de viaje es de 7 horas, y el tiempo de conexión es de 1 minuto por conexión. Asuma que cada una de las brocas ha sido operada al menor costo posible por pie conseguido para esa broca.

BROCA

COSTO DE

BROCA ($)

TIEMPO DE

ROTACIÓN (horas)

TIEMPO DE

CONEXIÓN

(horas)

RANGO DE PENETRACIÓ

N(ft/hr)

A 800 14.8 0.1 13.8B 4,900 57.7 0.4 12.6C 4,500 95.8 0.5 10.2

Respuesta:El costo por pie perforado para cada tipo de broca puede ser calculado usando la Ecuación 1.16. Para la broca A, el costo por pie es de:

C = 800+ 400+ (14.8+0.1+7) = $46.81 /ft. 13.8(14.8)

Similarmente, ocurre para la broca B:

C = 4,900+ 400+ (57.7+0.4+7) = $42.56 /ft. 13.8(14.8)

moderado de acuerdo al juicio del ingeniero. La reducción del costo de la actividad de una broca no necesariamente resultará en la disminución de los costos de perforación si el riesgo de problemas dePROCESO DE PERFORACION ROTARIA

Finalmente, para la broca C:

C = 4,500+ 400+ (95.8+0.5+7) = $46.89 /ft. 10.2(95.8)

El menor costo de perforación fue obtenido mediante el uso de la broca B.

1.10.2 Predicciones del Costo de Perforación

El ingeniero de perforación frecuentemente es llamado para que prediga el costo de un pozo en ubicación determinada. Estas predicciones son requeridas para que las decisiones económicas puedan ser tomadas. En algunos casos, tal como la evaluación de un tramo determinado o tierra disponible para alquiler, únicamente un costo aproximado es requerido. En otros casos, tal como en una propuesta de perforación de un nuevo pozo, un costo estimado más detallado puede ser requerido. El costo de perforación depende primordialmente de la ubicación del pozo y de la profundidad del mismo. La ubicación del pozo gobernará el costo de preparar la instalación del pozo, mover la torre a la ubicación, y el costo operativo diario de la operación de perforación. Por ejemplo, un operador puede encontrar de acuerdo a su experiencia que el operar un torre en un lugar determinado mar a dentro en Louisiana requiere gastos que tienen un promedio de $30,000 por día. Incluido en estos costos de operación diarios están tales como alquiler de torres, alquiler cuadrilla de botes, alquiler trabajo de botes, alquileres de helicóptero, servicios de monitoreo de pozo, cuadrilla, vivienda, rutina de mantenimiento de equipo de perforación, tratamiento fluido de perforación, supervisión de la torre, etc. La profundidad del pozo gobernará la litología que debe de ser penetrada y, por lo tanto, el tiempo requerido para completar el pozo. Una excelente fuente de datos de costos históricos de perforación por área y profundidad de pozo es presentada en el estudio conjunto anual de asociaciones de costos de perforación publicado por el Instituto Americano de Petróleo. En la tabla 1.7 se muestran datos para el área del Sur de Louisiana que son tomados del estudio conjunto anual de asociaciones publicado en 1998. Los costos estimados aproximados se pueden basar en datos históricos de este tipo.

Los costos de perforación tienden a aumentar exponencialmente de acuerdo a la profundidad. Por lo tanto, cuando hay una curva de ajuste en los datos históricos del costo de perforación, es frecuentemente conveniente el asumir una relación entre costo, C, y profundidad, D, dada por:

C = ae bD,..........................................................(1.17)

donde la constante a y b dependen primordialmente de la ubicación del pozo. En la Fig. 1.65a se muestra una curva cuadrada de ajuste del sur de Louisiana, datos completos del pozo dados en la Fig. 1.7 para un rango de profundidad de 7,500 pies a 21,000 pies. Para esta información, a tiene un valor de 1x105 dólares y b tiene un valor de 2x10 –4 ft –1. En la Figura 1.62b se muestra una representación cartesiana más convencional de esta misma correlación. Cuando una predicción más precisa del costo de perforación es requerida, un análisis de costo basado en un plan de pozo detallado debe de ser hecho. El costo del equipo tangible del pozo (tal como revestimiento) y el costo de la preparación de la superficie de la ubicación usualmente pueden ser predicados con preescisión. El costo de las operaciones de perforación por día pueden ser estimados tomando en consideración costos de alquiler de la torre, otros costos de alquiler de equipos, costos de transporte, costos de supervisión de la torre, y otros. El tiempo requerido para la perforación y completar el pozo es estimado sobre la base de tiempo de la torre, tiempo de perforación, tiempo de viaje, tiempo de colocado de revestimiento, evaluación de la formación y tiempo de estudios del hoyo, tiempo de termino y tiempo de problemas. El tiempo de problemas incluye el tiempo gastado en los problemas del hoyo tales como atoro de tubería, operaciones de control de pozo, fractura de formación, etc. Los gastos mayores de tiempo siempre son requeridos para operaciones de perforación y de separación. Un estimado del tiempo de perforación puede ser basado en el rango de la información de penetración histórica del área de interés. El rango de penetración en una formación determinada varia inversamente tanto con la resistencia a la compresión como con la resistencia al deslizamiento. También, la resistencia de la roca tiende a aumentar de acuerdo a la profundidad del entierro, debido a la presión aislada causada por el peso del sobre entierro.

Tabla 1.7 – COSTOS DE PERFORACIÓN Y EQUIPOS DE POZO PROMEDIO EN LA ZONA SUR DEL AREA DE LOUISIANA , 1998

HOYOS SECOS POZOS COMPLETADOSIntervalo de Profundidad

(ft)Número de Pozos , ni,

Profundidad, Di (ft)

Costo Ci ($)

Número de Pozos , ni,

Profundidad, Di, (ft)

Costo, Ci($)

0 a 1,249 1 1,213 64,289 0 - -1,250 a 2,499 1 1,542 65,921 9 1,832 201,4162,500 a 3,749 8 3,045 126,294 20 3,138 212,3743,800 a 4,999 11 4,348 199,397 20 4,347 257,3415,000 a 7,499 43 6,268 276,087 47 6,097 419,0977,500 a 9,999 147 8,954 426,336 117 9,070 614,510

10,000 a 12,499

228 11,255 664,817 165 11,280 950,971

12,500 a 14,999

125 13,414 1,269,210 110 13,659 1,614,422

15,000 a 17,499

54 16,133 2,091,662 49 16,036 2,359,144

17,500 a 19,999

21 18,521 3,052,213 17 18,411 3,832,504

20,000 a más 7 21,207 5,571,320 11 20,810 5,.961,053INGERNIERÍA DE PERFORACIÓN APLICADA

Cuando ninguna inconformidad mayor es presentada en la litología subterránea, el rango de penetración usualmente disminuye exponencialmente con la profundidad. En estas condiciones, el rango de penetración puede ser relacionado con la profundidad, D, por

dD= K e –

2.303a2D,................................................(1.8)

donde K y a2 son constantes. El tiempo de perforación, td, requerido para la perforación de una profundidad determinada puede ser obtenido por la separación de variables e integrantes. La separación de variables da:

K 0∫td dt = 0∫D e 2.303a2D dD.

Integrando y resolviendo para los campos td,

td = 1 (e 2.303a2D-1) .........................

(1.19) 2.303a2K

De acuerdo a como se va ganando experiencia en un área, predicciones más precisas del tiempo de perforación pueden ser obtenidos mediante el dibujo de la profundidad vs. el tiempo de perforación de operaciones de perforación pasadas. Los dibujos de este tipo también usados para la evaluación de nuevos procedimientos de perforación diseñados para reducir el tiempo de perforación para una profundidad determinada.

Ejemplo 1.6: Los registros de la broca para un pozo perforado en el Mar del Sur de China son mostrados en la Tabla 1.8. Haga dibujos del rango de profundidad vs. rango de penetración y profundidad vs. tiempo de rotación para esta área usando papel semilog. También, evalué el uso de la Ecuación 1.19 para la predicción del tiempo de

perforación en esta área.

Respuesta.Los dibujos obtenidos usando los registros de la broca son mostrados en la Figura 1.66. Las constantes K y a2 pueden ser determinadas usando el dibujo de profundidad vs. rango de penetración en papel semilog. El valor de 2.303a2 es 2.303 divido por el cambio en la profundidad por cada ciclo:

2.303a2 = 2.303 = 0.00034. 6,770La constante 2.303 es factor conveniente debido a que el papel semilog esta basado en logaritmos comunes. El valor de K, es igual al valor del rango de penetración en la superficie. Desde profundidad vs. el dibujo del rango de penetración, K = 280. La sustitución de estos valores: a2 y K en la Ecuación 1.19, da:

td = 10.504 (e 0.0034D – 1).

La línea representada por esta ecuación también ha sido dibujada en la Fig. 1.66. Observe que la línea coincide con al información registrada de la broca sobre el rango de profundidad entero.

Un segundo componente del tiempo requerido para la perforación de un pozo es el tiempo de viaje. El tiempo requerido para las operaciones de separación depende primordialmente en la profundidad del pozo, la torre que esta siendo usada, y las prácticas de perforación que están siendo seguidas. El tiempo requerido para reemplazar una broca y retomar las operaciones de perforación puede ser aproximada usando la siguiente relación:

Fig. 1.65 – Ajuste de Curva Cuadrada de Costos de Pozo Completados, 1998 para

Pozos menores a 7,500 pies en el Área Sur de Louisiana.


tt = 2(ts) D,……………………………………………(1.20) (ls)

donde tt es el tiempo de viaje requerido para el reemplazo de brocas y retomar las operaciones de perforación, ts, es el tiempo promedio requerido para manejar una sarta de perforación. El tiempo requerido para manejar los cuellos de perforación es mayor que para el resto de la sarta de perforación, pero esta diferencia, usualmente no garantiza el uso de un termino adicional en la Ecuación 1.20. Es necesario determinar información histórica de interés para la torre ts.

El análisis previo muestra que el tiempo requerido por viaje incrementa linealmente con la profundidad. Adicionalmente, los pies perforados por una sola broca tiende a disminuir con la profundidad, causando que el número de viajes requeridos para perforar una determinada profundidad incrementa con la profundidad. Los pies perforados entre los viajes pueden ser calculados si un aproximado de la vida de la broca se conoce. La integración de la Ecuación 1.18 entre Di, la profundidad del último viaje, y D, la profundidad del próximo viaje, nos da la siguiente ecuación:

D = 1 Pulg. (2.303a2 Ktb + e 2.303a2Di).,..

(1.21) 2.303a2

El tiempo total de rotación de la broca, tb, generalmente va a variar con la profundidad de acuerdo a como cambie el tamaño y el tipo de la broca. Las Ecuaciones 1.20 y 1.21 pueden ser usadas para estimar el total de tiempo de viaje requerido para perforar una profundidad

= 2,941 pulg. (0.9996+ e 2.303a2

Di)

La primer broca va a perforar a la profundidad del primer revestimiento. Por lo tanto, el primer viaje va a ocurrir a los 500 pies. Los viajes subsecuentes están predicados como se muestra en la Tabla 1.9, Columna 2., es obtenido mediante la selección de la menor de las dos profundidades mostradas en las Columnas 5 y 6. la Columna 3 es obtenida por la suma de la Columna 3 y la Columna 5, es obtenida usando la Ecuación 1.21, y la Columna 6 es obtenida del programa planeado de revestimiento. Los resultados de la Tabla 1.9 han sido dibujados en la Figura 1.67. Las formaciones con gran resistencia requieren el uso de un mayor número de brocas para perforar un intervalo de profundidad determinada. En algunos casos, el número de viajes requeridos para perforar un pozo es mayor para darle un tratamiento individual conveniente a cada viaje como fue realizado en el Ejemplo 1.7. El tiempo requerido por viaje ida y vuelta es relativamente constante sobre un intervalo de 1,000pies. Por lo tanto, el total de tiempo de viaje requerido por cada 1,000 pies es aproximadamente igual al tiempo multiplicado por cada viaje ida y vuelta por el número de viajes por cada 1,000 pies. El número de brocas requeridas por cada 1,000 pies N1

b9, a una profundidad determinada puede ser

aproximada por la división del tiempo de perforación por 1,000 pies, t1

d9 entre el promedio

de vida de la broca para ese intervalo de profundidad:

N1b = t 1 d

tb

El tiempo de perforación requerido para perforar

determinada usando los valores estimados de ts,,

tb,, a2 y K. De acuerdo a la experiencia ganada en un área donde se usa una torre en particular, las predicciones más precisas del tiempo de viaje pueden ser obtenidas mediante el dibujo de la profundidad vs. información del tiempo de viaje de operaciones pasadas.

Ejemplo 1.7 - Hacer un dibujo de un aproximado de profundidad vs. tiempo de viaje para el área del Mar del Sur de China si la torre puede manejar una sarta de perforación de 90 pies en un tiempo promedio de 2.7 minutos. Asuma un tiempo de vida promedio de la broca de 10.5 horas para el intervalo total de profundidad. Use los valores de a2 y K, obtenidos en el Ejemplo 1.6. Así mismo, el programa de revestimiento requiere de un equipo de revestimiento 500, 2000, y 7,500 pies. La profundidad planeada del pozo es de 9,150 pies.

Respuesta:El tiempo requerido por cada viaje ida y vuelta a una profundidad determinada es dado por le Ecuación 1.20:

tt = 2(2.7/60) D = 0.001 D ( 90 )

La profundidad de cada viaje puede ser obtenida del programa de revestimiento y Ecuación 1.21. El uso de la Ecuación 1.21 nos da:

D = 1 Pulg. [0.00034(280)(10.5) + e 2.303a2

Di] 0.00034

desde D a (D + 1,000) puede ser obtenido usando la Ecuación 1.19:

t1d = 1 [e 2.303a

2 (D + 1,000) -1]

2.303a2 K

= 1 (e 2.303a2 –1)

2.303a2 K

Figura 1.66 – Ejemplo Dibujos Tiempo de Perforación para el Área del Sur de China


TABLA 1.8 – REGISTROS DE LA BROCA DEL AREA SUR DE CHINA

Número de Broca

Profundidad(ft)

Profundidad Media

(ft)

Tiempo de Broca

(horas)

Tiempo Total de

Perforación (horas)

Rango Promedio de Penetración

Tamaño de Hoyo

(pulg.)

1 473 237 1.0 1.0 473 15.002 1,483 978 5.0 6.0 202 15.003 3,570 2,527 18.5 24.5 113 12.254 4,080 3,825 8.0 32.5 64 12.255 4,583 4,332 7.0 39.5 72 12.256 5,094 4,839 7.0 46.5 73 12.257 5,552 5,323 14.0 60.5 32 12.258 5,893 5,723 11.5 72.0 30 12.259 6,103 5,998 9.0 81.0 23 12.25

10 6,321 6,212 11.5 92.5 19 12.2511 6,507 6,414 9.0 101.5 21 12.2512 6,773 6,640 9.0 110.5 30 12.2513 7,025 6,899 9.5 120.0 27 12.2514 7,269 7,147 8.0 128.0 31 12.2515 7,506 7,388 16.0 144.0 15 8.516 7,667 7,587 12.0 156.0 13 8.517 7,948 7,808 14.0 170.0 20 8.518 8,179 8,064 8.0 178.0 29 8.519 8,404 8,292 10.5 188.5 21 8.520 8,628 8,516 11.0 199.5 20 8.521 8,755 8,692 7.0 206.5 18 8.522 8,960 8,858 10.0 216.5 21 8.523 9,145 9,053 11.0 227.5 17 8.5

TABLA 1.9 – EJEMPLO CALCULO DEL TIEMPO DE VIAJE PARA EL AREA SUR DE CHINA

(1)Número de

Viaje

(2)Profundidad Di

(ft)

(3)Tiempo de

Viaje(horas)

(4)Tiempo de

Viaje Acumulativo

(horas)

(5)Profundidad, D

(ft)

(6)Próxima

Profundidad de Revestimiento

(ft)

1 500 0.5 0.5 2,299 2,0002 2,000 2.0 2.5 3,205 7,5003 3,205 3.2 5.7 4,057 7,5004 4,057 4.1 9.8 4,717 7,5005 4,717 4.7 14.5 5,256 7,5006 5,256 5.3 19.8 5,711 7,5007 5,711 5.7 25.5 6,105 7,5008 6,105 6.1 31.6 6,452 7,5009 6,452 6.5 38.1 6,762 7,500

10 6,762 6.8 44.9 7,043 7,50011 7,043 7.0 51.9 7,299 7,50012 7,299 7.3 59.2 7,534 7,50013 7,500 7.5 66.7 7,721 9,15014 7,721 7.7 74.4 7,926 9,15015 7,926 7.9 82.3 8,118 9,15016 8,118 8.1 90.4 8,298 9,15017 8,298 8.3 98.7 8,467 9,15018 8,467 8.5 107.2 8,627 9,15019 8,627 8.6 115.8 8,779 9,15020 8,779 8.8 124.6 8,923 9,15021 8,923 8.9 133.5 9,061 9,15022 9,061 9.1 142.6 9,192 9,15023 9,150 9.2 151.8

Esta ecuación se simplifica a:

t1d = 1 [e 2.303a

2 (D + 1,000) -1] ...................

(1.22) 2.303a2 K Multiplicar el número de brocas por 1,000 pies N1

b9,

por el tiempo por viaje de ida y vuelta por 1,000 ft.

Ejemplo 1.8:Calcular el tiempo requerido para el Mar del área del Sur de China, están entre 8,000 y 9,000 pies. Use las condiciones mencionadas en el Ejemplo 1.7.

Respuesta:El tiempo promedio de viaje puede ser estimado usando la


Ecuación 1.20 para una profundidad media de 8,500 pies.

tt = 2(2.7/60)(8,500) = 8,500 pies ( 90 )

El tiempo de perforación requerido para perforar de 8,000 y 9,000 pies es determinado mediante el uso de la Ecuación 1.22:

td = e 0.000348 (8,000) –1= 64.6 horas.

(0.00034)280

Por lo tanto, el número de brocas requerido entre 8,000 y 9,000 pies es:

N1b = t 1 d = 64.6 = 6.15

tb 10.5

La multiplicación del tiempo de viaje por cada viaje por el número de viajes requeridos

8.5(6.15)=52.3 horas

Esto se compara favorablemente con el tiempo de viaje requerido entre 7,926 y 8,923 pies calculado en el Ejemplo 1.7. De la Tabla 1.9, el tiempo de viaje por cada 1,000 pies es mostrado ser:

puede ser debido a problemas de perforación inesperados, tales como , la contaminación del lodo, circulación pérdida, sartas de perforación atoradas, sartas de perforación rotas, roturas del revestimiento, etc. Estos costos no previstos no pueden ser predicados con ningún grado de precisión, y en algunos casos no están incluidos en un costo estimado original. Los requerimientos para fondos adicionales deben de ser presentados cuando un problema significativo sea encontrado. Sin embargo, las decisiones económicas de alto rango concerniente a un programa de perforación en un área determinada incluye los costos promedio debido a problemas de perforación. En las áreas donde la resistencia de la formación es baja, el tiempo utilizado en perforar y separar, podrían ser solamente la mitad o el tercio del tiempo total requerido para terminar el pozo. En la tabla 1.10 se muestra un detalle de tiempo por fallas de una operación de perforación mar adentro en Louisiana, un pozo perforado a 10,000 pies usando una pequeña plataforma con la torre. Únicamente el 36% del tiempo requerido para perforar y completar este pozo fue usado en perforar y separar para el cambio de brocas. Más o menos el 7% del tiempo fue usado “pescando” partes de la sarta de perforación en el hoyo.

TABLA 1.10 EJEMPLO ANÁLISIS TIEMPO DE TORRE PARA TORRES LICITADAS

133.5 – 82.3 = 51.2 horas.

Adicionalmente a predicar las horas requeridas para las operaciones de perforación y separación, los tiempos requeridos para otras operaciones planeadas de perforación también deben de ser estimadas. Estas operaciones adicionales de perforación, usualmente pueden incluirse dentro de las siguientes categorías: (1) preparación ubicación de pozo, (2) movimiento de la torre y construcción de la misma, (3) evaluación de la formación y estudios de la boca del pozo, (4) colocado del revestimiento, (5) termino del pozo, (6) problemas de perforación. El costo asociado con la preparación del terreno para el pozo y mover la torre a la ubicación dependen principalmente en el terreno, la distancia a ser movida, y el tipo de torre usada. El costo de la evaluación de formación depende del número y el costo del diario del perforador y horarios de pruebas, más el tiempo de la torre requerido para condicionar el fluido de la torre, y correr el diario y las pruebas. El tiempo requerido para correr el cemento, y probar el revestimiento, depende principalmente del número de cuerdas en el revestimiento, profundidad del revestimiento, diámetro y peso por pie. Estos costos también deben de incluir el tiempo de la torre requerido para correr el cemento en las cuerdas de revestimiento, la preparación del equipo de superficie en cada tamaño de revestimiento, y talvez cambiar los tamaños de la tubería de perforación o del cuello de la tubería de perforación para acomodar el nuevo tamaño del hoyo. El costo de completar el pozo depende del tipo de termino usado, y el estimado de este costo es frecuentemente realizado por el ingeniero de producción. En muchos pozos, una fracción grande del costo del pozo

Operación de Perforación Total Requerido (horas)

Fracción de

TiempoPerforación 351 0.17Separación 388 0.19Preparación Torre 348 0.17Evaluación de la Formación yestudios del hoyo 103 0.05Colocación del revestimiento

199 0.10

Término del Pozo 211 0.10Problemas de Perforación (total)

450 0.22

Condicionamiento de Lodo ......143Operaciones Control de Pozo ... 12Operaciones de Pesca ............152Clima Dificultoso .................... 97Reparaciones de Torre ........... 20Logística ............................... 26

Total 2,050 1.00

Ejercicios

1.1 La siguiente información fue obtenida de un motor de diesel que estaba operando en un freno prony.

Velocidad del Motor

Torsión(ft-lbf)

Consumo de Combustible

(gal/hr)1,200 1,400 25.31,000 1,550 19.7

800 1,650 15.7600 1,700 12.1

a. Calcular la potencia del freno para cada velocidad del motor. Respuesta: 319.19,295.1,251.3, y 194.2 hp..


b. Calcular la eficacia total del motor para cada velocidad del motor. Respuesta: 0.235, 0.278, 0.297, y 0.298.

c. Calcular el consumo del combustible en galones por día para una velocidad promedio del motor de 800rpm y trabajo por día de 12 horas. Respuesta: 188.4 gal/D.

1.2 Calcular la tensión en el cable de perforación cuando una carga de 500,000 lbf es elevada por medio de 6, 8, 10, y 12 cables entre la polea fija y la polea viajera.Respuesta: 95, 347; 74,316; 61,728; y 54,113 lb

1.3 Una torre debe de elevar una carga de 200,000 lbf. Los motores pueden proporcionar una energía entrante máxima de 800hp. Diez cables son jalados entre la polea fija y la polea viajera, y la línea ahogada es amarrada a una pata de la torre en el lado de la puerta-v. (Fig. 1.17)a. Calcular al tensión estática en el cable de

Respuesta: 368.2 ft.1.10 Para las dimensiones dadas de un tambor de

motor en el Ejercicio 1.9, y una tensión del cable de perforación de 50,000 lbf, comparar la torsión del motor cuando el tambor esta casi vació a la torsión del motor cuando el motor contiene 5 vueltas. Respuesta: 65,104 ft-lbf, vacío; 85,938 ft-lbf con 05 vueltas.

1.11 Tome en consideración una bomba triple que tiene 6 pulgadas y 11 pulgadas de revestimiento, pulsaciones operando a 120 ciclos / minuto y una presión de descarga de 3,000 psig.a. Calcular el factor de bombeo en

unidades de galones / ciclo al 100% de eficacia volumétrica. Respuesta: 4,039 galones / ciclo.

b. Calcular el rango de fluido en galones / minuto. Respuesta: 484.7 galones / minuto.

perforación cuando el movimiento ascendente es inminente. Respuesta: 24,691 lbf.b. Calcular el máximo poder de gancho disponible. Respuesta: 648hp.c. Calcular la máxima velocidad de elevación. Respuesta: 106.9 t/min.d. Calcular la carga de la torre cuando el moviente ascendente es inminente. Respuesta: 244,691 lbe. Calcular el máximo equivalente de la carga de la torre. Respuesta: 280,000 lbf. Calcular el factor de eficacia de la torre. Respuesta: 0.874.

1.4 Calcular el mínimo de tiempo requerido para enrollar un cable de 10,000 pies, con un peso de 1lfb/pies a la superficie usando un motor a 10-hp. Respuesta: 151.5 min.

1.5 Un cable de perforación de 1.25 pulgadas tiene una resistencia nominal a la ruptura de 138,800 lbf. Una carga de 500,000 lbf es prevista en un trabajo de revestimiento y un factor de seguridad basado en condiciones estáticas de carga de 2.0 es requerido. Determinar el mínimo número de cables entre la polea fija y la polea viajera que puede ser usada. Respuesta: 10.

1.6 Un perforador esta jalando una sarta de perforación atorada. La torre tiene la capacidad de soportar un carga equivalente máxima de torre de 500,000 lbf, el cable de perforación tiene una resistencia de 51,200 lbf, y la resistencia de la sarta de perforación en tensión es de 396,000 lbf. Si ocho cables son jalados entre la polea fija y la polea viajera, y los factores de seguridad requeridos para la torre son de 2.0, la tubería de perforación, y el cable de perforación, qué tan fuerte puede jalar el perforador tratando de liberar la tubería atorada? Respuesta: 166,667 lb

1.7 Una torre acelera una carga de 200,000 lbf de cero a 60 pies/min. en 5 segundos. Calcular la carga mostrada en el gancho indicador de la carga. Respuesta: 201,242 lbf.

1.8 Una carga de 400,000 lbf es bajada una distancia de 90 pies usando los frenos auxiliares del motor. Calcular el calor que debe de ser disipado por el sistema de enfriamiento. Respuesta: 46,213 Btu.

1.9 El tambor de un motor tiene un diámetro de 30 pulgadas, un ancho de 56.25 pulgadas, y contiene 1.25 pulgadas de cable de perforación. Calcular la longitud aproximada del cable al primer punto.

c. Calcular la energía expandida por cada pistón durante cada ciclo y la energía de bombeo desarrollada. Respuesta: 77,754 ft-lbf ciclo / cilindro; 848 HP.

1.12 Una bomba doble de doble acción con 6.5 pulgadas de revestimiento, 2.5 pulgadas de varillas, 1.8 pulgadas de pulsaciones, estaba siendo operada a 3,000 psig y 20 ciclos / minuto por 10 minutos con el pistón de succión asilado del fluido de lodo retornante. El nivel de lodo en la fosa de succión, la cual es 7 pies de ancho y 20 pies de largo, fue observado bajar 18 pulgadas durante este periodo. Calcular el factor de bombeo, eficacia de la bomba volumétrica, la fuerza hidráulica desarrollada por la bomba. Respuesta: 7,854 galones / ciclo; 0.82; 274.9 hp.

1.13 Una bomba de 1,000 – hp puede ser operada a una eficacia volumétrica del 90%. Para esta bomba la máxima presión de descarga para varios tamaños de revestimiento es de:

Tamaño de Revestimiento

(pulgadas)

Máxima Presión de Descarga (psig)

7.50 1,9177.25 2,0687.00 2,2296.75 2,4186.50 2,6356.00 3,153

Dibuje las posibles combinaciones del rango de fluido de la presión de la bomba al máximo de la fuerza hidráulica usando papel de coordinaciones cartesianas.

1.14 Una sarta de perforación esta compuesta de 9,000 pies de 5 pulgadas, 19.5- lbm/ pies de tuberías de perforación y 1,000 pies de cuello de tubería teniendo 3.0 pulgadas de ID. Calcular los siguientes ítem:a. Capacidad de la tubería de perforación

en barriles. Respuesta: 159.8 bbl.b. Capacidad del cuello de la tubería en

barriles. Respuesta: 8.7 bbl.c. Número de ciclos de bombeo requeridos

para bombear lodo a la superficie a la broca. La bomba es doble de doble acción con 6.5 pulgadas de revestimiento, 2.5 pulgadas de varillas, 16.5 pulgadas de pulsaciones, y su eficacia de operación volumétrica es de: 85%


Respuesta: 1,164 ciclos.d. El desplazamiento de la tubería de

perforación en bbl/pies. Respuesta: 0.0065 bbl/pies (negligencia herramientas conjuntas)

e. El desplazamiento del cuello de la tubería en bb/pies. El OD del cuello de la tubería en 8.0 pulgadas. Respuesta: 0.0534bbl/pies

f. La pérdida en el nivel del fluido en el pozo si 10 cables de tuberías de

registros de desempeño de la broca de pozos cercanos. Los registros de perforación de tres brocas se muestran abajo, para una sección esquistosa y gruesa encontrada a 12,000 pies. Determinar cuál de las brocas da el menor costo de perforación si el costo de operación de la torre por hora es de $1,000 / hora y el tiempo de viaje es de 10 horas. El tiempo de conexión esta incluido en el tiempo de rotación mostrado abajo.

perforación son jalados sin llenar el hoyo. El ID del revestimiento en el hoyo es de 10.5 pulgadas. Respuesta: 64 pies.

g. La pérdida en el nivel de fluido en el pozo si un grupo de cuellos de la tubería de perforación es jalado sin llenar el hoyo. Respuesta: 108 pies.

h. El cambio en el nivel de fluido de la fosa, si la fosa es 8 pies de ancho y 20 pies de largo, asumiendo que el hoyo es llenado después de jalar los 10 cables de tubería de perforación. Respuesta: 2.5 pulgadas.

i. El cambio en el nivel de fluido en un 3- x 3- pies en un tanque de salida, asumiendo que el hoyo ha sido llenado desde el tanque de salida después de jalar los 10 cables de tubería de perforación. Respuesta: 3.6 pies.

1.15 El registrador de lodo, coloca una muestra de carburo de calcio en la sarta de perforación cuando la conexión es hecha. El carburo de calcio reacciona con el lodo y forma gas acetileno. El acetileno es detectado por el detector de gas en el separador de lodo después de bombear 4,500 pulsaciones. La sarta de perforación esta compuesta de 9,500 pies de 5 pulgadas, 19.5 lbm/pies de tubería de perforación y 500 pies de cuellos de tubería de perforación teniendo un ID de 2,875 pulgadas. La bomba es una doble de doble acción, con un revestimiento de 6 pulgadas, varillas de 2 pulgadas y pulsaciones de 14 pulgadas, así mismo, opera a una eficacia volumétrica del 80%.

a. Estimar el número de ciclos de bombeo requeridos para mover el gas desde la superficie a la broca. Respuesta: 1,400 ciclos (negligencia debido a caída de gas)

b. Estimar el número de ciclos de bombeo requeridos para mover el gas desde la broca hasta el separador de lodo. Respuesta: 3,100 ciclos.

c. Si el rango de penetración de la broca es 20 pies / hora y la velocidad de bombeo es de 60 ciclos / minuto, cuantos pies son perforados por la broca antes de que el gas salga de la formación de la roca destruida por la broca, viaje desde la broca hasta la superficie? Respuesta: 17.2 pies.

1.16 Discutir las funciones del siguiente equipo de perforación marino: elevador marino, cola conjunta, dispositivo tensor neumático, conexión de rebote, deslizamiento conjunto, inclinómetro del cable tensor.

1.17 Un dispositivo tensor neumático es dispuesto tal como se muestra en la Figura 1.64 y tiene un pistón de 10 pies. ¿Cuánto movimiento vertical en el buque es permitido usando este dispositivo? Respuesta: 40 pies.

1.18 Un programa de broca recomendado esta siendo preparado para un nuevo pozo, usando los

Broca Costo de

Broca ($)

Intervalo Perforado (pies)

Tiempo de

Rotación (horas)

A 700 106 9B 4,000 415 62C 8,000 912 153

Respuesta: Broca B ($183.13 / pie)1.19 Los rangos de penetración usando gas,

espuma, y lodo en un área de 10 pies / hora, 5 pies / hora, y 1 pie / hora, respectivamente. Si es usado el gas, cada zona de agua encontrada deberá ser sellada. El costo del tratamiento del taponamiento es de $2,000, y 25 horas del tiempo de la torre son necesarias para completar la operación de sellado. El costo normal de operación para la perforación con aire es de $200 por hora. El uso de agentes espumantes requiere de $60 por hora adicionales. El costo normal de operación cuando se usa el lodo es de $160 por hora. Sin importar el fluido de perforación usado, el promedio del costo de la broca es de $ 1,000. El promedio de vida de la broca es de 25 horas y el tiempo promedio de viaje es de 6 horas. Determinar cual de los fluidos de perforación proporciona el menor costo de perforación si una zona de agua es encontrada a 1,000 pies de perforación y si cinco zonas de agua son encontradas cada 1,000 pies perforados. Respuesta: el gas es el mejor para ambos casos ($35.80 por pies y $63.80 por pie).

1.20 La tubería que esta siendo recobrada de un intervalo del hoyo tiene un valor de $30 por pie. En el promedio, 20 horas del tiempo de la torre debe de ser usado para recobrar 200 pies de la tubería. El costo por pie para ubicar el pozo y volver a perforar el intervalo malo del hoyo sería de aproximadamente $ 150 por pie. Las operaciones de pesca son rentables en un costo de operaciones promedio de $500 por hora y con un costo por abandono del hoyo malo de aproximadamente $5 por pie? Respuesta: pescar es la mejor alternativa ($50 por pie).

1.21 Asuma que Ci representa el costo promedio paral los pozos perforados ni, a una profundidad media Di, y que Ci varia exponencialmente aproximadamente con la profundidad, tal como la siguiente expresión

C= aebD

puede ser usado para una curva de ajuste N, valores observados de Ni, Ci, y Di. Si nosotros definimos un error residual Ri, como ri = ni ln Ci C


es posible determinar las constantes a y b usando los valores observados N , de ni, Di y Ci, de tal forma que la suma de los residuos

Broca No. Profundidad (pies)

Tiempo (horas)

Tamaño de Broca (pulgadas

)

tengan un mínimo valor. La expresiones derivadas para a y b que resultan en un valor mínimo de

1.22 Aplicar la expresión para a y b derivados en el Ejercicio 1.21 para obtener una curva de ajuste menos cuadrada del costo te termino de pozo del área del Sur de Louisiana, la información es dada en la Tabla 1.7 para profundidades del pozo menores a 7,500 pies.

1.23 Completar lo siguiente usando el costo vs. la profundidad de acuerdo a la información brindada en la Tabla 1.7 para hoyos secos perforados en el área del Sur de Louisiana en 1978.a. Un dibujo de costos vs. profundidad en

papel cartesiano.b. Un dibujo de costos vs. profundidad en

papel semilog.c. Determinar un grupo de constantes a y b

de la Ecuación 1.17 que permitan una curva de ajuste de esta información. Respuesta: $59,400 y 0.000096.

1.24 Los registros de broca siguientes fueron obtenidos en base a un pozo perforado en Maverick Country, Texas.

Broca No. Profundidad (pies)

Tiempo (horas)

Tamaño de Broca (pulgadas

)1 500 2.0 17.52 1,925 15.0 17.53 2,526 14.9 17.54 2,895 20.2 17.55 3,177 26.3 17.56 3,452 23.2 17.57 3,937 29.7 17.58 4,286 27.3 17.59 4,621 28.2 17.5

10 4,973 31.3 17.511 5,171 19.4 17.512 5,298 15.9 17.513 5,424 15.9 17.514 5,549 15.7 17.515 5,625 13.8 17.516 5,743 15.8 17.517 5,863 18.9 17.518 6,006 16.2 17.519 6,158 18.4 17.520 6,340 27.3 17.521 6,602 29.8 17.522 6,783 23.9 17.523 6,978 26.4 17.524 7,165 27.3 17.525 7,292 21.5 17.526 7,386 20.5 17.527 7,528 26.5 17.528 7,637 22.8 17.529 7,741 23.8 17.530 7,795 17.2 12.031 7,855 26.4 12.032 7,917 26.9 12.033 7,988 26.8 12.034 8,060 25.8 12.0

35 8,494 270.0 12.036 8,614 35.1 12.037 8,669 19.0 12.038 8,737 29.7 8.539 8,742 3.4 8.540 8,778 8.5 8.541 9,661 179.3 8.542 9,874 65.0 8.543 9,973 30.0 8.544 10,016 11.8 8.545 10,219 64.7 8.546 10,408 57.2 8.547 10,575 61.2 8.548 10,661 36.1 8.5

a. Dibujar profundidad vs. tiempo de rotación para este pozo.

b. Evaluar el uso de la Ecuación 1.19 en esta área.

c. Asumir que la torre puede jalar cables triples a un tiempo promedio de 4 minutos por grupo de cables, dibujar el tiempo del viaje por viaje vs. profundidad. Respuesta: tt= 0.00148 D.

d. Usando los registros de la broca, hacer un dibujo del tiempo total de viaje vs. profundidad.

e. Comparar el desempeño de las brocas 34 y 35. Asumir un costo de operación diario de $800 por hora, pero únicamente puede jalar cables dobles. Las otras torres cuestan $ 1,000 por hora, pero pueden jalar cables triples. En esta área K es 200 pies / hora y 2.303ª2 es 0.0004. El tiempo requerido para jalar un grupo de cables es de 4 minutos para ambas torres. Considerando únicamente los costos de las operaciones de separación, cuál torre sería la mejor para un pozo perforado 7,000 pies? Hay que asumir una vida promedio de la broca de 10 horas para todas las brocas y revestimientos de profundidad de 500 y 2,000 pies. Respuesta: Torre Triple ($151,200 vs. $181,400).

Capitulo 1 - Perforación Rotaria

Documents

Transcript of Capitulo 1 - Perforación Rotaria