Equipos de perforación: Sistema de Levantamiento.. Su función principal es soportar el sistema de rotación, además de proporcionar el desplazamiento vertical necesario a la sarta de perforación durante el enrosque o desenrosque de la tubería. Se cree que este es el sistema que mas energía necesita pues es el que tiene que soportar el peso de cientos de metros de tubería pesada y que en ocasiones necesita retirarse lo que implica levantar dicha tubería de manera vertical y estaríamos hablando de decenas de toneladas. Con los avances en la tecnología los antiguos sistemas de poleas se han reducido dando paso a sistemas hidráulicos Componentes: * La torre o Cabria de Perforación: Es una estructura de acero de silueta piramidal cuyas patas se asientan y aseguran sobre las esquinas de una subestructura metálica muy fuerte. La cabria resiste mas de 100 toneladas de peso en tubería de perforación además brinda la altura necesaria para manejar la metida y sacada (viajes) de la tubería al hoyo. Las torres pueden ser fijas o portátiles, telescópicas o trípodes. La torre esta formada por la corona (cornisa) la plataforma del encuellador y la subestructura. * La Subestructura: Es la parte inferior de la torre que está debajo del piso de perforación. Es un conjunto de vigas resistentes que debe soportar el mástil (Torre o cabria), los equipos elevadores y el sistema de rotación. Esta estructura provee espacio debajo de la torre para instalar grandes válvulas de seguridad impide reventones (BOP) que evitan la arremetida del pozo, la subestructura soporta todo el peso de la torre, el de la mesa rotatoria, el del bloque, el del cuadrante (Kelly) y de toda la sarta. * El Piso del Taladro o Planchada: Es el piso de trabajo donde ejecutan las actividades los ayudantes de perforación con cuñas y llaves de apriete entre otras. * El Malacate: Ubicado entre las dos patas traseras de la cabria, sirve de centro de distribución de potencia para el sistema de elevador o levantamiento y el sistema rotatorio. Su funcionamiento esta a cargo del perforador. Consiste del carrete principal que sirve para devanar y mantener arrollados cientos de metros de cable de perforación. Sirve para subir y bajar el grupo móvil de poleas. * El Bloque Corona: Es la parte superior de la torre donde se instala un sistema de poleas fijas por donde pasan las líneas de perforación, este sistema soporta la carga total sobre la torre mientas se corre la tubería. * El Bloque Viajero: (Travelling Block). Es polipasto o sistema de poleas que se encuentran dentro de una carcasa de acero por donde pasa la línea de perforación varias veces y se encarga de sostener, subir y bajar las cargas del taladro en forma segura. Es una estructura grande de acero que pesa de 2 a 12 toneladas y capaz de suspender de 60 a 700 toneladas según características. * Encuelladero: Plataforma de trabajo ubicada al lado de la torre. Es donde el encuellador coloca las parejas de tuberías y barras durante la sacada y metida de tuberías del hoyo. * El Gancho: (Hook). Herramientas de acero que se acopla al asta del bloque viajero sirve para sostener la junta giratoria del sistema de rotación durante la perforación del gancho también cuelgan los escalones del elevador que sirve para colgar o correr la tubería * Los Elevadores: Son los equipos que cuelgan o suspenden la sarta de perforación en el pozo. También permiten subir o bajar la sarta dentro del pozo, es decir, realizar viaje de tuberías. También permite controlar el peso sobre la sarta.
* La Guaya de Perforación: Son los cables ó guayas de acero que se utilizan para suspender y sostener las cargas manejadas en la torre. Las líneas de perforación pasan por el bloque viajero y por la corona. Este cable viene en un gran carrete. Las líneas de perforación constan de seis ramales torcidos de acero y cada ramal consta de 9 hebras externas también torcidas que envuelven el núcleo o centro. * Línea Viva: Es la guaya que viaja continuamente hacia arriba o hacia abajo y que se enrolla o desenrolla en el tambor del malacate. * Línea Muerta: Es la guaya que esta fija al pie de la torre en el ancla del cable. * Ancla de Cable Muerto: Es para asegurar firmemente el cable de perforación y lo protege de los desplazamiento. El cable que sale del carrete, se pasa por el ancla para después pasar por las poleas fijas, al bloque viajero y al malacate; luego el cable es fijado en el ancla. * La plataforma del encuellador: Es el piso del Encuelladero que esta debajo de la corona y es donde se maneja la tubería en orden y con seguridad para meterla o sacarla del hoyo, aquí el bloque viajero sube hasta la plataforma, donde el encuellador ya ha capturado y desplazado la parte superior de la pareja y termina enganchando y asegurando el cuello de pesca de la pareja al elevador del bloque. Luego el perforador procede a bajar la pareja para conectarla y después meterla al hoyo. * Las Cuñas: Son piezas de metal ahusado y flexible con dientes y otros dispositivos de agarre, empleadas para sostener la tubería en la mesa rotatoria alternativamente durante un viaje y evitar que se resbale hacia adentro del hoyo cuando se esta conectando o desconectando la tubería. Las cuñas encajan alrededor de la tubería y se calzan contra el buje maestro. Las cuñas rotatorias se utilizan exclusivamente con tubería de perforación; para el manejo de porta mechas y tubería de revestimiento se utilizan otro tipo de cuñas. La acción presionadora de las cuñas en el buje maestro, cambia la dirección de la fuerza vertical (hacia abajo), ejercida por la sarta de perforación y la convierte en fuerza lateral o transversal contra la tubería. * Llaves de Potencia: Comúnmente llamadas tenazas, se usan conjuntamente con las cuñas para hacer las conexiones de tubería y para realizar viajes. Permitiendo enroscar y desenroscar la tubería de perforación. * Cadena de Enroscas: Es una cadena de acero utilizada para enroscar una unión de tubería cuando se esta introduciendo tubería al hoyo, enrollando un extremo de la cadena alrededor de la unión de tubería en las cuñas y el otro extremo se sujeta al tambor de enroscar del malacate. Se lanza la cadena por encima del tubo a enroscar y se procede a realizar la conexión; se levantan las cuñas y se introduce la tubería en el hoyo. 2. Sistema de Rotación.. Realmente depende del tipo de taladro, el más común es el de mesa rotatoria, el cual consiste en una mesa giratoria ubicada al pie del taladro que posee un agujero en su centro generalmente de forma hexagonal por el cual se introduce la tubería de perforación la cual por también contar con una forma hexagonal rota junto a la mesa. Esta mesa gira porque es accionada por una conexión de diferenciales que va unida a un motor de alta potencia. Componentes: * Sarta de Perforación: Esta compuesta de tubería de perforación y una tubería especial de paredes gruesas llamada porta mechas o lastra barrenas. El lodo circula a través de los porta mechas al igual que a través de la tubería de perforación. Transmite la potencia rotatoria a la mecha para poder perforar.
* Tubería de Perforación: Constituye la mayor parte de la sarta de perforación, esta soportada en la parte superior por el cuadrante, el cual se transmite la rotación a través de la mesa rotatoria. Un tubo de perforación mide aproximadamente 30 píes, cada tubo tiene dos roscas, una interna denominada caja y otra externa conocida como espiga o pin. Cuando se conecta un tubo a otro, la espiga se inserta en la caja y la conexión se enrosca. * Porta Mechas o Lastra Barrenas: Son cuerpos de acero mas pesados que la tubería de perforación y se utilizan en la parte mas profunda del hoyo para darle peso a la mecha y permitir que esta avance y se perfore un hoyo lo más vertical posible, bajo el principio del péndulo. El peso de los porta mechas depende de su longitud, diámetro interno y externo; su longitud API es de 30´, aun cuando los hay más corto o más largos. * La mesa Rotatoria: Es una maquinaria sumamente fuerte y resistente que hace girar el cuadrante y a la sarta de perforación. Cuando la perforación avanza, la mesa rotatoria gira hacia la derecha; luego, cuando se extrae la tubería del hoyo, la mesa sostiene la sarta de perforación con las cuñas durante los intervalos cuando la tubería no esta suspendida del gancho. Cuando la mecha llega al fondo del hoyo, la mesa rotatoria vuelve a girar variando su velocidad entre 40 a 200 RPM. A medida que el hoyo se va profundizando, el cuadrante baja a través de los bujes que van montados en las aberturas de la mesa. * La unión Giratoria: Esta conectada directamente a la válvula de seguridad y al cuadrante, permitiendo que la sarta de perforación gire. Además de sostener la sarta, sirve de conducto para que el lodo de perforación circule. Puede girar a más de 200 revoluciones por minuto, sostener cargas de cientos de toneladas y soportar presiones hidráulicas mayores a 3000 libras por pulgada cuadrada. Esta construida de acero de alto grado ya que debe soportar grandes esfuerzos, lo cual garantiza una alta durabilidad. * Cuadrante o Junta Kelly: Es un tramo de la tubería de forma cuadrada hexagonal o triangular, generalmente de 40 píes de largo, cuyo objetivo es transmitir el movimiento de rotación de la mesa rotatoria a la sarta de perforación. A medida que el buje maestro de la mesa rotatoria gira, este hace girar el buje del cuadrante; como la tubería de perforación esta conectada a la base del cuadrante, esta también tiene que girar. Igualmente, el cuadrante es parte del sistema de circulación del fluido de perforación. * Mechas: La mecha es uno de los componentes del sistema de rotación de mayor importancia durante la perforación de un pozo. Mientras esta en el fondo perforando, esta ganando dinero. Para continuar su labor, la mecha debe desempeñarse adecuadamente, dependiendo su eficiencia de varios factores como: estado físico, el peso sobre la mecha y la velocidad de rotación aplicados sobre ella. 3. Sistema de Circulación.. En este sistema se trabaja con altas presiones, ya que consiste en la circulación de lodo químico a alta presión, cuyo objetivo es "Lubricar", "Refrigerar" y "Transportar" los escombros removidos por la mecha a su paso dentro del terreno. Es de vital importancia ya que sin este sistema el taladro no lograría penetrar ni siquiera 5 metros en el suelo, pues la fricción fuese tremenda y por consiguiente también la temperatura aumentaría y se fundiría la mecha. Componentes: * Casa de Química: Es el sitio donde se almacenan los aditivos que se utilizan en la preparación del lodo. * Tanques de Lodo: Serie de tanques abiertos, a través de los cuales el lodo es circulado para permitir que la arena y sedimentos se depositen y sean retirados. Aditivos son mezclados con el lodo y este es temporalmente almacenado antes de ser bombeado nuevamente al pozo. Los tanques están divididos en comportamientos de acuerdo con su uso; shaker pits, settling pits y suction pits.
* El Embudo: Equipo utilizado para agregar al lodo los aditivos en forma rápida. * Tanque de Mezcla de Química: El tanque o barril químico es un equipo utilizado para agregar químicos líquidos al lodo de perforación. * Depósitos a granel: Permiten almacenar grandes cantidades de aditivos como la Barita y que pueden ser agregados al lodo en forma rápida. * Tanques de Almacenamiento: Los tanques que contienen fluidos y facilitan el manejo de ellos en la superficie. * Bombas de Lodo: son las que recogen el lodo de los tanques y lo envían a través de una Línea de Descarga hasta un tubo colocado paralelo al taladro llamado Tubería Parada o Stand Pipe. * Líneas de descarga: Las cuales transportan el lodo bajo presión. Es por donde circula el lodo desde la bomba de lodo hasta llegar al tubo vertical. * Tubo Vertical (Stand Pipe): Esta ubicado paralelo a una de las patas de la torre y conecta la línea de descarga de las bombas de lodo con la manguera de lodo, la cual se conecta con la unión giratoria y permite el paso del lodo a través de la misma. * Manguera rotatoria: Es una manguera flexible de alta resistencia llamada Manguera de Lodos la cual esta conectada a la cabeza de inyección o Unión Giratoria. * Tanque de Asentamiento: Es donde se almacena el lodo después que sale del pozo para que las partículas sólidas se asienten y los gases se liberen. * Vibradores: Son los componentes primarios de cualquier sistema de circulación de fluido; funcionan con motores eléctricos conectados directamente a ellas o con energía transmitida por la central de distribución. Tiene mucha potencia y son capaces de mover grandes volúmenes de fluidos a presiones altísimas. El vibrador o rumbera, separa estos sólidos utilizando una malla o Tamiz Vibradora, accionada por motores eléctricos. * Desarenadores: Son utilizados con el propósito de separar la arena, utilizando generalmente un cono de 6” o más de diámetro interno. Estos conos manejan grandes volúmenes de lodo pero tienen la desventaja de seleccionar tamaños grandes de partículas, de allí que debe ser instalado adecuadamente. * Desgasificador: Son equipos que permiten la separación continua de pequeñas cantidades de gas presente en el lodo. El gas al entrar en contacto con el lodo de perforación, provoca una reducción en su densidad, cuestión indeseable durante el proceso de perforación, ya que puede dar origen a una arremetida por la disminución de la presión hidrostática. 4. Sistema de Potencia.. Anteriormente solía componerse por enormes calderas y motores a vapor, pero por razones de seguridad y espacio fue sustituido por motores Diesel que eran de reducido tamaño pero de mucha más eficacia. Actualmente las salas de maquina de los taladros se suelen dividir en distintas etapas para mayor eficacia. Componentes: * Los motores primarios: Grandes motores diesel se usan como prime Movers. Producen 500 a más de 8000hp (350 a 5600 Kw). Los constructores de taladros usualmente tienen varios motores juntos para
mover todos los equipos, también poseen motores extra disponible. Muchos motores de taladros son diesel, ya que pueden producir mucha potencia cuando funcionan lentamente. * El Sistema de Transmisión de Potencia: Existen varias formas básicas en las cuales un taladro distribuye o transmite potencia: * Sistemas de Potencia AC a DC o SCR (Silicium Controller Rectifier): En un sistema eléctrico AC a DC el motor diesel alimenta un generador AC también llamado alternador. Desde el generador AC la corriente eléctrica es enviada al SCR (Silicón Controller Rectifier). Un SCR es un instrumento electrónico de estado sólido de alta tecnología. El SCR convierte AC en DC, accionado equipo como: Bomba de Lodo, Malacate y Mesa Rotatoria. * Sistema de Potencia DC a AC: En esta clase de sistema, los motores diesel le transmiten potencia a generadores de corriente directa. Desde el generador, la corriente DC va a un panel de control y a los motores de corriente directa que accionan: Las bombas de lodo, el Malacate y la Rotaria. * Sistema de Potencia DC a DC: Para distribución eléctrica. Fue el primer sistema de potencia eléctrica. Cada motor acciona un generador DC, el cual convierte la energía mecánica rotatoria del motor diesel en electricidad DC. Los cables eléctricos para trabajo pesado llevan la electricidad DC a través del panel de control, a grandes motores DC de 1000hp (700 KW). Los motores DC convierten energía eléctrica en energía mecánica para suministrar potencia al sistema de levante, rotación y circulación del taladro. * Sistema de Potencia Hidráulica y Neumática: Muchas herramientas usan sistemas hidráulicos para transmitir potencia. Por ejemplo: a. El Kelly Spinner b. El Iron Roughneck c. Las llaves para Casing. La Fuerza hidráulica es el término de transferencia de potencia al empujar un líquido confinado. Un pistón se mueve dentro de un cilindro, el fluido hidráulico llena el cilindro hasta la longitud del pistón. Es una gran cantidad de fuerza disponible para ciertas herramientas y equipos. a. b. c. d. e. f.
La Potencia Hidráulica o Hydraulic Power Back, es típico y se usa en muchos equipos e incluye: Motores eléctricos o motores de combustión interna Contenedor de combustible Bomba de alta potencia Skid Retorno del fluido hidráulico al contenedor. Kelly spinner.
5. Sistema de Seguridad.. La seguridad es lo mas importante por que uno como persona debe tener cuidado con un aparato técnico o industrial Componentes: * La Unidad de Acumulador: Al producirse una urgencia es esencial cerrar el pozo lo más rápido posible para evitar un urgencia mayor. En general, los sistemas manuales son más lentos que las unidades hidráulicas y pueden permitir mayores volúmenes de entrada de fluidos. Se han probado bombas de inyección, aire del equipo y bombas hidráulicas como unidades de cierre, y todos han dado resultados poco satisfactorios. Los sistemas Acumuladores Hidráulicos son las primeras unidades de cierre en dar buenos resultados. La finalidad del acumulador es proveer una forma rápida, confiable y practica de cerrar los BOP en caso de urgencia. * El conjunto de válvula impide reventones: Son equipos que se utilizan para cerrar el pozo y permitir que la cuadrilla controle un cabeceo o arremetida antes de que ocurra un reventón. Existen dos tipos
básicos de preventores: Anula y de Ariete. Los anulares poseen elementos de goma que sella el cuadrante, la sarta de perforación, los porta mechas o al hoyo mismo si existiera sarta en el hoyo. Los de ariete consisten en grandes válvulas de acero (arietes) que tienen elementos de goma que sirven de sello. * El múltiple de estranguladores: El estrangulador (choque) es un elemento que controla el caudal de circulación de los fluidos. Al restringir el paso del fluido con un orificio, se genera una contrapresión o fricción extra en el sistema, lo que provee un método del control del caudal del flujo y de la presión del pozo. Existen 4 tipos, el estrangulador Fijo (Porta orificio), Estrangulador Ajustable, Estrangulador Manual Ajustable y Estrangulador Ajustable a Control Remoto. * Línea de Matar: Van desde la bomba de lodo al conjunto de válvulas de seguridad, conectándose a esta en el lado opuesto a la línea de estrangulación. Componentes de un taladro 1Corona. 3Cable de perforación. 4Monkeyboard. 5Bloque viajero. 6Top crive. 7Mástil. 8Tubería de perforación. 9Casa del perro. 10Preventoras. 13Generadores. 15Bombas de lodo. 17Tanques de lodo. 18Piscina de reserva. 20Zarandas. 21Choke manifold. 22Rampa de tubería. Corona (crown) Es un ensamble de poleas montado sobre vigas en el tope del taladro. El cable de perforación es corrido sobre las poleas hasta el tambor de levantamiento (parte del malacate) Catline boom & hoist line Estructura metálica erigida cerca del tope del taladro, usada para levantar material Cable de perforacion (drilling line) Es un cable grueso de acero, organizado en un tambor o carretel que recorre la corona y el bloque viajero. Su propósito primario es levantar o bajar dentro del pozo la tubería de perforación o el revestimiento. Es también usado para soportar las herramientas de perforación. Encuelladero (monkeyboard) Es la plataforma de trabajo del encuellador desde donde organiza la tubería de perforación, su altura depende del número de tubos conectados que se manejen en el taladro, por lo general tres (90 pies) Bloque viajero (travelling block) Es un arreglo de poleas a traves del cual el cable de perforación es manejado y su o baja en la torre
Top drive El top drive rota la sarta de perforación y la broca sin usar la mesa rotatoria. Es operado desde una consola de control en el piso del taladro (rig floor) Torre o mastil (mast) Es una estructura portátil con la capacidad de ser erigida o izada como una unidad a la posición de trabajo Tubería de perforacion (drill pipe) Son tubos de alto peso, usados para rotar la broca y circular el fluido de perforación. por lo general son juntas de 30 pies que permiten acoplarse entre ellas y con las herramientas necesarias para perforar Casa del perro (dog house) Es un pequeño cuarto ubicado en el piso del taladro, usado como oficina del perforador y como almacén para herramientas pequeñas Preventora anular (blowout preventer) Es una válvula de gran tamaño, instalada sobre la cabeza del pozo y sobre las preventoras de ariete que forma un sello en el espacio anular entre la tubería y la pared del pozo o en caso de no haber tubería presente, sella el pozo Tanques de agua (water tank) Usado para almacenar agua que es utilizada en la mezcla del fluido de perforación de cemento y para la limpieza del taladro Bandeja del cableado (electric cable tray) Soporta el peso de los cables eléctricos que alimentan el poder desde el panel de control a los motores del taladro y el equipo adicional Generadores (enghien generators sets) La energía para el taladro es producida por motores que trabajan con diesel, gas o gasolina, así como con un sistema mecánico de transmisión y generadores. La mayoría de taladros actuales usa generadores eléctricos que dan potencia a motores eléctricos en otras partes del equipo. Tanques de combustible (fuel tanks) Tanques para el almacenamiento del combustible para el sistema de generación de poder Proceso de Perforacion: El tiempo de perforación de un pozo dependerá de la profundidad programada y las condiciones geológicas del subsuelo. En promedio se estima entre dos a seis meses. *La perforación se realiza por etapas, de tal manera que el tamaño del pozo en la parte superior es ancho y en las partes inferiores cada vez más angosto... Esto le da consistencia y evita derrumbes, para lo cual se van utilizando brocas y tubería de menor tamaño en cada sección. Así, por ejemplo, un pozo que en superficie tiene un diámetro de 26 pulgadas, en el fondo puede tener apenas 8.5 pulgadas. *Durante la perforación es fundamental la circulación permanente de un "lodo de perforación", el cual da consistencia a las paredes del pozo, enfría la broca y saca a la superficie el material triturado… Ese lodo se inyecta por entre la tubería y la broca y asciende por el espacio anular que hay entre la tubería y las paredes del hueco. El material que saca sirve para tomar muestras y saber qué capa rocosa se está atravesando y si hay indicios de hidrocarburos. *Durante la perforación también se toman registros eléctricos que ayudan a conocer los tipos de formación y las características físicas de las rocas, tales como densidad, porosidad, contenidos de agua, de petróleo y de gas natural...
Igualmente se extraen pequeños bloques de roca a los que se denominan "corazones" y a los que se hacen análisis en laboratorio para obtener un mayor conocimiento de las capas que se están perforando. *Para proteger el pozo de derrumbes, filtraciones o cualquier otro problema propio de la perforación, se pegan a las paredes del hueco, por etapas, tubos de revestimiento con un cemento especial que se inyecta a través de la misma tubería y se desplaza en ascenso por el espacio anular, donde se solidifica… La perforación debe llegar y atravesar las formaciones donde se supone se encuentra el petróleo. El último tramo de la tubería de revestimiento se llama "liner de producción" y se fija con cemento al fondo del pozo. *Al finalizar la perforación el pozo queda literalmente entubado (revestido) desde la superficie hasta el fondo, lo que garantiza su consistencia y facilitará posteriormente la extracción del petróleo en la etapa de producción… El común de la gente tiene la idea de que el petróleo brota a chorros cuando se descubre, como ocurría en los inicios de la industria petrolera. Hoy no es así. Para evitarlo, *desde que comienza la perforación se instala en la boca del pozo un conjunto de pesados equipos con diversas válvulas que se denominan "preventoras"… *Desde el momento en que se inicia la investigación geológica hasta la conclusión del pozo exploratorio, pueden transcurrir de uno a cinco años. La perforación se adelanta generalmente en medio de las más diversas condiciones climáticas y de topografía: zonas selváticas, desiertos, áreas inundables o en el mar… *Cuando se descubre el petróleo, alrededor del pozo exploratorio se perforan otros pozos, llamados de "avanzada", con el fin de delimitar la extensión del yacimiento y calcular el volumen de hidrocarburo que pueda contener, así como la calidad del mismo… La perforación en el subsuelo marino sigue en términos generales los mismos lineamientos, pero se efectúa desde enormes plataformas ancladas al lecho marino o que flotan y se sostienen en un mismo lugar. Son verdaderos complejos que disponen de todos los elementos y equipo necesarios para el trabajo petrolero. En la exploración petrolera los resultados no siempre son positivos. En la mayoría de las veces los pozos resultan secos o productores de agua. En cambio, los costos son elevados, lo que hace de esta actividad una inversión de alto riesgo. Hidráulica de perforación: 1. patrón y régimen de flujo de los lodos Los patrones a regímenes de flujo frecuentemente encontrados en tuberías verticales en dos fases son mostradas en la figura 1. La mayoría de los investigadores avocados a este estudio definen cuatro regímenes que pueden ocurrir en una tubería vertical. Los nombres y descripciones dadas por Orkiszewski serán usadas en esta discusión (Beggs and Brill, 1991). A continuación se presenta una breve descripción de la manera en la cual los fluidos se distribuyen en la tubería para cada régimen. Flujo de burbuja: La tubería se encuentra prácticamente llena de líquido y la fase de gas libre se presenta en pequeñas burbujas las cuales se mueven a diferentes velocidades exceptuando aquellas que por su densidad tienen pequeños efectos en el gradiente de presión. La pared de la tubería esta siempre en contacto con la fase líquida (Fig.a) (Beggs and Brill, 1991). Flujo Slug: La fase gaseosa es mas significativa. Sin embargo la fase líquida sigue siendo continua, las burbujas de gas coalescen y forman tapones o slugs los cuales ocupan prácticamente toda la sección transversal de la tubería. El líquido que rodea la burbuja puede moverse a bajas velocidades en forma descendente. El gas y el líquido tiene efectos significativos en la caída de presión (Fig.b) (Beggs and Brill, 1991).
Flujo de transición o churn: Es cuando ocurre el cambio de la fase líquida continua a la fase de gas continua. Las burbujas de gas pueden unirse y el líquido puede entrar en la burbuja. Aunque los efectos del líquido son significantes, dominan los de la fase gaseosa (Fig.c) (Beggs and Brill, 1991). Flujo anular: La fase gaseosa es continua y la mayor parte del líquido se introduce en ésta en forma de gotitas. La pared de la tubería esta cubierta por una película de líquido y las fases gaseosas controla la caída de presión (Fig.d) (Beggs and Brill, 1991). 2. tipos de fluido Los fluidos se clasifican de acuerdo a sus características de tensión y la relación de esta con el líquido, es decir en Newtonianos y no Newtonianos: LOS NEWTONIANOS: Se caracterizan por tener una relación de equilibrio lineal entre su tensión y su gradiente de velocidad cero a cero. Newtoniano: Agua La mayoría de las soluciones de sal en agua Suspensiones ligeras de tinte Caolín (mezcla de arcilla) Combustibles de gran viscosidad Gasolina Kerosene La mayoría de los aceites del motor La mayoría de los aceites mineral. Es decir el estado de estos fluidos es equilibrado en el cual el fluido da la impresión de no Sufrir tensión en su recorrido. LOS NO NEWTONIANOS: En estos su gradiente de velocidad dependerá de la viscosidad de dicho líquido, lo cual quiere decir que el líquido sufrirá una más alta o baja presión de acuerdo a su velocidad y viscosidad. No-newtoniano: • Producción seudoplástica, bingham plástico, producción dilatante Arcilla Barro Alquitrán Lodo de aguas residuales Aguas residuales digeridas Altas concentraciones de incombustible en aceite Soluciones termoplásticos del polímero. • Seudoplástico Lodo de aguas residuales Celulosa Grasa Jabón Pintura Tinta de la impresora Almidón Soluciones del látex La mayoría de las emulsiones. Entre muchos otros que forman parte de esta red de fluidos no Newtonianos, comprenden lo que son los compuestos de alta densidad y de alta viscosidad. 3. modelos reológicos Son una relación matemática que no permiten caracterizar la naturaleza reológica de un fluido determinado, esta se encarga estudiar la deformación dada a una tasa de corte específica, la cual permite analizar la hidráulica de perforación rotatoria en el cual se utilizan modelos como: plástico de Bingham, y la ley de potencia. Estas son utilizadas por su gran simplicidad en la utilización de la ecuación de flujo y en la facilidad con la que se estiman parámetros involucrados. Sin embargo ciertos autores y científicos han llegado a la conclusión de que éstos modelos no estudian un rango amplio del comportamiento de los fluidos con lo cual no son válidos para el estudio de fluido a gran escala extendiendo así el estudio característico de los fluidos a otros modelos. En este estudio se seleccionan tres adicionales a los tradicionalmente usados, para analizar el comportamiento de los lodos en rangos de trabajo más amplios, ellos son: Ley de Potencia Modificada (Herschel-Bulkley), modelo de Robertson-Stiff y Ecuación de Casson. Los modelos se definen sin tener en cuenta el efecto de la rotación ni la variación de la temperatura con la profundidad. Modelo plástico de Bingham Es un modelo de dos parámetros muy usado en la industria. La ecuación que lo define es:
Un fluido Plástico de Bingham no comienza a fluir hasta que el esfuerzo de corte aplicado exceda el valor mínimo
. A partir de este punto el cambio en el esfuerzo de corte es proporcional a la tasa de
corte y la constante de proporcionalidad es la viscosidad plástica LEY DE POTENCIA Es un modelo de dos parámetros para el cual la viscosidad absoluta disminuye a medida que la tasa de corte aumenta. La relación entre la tasa de corte y el esfuerzo de corte está dada por la siguiente ecuación: No existe un término para el punto de cedencia por tanto bajo este modelo los fluidos comienzan a fluir a una tasa de corte cero. Viendo estos dos modelos se diferencian en las siguientes características en que el modelo plástico el fluido comienza a generar movimientos después que el corte se ha aplicado, y en la ley de potencia no importa si este haya aplicado ya un esfuerzo mínimo superior al corte, éste fluirá sin dicho esfuerzo. Modelo de Casson Da una buena descripción de las características reológicas de los fluidos de perforación. A altas temperaturas y bajas presiones la aproximación se hace más pobre. La relación que los caracteriza es: Modelo de Herschel–Bulkley Resultado de la combinación de aspectos teóricos y prácticos de los modelos Plástico de Bingham y Ley de Potencia. La siguiente ecuación describe el comportamiento de un fluido regido por este modelo: En este modelo los parámetros se definen igual que en Ley de Potencia. Como casos especiales se tienen que el modelo se convierte en Plástico de Bingham cuando y en Ley de Potencia cuando Modelo de Robertson–Stiff Un modelo hibrido de los modelos Ley de Potencia y Plástico de Bingham para representar lechadas de cemento y lodos. La ecuación que lo caracteriza es:
El parámetro es considerado como una corrección a la tasa de corte, de modo que representa la tasa de corte requerida por un fluido seudo-plástico puro para producir el esfuerzo de cedencia del modelo de Bingham. Los parámetros se definen igual que en Ley de Potencia. Los modelos ya mencionados dependen de ciertos parámetros para ser calculados. Esto dependerán de los valores dados los valores de corte y flujo. Caídas de presión en tuberías: La caída de presión es uno de los factores que frecuentemente se ignoran al calcular las dimensiones de los sistemas. Los datos sobre caídas de presión para equipo son por lo general proporcionados por el fabricante del equipo. Normalmente se conoce la presión estática en el sistema. En algunos casos puede hacerse muy poco acerca de las tuberías existentes, las cuales pueden ser de un tamaño marginal o definitivamente demasiado pequeñas. En este caso, otros procedimientos, tales como instalar una unidad de mayor tamaño o aumentar el diámetro de la tubería en secciones críticas del sistema, pueden ser necesarios. La manera en que puede calcularse una caída de presión típica y el flujo requerido, podría parecer un proceso complicado. Sin embargo, solamente consiste de una serie de pasos sencillos. Es importante conocer los requisitos específicos del código de tuberías que han sido adoptados, y puestos en vigor, por la jurisdicción responsable de vigilar la seguridad e integridad de construcciones y tuberías en el área geográfica de instalaciones de equipo de tratamiento.
Esquema de un yacimiento petrolífero. La instrumentación de la tubería comprende transmisores de caudal (FT), transmisores de presión (PT) y transmisores de temperatura (TT).
4. diseño de la hidráulica de un lodo El Fluido de Perforación es un fluido de características químicas y físicas apropiadas, que puede ser aire o gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite con diferente contenido de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales y además, estable a altas temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias. El objetivo principal que se desea lograr con un fluido de perforación, es garantizar la seguridad y rapidez del proceso de perforación, mediante su tratamiento a medida que se profundizan las formaciones de altas presiones, la circulación de dicho fluido se inicia al comenzar la perforación y sólo debe interrumpirse al agregar cada tubo, o durante el tiempo que dure el viaje que se genere por el cambio de la mecha. Entre sus principales Funciones se encuentran: • Transportar los Ripios de Perforación, Derrumbes o Cortes desde el Fondo del Hoyo hasta la Superficie: Los ripios de perforación deben ser retirados del pozo a medida que son generados por la rotación de la mecha; para lograrlo, el fluido de perforación se hace circular dentro de la columna de perforación y con la ayuda de la mecha se transportan los recortes hasta la superficie, subiendo por el espacio anular. La remoción eficaz y continua de los ripios, depende del tamaño, forma y densidad de los recortes, de la velocidad de penetración, rotación de la columna de perforación y de la viscosidad, siendo el parámetro más importante, la velocidad anular del fluido de perforación, el cual depende del caudal o régimen de bombeo y para esto, el fluido debe ser bombeado a la presión y volumen adecuado, logrando que el fondo del hoyo se mantenga limpio. Controlar las Presiones de la Formación: El fluido de perforación se prepara con la finalidad de contrarrestar la presión natural de los fluidos en las formaciones. Se debe alcanzar un equilibrio justo, es decir, un equilibrio tal en el que la presión ejercida por el fluido de perforación (presión hidrostática) contra las paredes del pozo sea suficiente para contrarrestar la presión que ejercen los fluidos que se encuentran en las formaciones, el petróleo y el gas; pero que no sea tan fuerte que dañe el pozo. Si el peso del fluido de perforación fuese muy grande, podría provocar la fractura de la roca y el fluido de perforación se perdería hacia la formación. •
Limpiar, Enfriar y Lubricar la Mecha y la Sarta de Perforación: A medida que la mecha y la sarta de perforación se introducen en el hoyo, se produce fricción y calor. Los fluidos de perforación brindan lubricación y enfriamiento mediante la capacidad calorífica y conductividad térmica que estos poseen, para que el calor sea removido del fondo del hoyo, transportado a la superficie y disipado a la atmósfera, y así permitir que el proceso de perforación continúe sin problemas y se pueda prolongar la vida útil de la mecha. La lubricación puede ser de especial importancia para los pozos de alcances extendidos u horizontales, en los que la fricción entre la tubería de perforación, la mecha y la superficie de la roca debe ser mínima. •
Esta característica de los fluidos de perforación puede aumentarse agregando emulsificantes o aditivos especiales al fluido de perforación de perforación que afecten la tensión superficial. Prevenir Derrumbes de Formación Soportando las Paredes del Hoyo: La estabilidad del pozo depende del equilibrio entre los factores mecánicos (presión y esfuerzo) y los factores químicos. La composición química y las propiedades del fluido de perforación deben combinarse para proporcionar la estabilidad del pozo hasta que se pueda introducir y cementar la tubería de revestimiento. Independientemente de la composición química del fluido de perforación, el peso de debe estar comprendido dentro del intervalo necesario para equilibrar las fuerzas mecánicas que actúan sobre el pozo (presión de la formación, esfuerzos del pozo relacionados con la orientación y la tectónica). La inestabilidad del pozo se identifica por el derrumbe de la formación, causando la reducción del hoyo, lo cual requiere generalmente el ensanchamiento del pozo hasta la profundidad original. Además, el fluido de perforación debe ofrecer la máxima protección para no dañar las formaciones productoras durante el proceso de perforación. •
Suministrar un Revoque Liso, Delgado e Impermeable para Proteger la Productividad de la Formación: Un revoque es un recubrimiento impermeable que se forma en la pared del hoyo, debido al proceso de filtración, la cual puede ocurrir bajo condiciones tanto dinámicas como estáticas, durante las operaciones de perforación. La filtración bajo condiciones dinámicas ocurre mientras el fluido de perforación está circulando y bajo condiciones estática ocurre durante las conexiones, los viajes o cuando el fluido no está circulando. •
Ayudar a Soportar, por Flotación, el Peso de la Sarta de Perforación y del Revestimiento: La inmersión de la tubería de perforación en el fluido produce un efecto de flotación, lo cual reduce su peso y hace que se ejerza menos presión en el mecanismo de perforación; puesto que, con el incremento de la profundidad de perforación el peso que soporta el equipo se hace cada vez mayor, con lo cual el peso de una sarta de perforación o de revestimiento puede exceder las 200 toneladas y esto puede causar grandes esfuerzos sobre los equipos de superficie. El peso de la sarta de perforación y la tubería de revestimiento en el fluido de perforación, es igual a su peso en el aire multiplicado por el factor de flotación. A medida que aumenta el peso del fluido de perforación, disminuye el peso de la tubería. •
Transmitir la Potencia Hidráulica a la Formación por Debajo de la Mecha: En perforación de pozos, cuando se habla de hidráulica se hace referencia a la relación entre los efectos que pueden causar la viscosidad, la tasa de flujo y la presión de circulación sobre el comportamiento eficiente del fluido de perforación. Durante la circulación, el fluido de perforación es expulsado a través de las boquillas de la mecha a gran velocidad. La energía hidráulica hace que la superficie por debajo de la mecha esté libre de recortes para así maximizar la velocidad de penetración; ya que, si estos no son removidos la mecha sigue retriturando los viejos recortes, lo que reduce la velocidad de penetración. Esta energía también alimenta los motores de fondo que hacen girar la mecha. Las propiedades reológicas ejercen influencia considerable sobre la potencia hidráulica aplicada y por lo tanto deben mantenerse en valores adecuados. •
Reología de los diferentes tipos de fluidos de perforación en el laboratorio Los ensayos son utilizados para determinar sus posibles alteraciones en el campo provocados por diferentes tipos de contaminantes. FLUIDOS DE BASE AGUA Características físicas: densidad, filtrado y Reología a 120 f Características químicas: alcalinidad del fluido (PM), alcalinidad de filtrado (Pf-Mf), MBT, cloruros, dureza cálcica.
FLUIDOS BASE ACEITE Físicos: Densidad, Reología 150ºF, Estabilidad Eléctrica, Filtrado HP-HT. Químicos: Alcalinidad (POM), Cloruros. ENSAYOS FÍSICOS Densidad: Es la masa de la muestra por unidad de volumen se expresa en: • gr/lt (gramos por litro) • lb/gal- ppg (Libras por Galón) {8.345 ppg = 1000 gr/lt} • lb/ft³ (libras por pié cúbico) Filtrado api: Es la pérdida de volumen de Fase continua, medida en c.c. Luego de 30´, a 100 psi. Filtrado hp- ht: Es la pérdida de volumen de Fase continua, medida en c.c. Luego de 30´, a 500 psi diferenciales y a 250ºF. Reología: La Reología, nos permite determinar el régimen de flujo del Fluido de perforación, además de la Viscosidad Plástica, Yield Point y Capacidad de Gelificación. • La V.P; se expresa en Cps. • El Y. P, se expresa en lb/100ft2 • La capacidad de gelificación, también se mide en lb/100ft2. ENSAYOS QUÍMICOS Alcalinidad (Pm) • Permite medir la conc. De OH, en el Fluido, también el exceso de Cal libre en el Fluido. Alcalinidad del Filtrado (PfMf) • Permite medir la conc. De OH, disueltos en el Fluido, también la conc. de Carbonatos y Bicarbonatos. M.B.T (metilen Blue Test) • Es la reacción de las Arcillas al Azul de Metileno; se produce una coloración de las mismas debido al intercambio catiónico. Cloruros • Método de titulación con Nitrato de Plata, que permite determinar la conc. de cloruros disueltos en el Fluido y también el % en peso de Sal. Dureza Cálcica • Método de titulación con EDTA (Acido Etilen Diamínico Tetra Acético), que permite determinar la cons. De Ión Calcio, disuelto en el fluido. Determinación de Sólidos y Líquidos • Se realiza por medio de una "Retorta", donde la muestra es calcinada dentro de la celda; quedando los sólidos en su interior y evaporando los líquidos, para luego ser condensados. • Con este método se determina el % de Sólidos, % de Agua y % de hidrocarburos, presentes en el Fluido.
