SISTEMA DE CIRCULACIÓN DEL LODO DE PERFORACIÓN
La principal función del sistema de circulación es de hacer circular el fluido de perforación hacia el interior y fuera del pozo con el propósito de remover los recortes de roca del fondo del pozo a medida que se perfora, además de proveer un medio para controlar el pozo y las presiones de formación mediante el fluido de perforación. Los fluidos de perforación o lodo se lo asocian con la perforación rotaria, ya que no se puede concebir la perforación de un pozo por rotación si no interviene un fluido. El fluido de perforación (lodo) es una mezcla de agua y unos agentes químicos (aditivos), a veces se utiliza diésel en vez de agua o se añade un poco de diésel al agua para darle ciertas propiedades al lodo.
El lodo de perforación se utiliza para mantener la presión p resión de formación bajo control y para transportar los recortes
de
perforación
hasta
la
superficie para que los mismos sean eliminados con los equipos de control de sólidos.
Figura: Sistema de circulación Fuente: Programa de Entrenamiento de Schlumberger
La circulación del lodo empieza en el tanque de succión. La bomba succiona al lodo del tanque y lo desplaza hacia la línea del manifold hasta la tubería vertical que está conectada a la cabeza de inyección, el lodo entra por la cabeza de inyección, baja por el cuadrante o kelly, tubería de perforación, porta mechas, estabilizadores y sale por las boquillas del trepano para retornar a la superficie por el espacio anular, finalmente el lodo sale a la superficie, a través de la línea de descarga y cae sobre un tamiz vibratorio llamado zaranda, esta zaranda separa los recortes más grandes y los deposita en la fosa y el lodo pasa a los tanques de control de sólidos para luego finalmente llegar a los tanques de succión porque el lodo ya está en condiciones de ser nuevamente bombeado al pozo. El sistema de circulación esencialmente es un sistema cerrado donde el mismo lodo circula una y otra vez durante la perforación (ciclo de perforación). Al fluido de perforación de vez en cuando se le añade agua, bentonita, baritina y otros agentes que con la finalidad de reemplazar lodo perdido o para ajustar las propiedades del lodo a las necesidades de las formaciones que están siendo perforadas. El sistema de circulación está formado por una serie de equipos y accesorios que permiten el movimiento continuo del eje principal de la perforación como lo es el fluido de perforación.
EL SISTEMA DE CIRCULACION SE DIVIDE EN LAS SIGUIENTES PARTES FUNDAMENTALES: AREA DE PREPARACION DEL FLUIDO DE PERFORACION Esta área se encuentra al principio del sistema de circulación. En esta área es donde los fluidos son inicialmente preparados, mantenidos, o posteriormente alterado, dependiendo de las condiciones existentes en el pozo. Las alteraciones son necesarias para mantener la estabilidad del pozo, para proveer al fluido la capacidad de tolerar fluidos de densidad y pesos mayores, Proveer la protección a las zonas productoras.
La preparación y mantenimiento de los fluidos de perforación es absolutamente necesario para cualquier operación exitosa. Existen cuatro pasos esenciales para la preparación de los fluidos. Estos son:
Preparación inicial.
Incremento de la densidad del fluido
Reducción de la densidad.
Cambio químico de fluido.
El área de preparación de los fluidos de perforación está compuesto de un montaje de equipo especializado, que esta cuidadosamente instalado para fácil preparación y tratamiento de los fluidos. El área generalmente incluye: DEPOSITO DE MATERIAL Es una cabaña o cobertizo cerrado y elevado que se encuentra localizada cerca de los cajones de lodo y los contenedores de almacenamiento general. El depósito de material contiene sacos apilados de aditivos que son almacenados hasta el momento en que son necesitados en el programa de tratamiento de lodo. El cobertizo esta usualmente a la misma altura del tope de los cajones de lodo, esto hace que la descarga de los camiones sea mucho más fácil, manteniendo los aditivos secos a cierta altura y facilitando el tratamiento efectivo.
CAJONES DE LODO Los cajones de lodo son contenedores grandes de forma rectangular usados para contener y controlar el fluido de perforación cuando este se encuentra fuera del pozo perforado. Los cajones de lodo son llamados cajones de agitación o tanques de almacenaje cuando están en el área de acondicionamiento. Los cajones de lodo del área de preparación son llamados de reserva o de succión. Son usados debido a que pueden ser rápidamente instalados, fácilmente mantenidos y tienen un volumen conocido que facilita el tratamiento. TOLVA MEZCLADORA Es un artículo o dispositivo en forma de embudo usado en la adición de materiales sólidos durante el tratamiento del fluido de perforación en los cajones de lodo. La tolva trabaja con un principio de vacío. Esta tolva mezcladora puede manejar de 5 a 10 sacos de más de 800 lb. De material por minuto.
TANQUE MEZCLADOR DE QUIMICOS Es un dispositivo utilizado para agregar los químicos del fluido de perforación. Este dispositivo en forma de barril está montado encima del cajón de lodo. Es un dispositivo utilizado para agregar los fluidos de perforación. Es preferible agregar algunas sustancias químicas lenta y continuamente al sistema en caso que sea difícil hacerlo con la tolva, tales substancias químicas se mezclan de antemano con agua en un tanque mezclador de químicos y luego se lo deja gotear dentro del sistema activo de lodo.
TANQUE DE AGUA Contenedor para el almacenamiento de agua en forma de barril esta al lado del cajón de lodo. El agua puede ser suministrada desde varias fuentes: de los pozos de agua, lagos y ríos, en algunos casos es necesario traer agua de un lugar alejado. FOSA DE RESERVA Es una pileta grande hecha de arena situada lejos del arreglo. Es usada para almacenar los recortes residuales procedentes del pozo y a veces los excesos de lodo para emergencia. la fosa también se utiliza para desechar algunos fluidos que puedan ser producidos durante alguna prueba de formación. La fosa frecuentemente está dividida en dos partes: El “slush pit” (pileta de inyección) donde se encuentran los recortes de roca, material indeseado, etc. El “duck nest” donde se almacena el exceso de lodo para emergencias. En general, la fosa se utiliza para evitar la contaminación de terrenos circundantes al pozo por medio de fluidos contaminantes utilizados en el pozo.
EQUIPO DE CIRCULACION Es uno de los mayores componentes en el sistema. El equipo mueve físicamente el lodo. El lodo es movido desde el área de preparación, baja por el vástago y sube por el espacio anular, luego es limpiado en el área de acondicionamiento y es transportado nuevamente a los cajones de lodo para recirculación.
El equipo de circulación está compuesto de equipo severamente especializado. Estos componentes son:
Bombas de lodo.
Bomba de descarga y Línea de retorno
Tubería vertical
Manguera de inyección
Estos componentes están conectados al sistema de perforación a través de la unión giratoria y proveen del instrumento al sistema de rotación p ara que el lodo circule. BOMBAS DE LODO Estas bombas son el corazón del sistema de circulación. Su función principal es el de mover grandes volúmenes de lodo a bajas y a altas presiones, funcionan con energía mecánica o energía del equipo de perforación. Además deben proveer suficiente potencia para superar la fuerza de fricción y ejercer la fuerza en el trepano. Las bombas de lodo movilizan el lodo desde la pileta de succión hasta el fondo del pozo y luego de vuelta hasta la línea de descarga. Existen dos tipos básicos de bombas: 1.
Duplex (doble acción)
2.
Triplex (simple acción)
BOMBAS DUPLEX Son de doble acción se caracterizan por que llevan dos pistones y desplazan al lodo en dos sentidos o sea el movimiento del fluido se lleva a cabo en ambos lados del pistón de la bomba. A medida que el fluido es succionado en un lado es descargado al otro lado.
Están definidas por el diámetro del vástago, longitud y diámetro de la camisa. La longitud de la camisa equivale a la longitud de la embolada y el diámetro de la camisa equivale al diámetro del pistón. Las bombas duplex son generalmente de doble efecto, pues los dos cilindros descargan tanto en el movimiento hacia delante de los pistones como en el movimiento hacia atrás. BOMBAS TRIPLEX Son de triple acción y se caracterizan por que llevan tres pistones y desplazan el lodo en un solo sentido o sea que el movimiento del fluido se lleva a cabo en un solo lado del pistón de la bomba. Estas bombas proporcionan altas presiones a precio más barato (20 a 50% menos) también son más livianas, lo que hace más fácil su transportación. Este tipo de bomba esta definido por la longitud y el diámetro de la camisa. Las bombas triplex son generalmente de efecto único, ya que los tres cilindros descargan solamente en el movimiento del pistón hacia delante.
LINEAS DE DESCARGA.- Son generalmente tubería de 4 a 6 pulgadas en diámetro, son extra reforzadas. Se acostumbra tener una cámara de amortiguación con un poco de aire comprimido en la parte superior, cerca de la descarga de la bomba.
Gráfico: Bomba Triplex Fuente: Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores de Schlumberger
TUBERIA VERTICAL. Es una tubería de acero que se encuentra parada al lado del mástil o torre de perforación, y esta conecta al lodo entre las líneas de descarga y la manguera de inyección. La manguera de inyección descarga en el cuello de cisne que se ajusta en la parte final y más alta de esta tubería vertical y transporta al lodo a la unión giratoria donde es forzado a bajar por el vástago. Esta tubería vertical permite que la unión giratoria y la manguera de inyección se muevan verticalmente hacia arriba o hacia abajo según sea necesario.
MANGUERA DE INYECCION Es una manguera de goma reforzada, flexible y extremadamente fuerte que conecta la tubería vertical con la unión giratoria. Es flexible porque permite a la unión giratoria moverse libremente en un sentido vertical. Debe ser también extremadamente durable, ya que esta sujeta aun trabajo físico severo, transportando
fluido
de
perforación
extremadamente
abrasivo
bajo
presión.
La
característica de flexibilidad permite bajar y elevar la tubería de perforación durante las operaciones de perforación. Las mangueras de inyección son por lo general de 7.62mm o mas de diámetro interior para que no se tengan en ella caída de presión apreciable, y están disponibles en largos mayores de 75 pies. CUELLO DE GANSO.- Es un extremo de la manguera de inyección que tiene forma de (S) como el cuello de un ganso está conectado a la unión giratoria. AREA DE ACONDICIONAMIENTO DEL FLUIDO DE PERFORACION Esta se encuentra cercana a la torre. Esta área incluye equipo especializado para dejar limpio el fluido de perforación después que este es devuelto del pozo. El equipo especializado incluye:
Separador de Esquistos (Zaranda vibratoria)
Maquinas Centrifugas
Desgasificador
Desarenador
Desarcillador
Separador de gas-líquidos del lodo
Hidrociclones
Limpiador de lodo
La función primaria de esta área es remover los recortes indeseables y cualquier gas que haya ingresado al lodo. Existen dos métodos básicos para remover los recortes y gases: el primero utiliza la gravedad para evadir los fluidos a través de la zaranda a la fosa del lodo, el segundo es mecánico donde los equipos especializados de remoción, montados en las partes superiores de los cajones de lodo mueven los recortes indeseables y los gases. Las ventajas de la eliminación de los sólidos del lodo son: a)
Menor desgaste de los elementos que entran en contacto con el lodo: Camisas,
pistones, y válvulas de las bombas de perforación, bombas centrifugas; mangueras, protectores de goma de las barras, etc. b)
Incrementa la vida útil del trepano (mejor lubricación y refrigeración).
c)
Costos menores en el tratamiento de lodo.
ZARANDA VIBRATORIA La zaranda vibratoria es usualmente montada al final del primer tanque de lodo, su función primaria es eliminar la fracción más gruesa de los recortes con la finalidad de optimizar el uso de los restantes equipos de control de sólidos. Una zaranda se compone de una o varias mallas separadoras que están montadas sobre una caja vibradora que es movida por un motor eléctrico, el cual a través de poleas y un eje excéntrico(zarandas convencionales) le imprime la vibración necesaria para el proceso de separación de una parte fluida y de los recortes de formación. En el caso de zarandas de alta vibración esta es dada por dos motores en giros opuestos.
Según Overock la capacidad de procesamiento de una zaranda (caudal que la zaranda puede procesar sin votar lodo) depende de una serie de factores que van desde la fabricación de la misma, (tipo de zaranda, mallas utilizadas, inclinación de las mallas), formación perforada (arenas, arcillas, etc.), el tipo de lodo usado, del caudal de circulación y de velocidad de penetración.
Figura: Separador de esquistos Fuente: CENTRIFUGA Está diseñada para remover sólidos de baja gravedad específica y baritina de menos de 3.5 micrones. Sólidos de mayor tamaño y de mayor densidad son devueltos al sistema. Elimina, además de sólidos parte de la fase liquida del lodo que contiene material químico en solución, tales como lignosulfito, soda cáustica y otros.
Las centrifugas de decantación, están compuestas de dos conos, uno externo que gira a baja velocidad y el otro que gira a muy alta velocidad de revolución. Las centrifugas rotan el lodo a altas velocidades separando partículas de acuerdo a su peso, estas unidades pueden extraer partículas de hasta 2 micrones. Tiene una capacidad máxima de 20 – 35 rpm y puede ser utilizado con lodo de peso mayor de 13 lb/gal.
Figura: Maquina Centrifuga Fuente:
DESGASIFICADOR El desgasificador es usualmente montado sobre los cajones del lodo. Su función primaria es continuar removiendo las entradas de gas que aún existen en el fluido de perforación. Los gases son removidos porque ellos:
a)
Reducen la densidad del fluido de perforación.
b)
Reducen la eficiencia de la bomba.
c)
Decrecen la presión hidrostática del fluido de perforación.
d)
Incrementa el volumen de fluido
Figura: Desgasificador Fuente: HIDROCICLONES Los hidrociclones son recipientes de forma cónica en los cuales la energía de presión es transformada en fuerza centrífuga. El lodo se alimenta por medio de una bomba centrifuga, a través de una entrada que la envía tangencialmente en la cámara de alimentación. Una corta tubería llamada tubo de vórtice (vortex finder) se extiende hacia abajo en el cuerpo del cono y fuerza a la corriente en forma de remolino a dirigirse hacia abajo en dirección al vértice, es decir hacia el extremo delgado del cono.
Los hidrociclones están diseñados parta separar sólidos de diferentes tamaños, de acuerdo al principio de asentamiento de partículas. El principio básico del funcionamiento consiste en hacer pasar tangencialmente el lodo por la parte superior del cono o ciclón, dando origen a una rotación similar a un torbellino que, a la vez, crea una fuerza centrífuga que hace que las partículas se concentren hacia la pared del cono. Las partículas de mayor tamaño y densidad se precipitan hacia abajo y son eliminadas al llegar al fondo del cono. El resto del lodo rebosa por arriba y sale por la abertura sobre el vértice. Los hidrociclones tienen diferentes diámetros, El de 6 pulgadas elimina la mitad de las partículas de 30 a 35 micrones, el de 4 pulgadas descarta el 50% de las partículas de 15 a 20 micrones y el de 2 pulgadas elimina la mitad de las partículas de 5 a 10 micrones. Los hidrociclones operan eficientemente cuando la descarga es en forma de roció intermitente. Por el contrario, cuando es en forma de chorro continuo, indica que no se están eliminando los sólidos indeseables y que además se está botando el lodo. En este caso se debe ajustar la presión de operación y la abertura en el fondo del cono. Cuando los conos descargan muy poco están tapados, es necesario destaparlos con la ayuda de una varilla. Generalmente las varillas de soldadura son muy efectivas para estos casos. Existen conos metálicos y de poliuretanos. Los de poliuretanos son más económicos, manuables y requieren menos mantenimiento que los metálicos, además no son afectados por la acción abrasiva de los sólidos pero si por las altas temperaturas, normalmente a temperaturas mayores de 160 ºF se daña la boquilla de descarga. Finalmente, no es recomendable el uso de hidrociclones para lodos con densidad mayor de 10 lb/gal.
Figura: Hidrociclon Fuente:
DESARENADOR (DESANDER) El desarenador consiste de un numero de conos superpuestos cilíndricos estos remueven pequeñas partículas sólidas que pasaron por las mallas de la zaranda vibratoria. El fluido es forzado a pasar por el cilindro bajo presión con las partículas, después es removido y descargado por las fuerzas centrifugas. La posición correcta de estas unidades es colocarlas después de la zaranda y su función principal es eliminar las arenas.
Figura: Desarenador Fuente: DESARCILLADOR (DESILTER) El desarcillador es similar al desarenador en operación y función excepto que el desarcillador puede remover muy diminutas partículas de la formación que varían desde 10 a 30 micrones dependiendo del tamaño del cono. Su uso es efectivo tanto del desarenador como el desarcillador, porque esto reduce significativamente el desgaste de la bomba de lodo. El desarcillador está diseñado para remover los sólidos que no han sido descartados por el desarenador (partículas mayores de 60 micrones). Los conos son por lo general de 4 pulgadas de diámetro y cada uno procesa más o menos 50 gal/min. A una presión de 40 a 50 psi.
Figura: Desarcillador Fuente:
SEPARADOR DE GAS DEL LODO El separador de gas del lodo es montado encima del equipo de acondicionamiento próximo a la zaranda vibratoria este es usualmente vertical (algunas veces horizontal) Sus funciones principales son: a)
Eliminar las grandes cantidades de gas que vienen junto al fluido de perforación
b)
Rescatar algo de fluido de perforación para pasarlo al desgasificador
c)
Conducir cualquier gas inflamable y/o venenoso hasta una distancia segura del
arreglo.
Figura: Separador de Gas-líquidos Fuente: LIMPIADOR DE LODO (MUD CLEANER) Si los desechos del desarcillador caen sobre una zaranda vibratoria, el conjunto se conoce con el nombre de MUD CLEANER o limpia lodo. Esta unidad es utilizada para procesar lodos de alta densidad ya que la malla utilizada permite recuperar la baritina desechada (material densificante del lodo) por los conos, y eliminar los recortes de formación. La zaranda debe llevar mallas muy finas desde 150 a 270 mesh según sea las condiciones de trabajo.
Figura: Mud Cleaner Fuente:
