Tema 5 - Motores de Fondo - PDM's

TEMA 5 – MOTORES DE FONDO

1. INTR INTROD ODUC UCCI CION ON..Los “Motores de Fondo (downhole motors – DHM)” son herramientas que convierten la energía hidráulica del flujo del lodo en energía mecánica que permiten la rotación del trepano sin necesidad transmitir esta rotación desde superficie. 2. METO METODO DOS S DE PE PERF RFOR ORAC ACION ION SLIDING: Perforación sin rotación de superficie donde el DHM proporciona toda la rotación al trepano. Usado para la construcción del tramo direccional del pozo.  

ROTARY: Perforación con rotación de superficie mas la rotación transmitida por el motor de fondo.  Usado para la construcción del tramo tangente del pozo. 

3. TIPO TIPOS S DE MOTO MOTORE RES S DE FON FONDO DO Los Los moto motores res de fondo fondo son son poten potencia ciado dos s por por el flujo flujo del del lodo lodo de perfo perforac ración ión.. Los Los dos dos importantes tipos de motores de fondo son:  

Los Motores de Desplazamiento Positivo – PDM. Las Turbinas que básicamente son bombas centrifugas o axiales.

El diseño de ambas herramientas herramientas es totalmente totalmente diferente. Las turbinas fueron ampliamente ampliamente usadas hace algunos años atrás. Sin embargo, las mejoras en los diseños de los trépanos y PDM han hecho que hoy en día las turbinas solo sean usadas en aplicaciones especiales. Los Los princ principi ipios os de opera operació ción n tanto tanto de los los PDM PDM como como de las turbina turbinas s se mues muestra tran n a continuación. PRINCIPIOS DE OPERACION

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4. MOTORE MOTORES S DE DESPLAZ DESPLAZAMI AMIENT ENTO O POSITIVO POSITIVO – PDM’s PDM’s El primer motor de fondo usado en los campos petroleros fue el Dinadrill (Configuración lobular 1:2). Todos los motores de fondo constan basicamente de los siguientes elementos:      

Válvula de Descarga (Dump Valve Assembly). Sección de Poder o Potencia (Power Section) Sección Ajustable. Transmisión Sección de Rodamientos (Bearing Section) Sección Giratoria (Drive Shaft Assembly)

4.1.- Válvula Válvula de Descarga Descarga (Dump Valve Valve Assembly) Assembly) Permite que el lodo llene el interior de la sarta de perforación perforación durante los viajes y la vacíe mientras realizamos alguna conexión o sacamos la tubería fuera del pozo.  Permite el paso de lodo hacia la sección de potencia.  La válvula opera a través de un resorte el cual presiona un pistón.  El pistón de la válvula es activado por presión diferencial (requiere aprox. 30% del flujo de lodo para forzar el pistón abajo)  La válvula evita el influjo del pozo por el interior de la herramienta y permite que en los viajes la tubería salga seca. 

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4.2.- Sección Sección de Potencia Potencia (Rotor/E (Rotor/Estator stator)) Los Los motor motores es de desp desplaz lazam amien iento to posit positivo ivo son una una aplic aplicac ación ión inver inversa sa de las bombas de Moineau.  El fluido es bombeado dentro de las cavidades progresivas del motor.  La fuerza del fluido causa el movimiento rotatorio de la transmisión dentro del estator.  La fuerza rotacional entonces es transmitida a través de la transmisión al trepano 

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► El roto rotorr es un un vá vásta stago de de ace acero co con cha chapa cro cromada en fo forma rma de de héli hélice ce espiral. ► El est estator es un una cav cavidad de ac acero hue hueca, don donde se al aloja una una gom goma compuesta de elastómero, la cual adopta una forma espiral durante su fabricación. ► El rotor es elaborado elaborado con un perfil de “lóbulos “lóbulos”” coincide coincidente nte y similar similar al armado helicoidal del estator.

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LOBULOS

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El estator siempre tiene un lóbulo más que el rotor. ► Una Una vez vez ensa ensam mblad lado el ro rotor tor y el es estato tatorr form forma an un un sell sello o con contin tinúo a lo largo de puntos coincidentes de contacto. ► La rota rotaci ció ón y el to torqu rque disp dispo onible en en un PDM PDM de dependen del del áng ángulo de contacto y el número de lóbulos en el estator y el rotor.

► Las Las confi configu gura raci cion ones es roto rotor/ r/es esta tato torr (o rela relaci ción ón de de lóbu lóbulo los) s) actu actual alm mente ente en en uso son: ½, ¾, 5/6, 7/8 o 9/10. ► Las Las conf config igur urac acio ione nes s ½ desa desarr rrol olla lan n las las mayo mayore res s velo veloci cida dade des s y solo solo est están án disponibles para trépanos de PDC y diamante natural. ► A may mayor or cant cantid idad ad de de lóbu lóbulo los s se tie tiene ne meno menore res s velo veloci cida dade des s ( Torque).

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► La magn magnit itud ud de la rota rotaci ción ón prod produc ucid ida a es es pro propo porc rcio iona nall al al vol volum umen en de lodo lodos s bombeado a través del motor. ► El torqu torque e gene generad rado o a travé través s del del PDM PDM es propo proporci rcion onal al a la caída caída de presión a través del motor y es también una función del peso sobre el trepano (WOB). ► Un incremento en el WOB creará mas torque y de la misma manera un incremento en la presión diferencial requerida a través de la sección de poder. Resumen El Torque y las RPM están determinadas por la configuración Rotor/estator.  La potencia del motor esta determinada por el número de vueltas del espiral (Etapas) y la relación de lóbulos Rotor/Estator.  La interferencia Rotor/Estator puede ser ajustada de acuerdo a las condiciones del pozo. 

4.3.- Sección Sección Ajustable Ajustable (Bent (Bent Housing) Housing) Permi Permite te gradu graduar ar la curva curvatur tura a del del moto motorr de fondo fondo para para cualq cualquie uierr aplic aplicac ación ión direccional deseada 

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4.4.- Sección Sección de Transmis Transmisión ión Es colocado en la parte baja del rotor, dentro de la sección ajustable (bent housing).  Transmite la velocidad rotacional y el torque hacia la sección giratoria y de este al trepano.  Una Una junt junta a univ univer ersa sall conv convie iert rte e el movi movimi mien ento to excé excént ntri rico co del del moto motorr en un movimiento concéntrico dentro de la sección rotaria. 

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Algunos Algunos modelos modelos de motores motores PDM son reforzad reforzados os con goma sobre la junta junta universal. Compensa sa la vibración vibración causada causada por el movimie movimiento nto excéntrico excéntrico del rotor rotor y la  Compen excentricidad de la sección ajustable (bent housing). 

4.5.-

Sección Sección de Rodamien Rodamientos tos (Bearing Section) y Sección Sección Giratoria Giratoria (Drive Shaft Section) La sección giratoria es un componente de acero construido rígidamente. Se encuentra encuentra apoyado dentro de la sección de rodamientos (bearing section) a través rodamientos que soportan esfuerzos radiales y axiales. 

La sección de rodamientos rodamientos (bearing section) transmite la potencia rotacional rotacional y el esfuerzo de la perforación al trépano de perforación.



4.6.- Sección Sección de rodamientos rodamientos (Bearing (Bearing Section) Section) Permite la rotación de la barrena sin necesidad de rotación de la sarta.  Posee bolas que giran en pistas de carburo de tungsteno.  Son sellados o lubricados por lodo.  Sobre la sección de baleros esta la Camisa Estabilizadora que es intercambiable de acuerdo a la aplicación direccional requerida.  Soportan el peso axial cuando se perfora. 

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PDM 1:2 Altas Velocidades Bajos Torques Bajos Caudales de Flujo Bajo WOB Bajas presiones en el motor  Bajas presiones en el trépano Necesitan trépanos de alta velocidad Rel Relativ tivamente fác fácil de ori orie entar tar

PDM Multilóbulo Bajas velocidades Altos torques Altos caudales de Flujo Altos WOB Altas presiones en el motor  Altas presiones en el trépano

Mas Mas dif difíc íciil de de ori orie entar  tar  Usado con junta ajustable o arreglo dirigible

Usado con junta ajustable

5. TUR

BINAS DE PERFORACION 5.1.5.1.- Introd Introducc ucción ión

►

La turbina convierte la energía hidráulica hidráulica proveniente del lodo en energía mecánica rotativa para se entregada a la mecha de perforación. ► La velocidad velocidad de rotación en en fondo está entre entre las 600 rpm rpm y 1500 rpm. rpm. ► La rotación del trépano es independiente de la rotación de tubería. Turbina Turbin a de Perforación Perfora ción :

Las turbinas de perforación básicamente constan de dos partes:  

Sección de Poder o Potencia. Sección de Rodamientos.

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5.2.5.2.- Secció Sección n de Potencia Potencia ► Esta sección sección provee provee la potencia potencia a la turbina. turbina. ► Dependiendo Dependiendo del requerimiento requerimiento podemos podemos tener tener configuraciones configuraciones de 1 , 2 hasta hasta 3 secciones de potencia por turbina. ► Se pueden contar con 70 a 150 piezas de alabes (Rotor/Estator) por sección de potencia.

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5.3.- Sección Sección de Rodamient Rodamientos: os: ► Soporta Soporta la fuerza fuerza axiale que se transmit transmite e a través través del eje, desde desde la sección de potencia.

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5.4.5.4.- Se clasif clasifica ica según: según:   

Tamaño de Turbina. El numero de secciones de potencia El perfil del Alabe

Tamaño de la Turbina

Numero de Secciones de la Turbina    

T1 - Turbina con una sección de Potencia. T2 - Turbina con dos secciones de Potencia. T3 - Turbina con tres secciones de Potencia. T1XL- Turbina con una sección Potencia extendida.

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El Perfil del Alabe o Aleta 

Tipos de Aletas o Alabes: Mk1, Mk2 o Mk3, los cuales son seleccionados para optimizar una aplicación particular.

5.5.-

Características de las Turbinas:

Capaz de generar altas potencias. La herramienta presenta un perfecto balance con los esfuerzos radiales La poten potencia cia a gene generar rar no depe depend nde e de elast elastóm ómero eros, s, o eleme elemento ntos s de goma goma (componentes metálicos). Las turbinas de perforación tienen una excelente resistencia al calor. La velocidad y le torque son manipulables desde Superficie. • • • •

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5.6.-

Desventajas de las Turbinas:

Las turbinas no tiene aplicación con trépanos triconicos. Genera alta potencia a expensa del flujo de lodo, lo que da poca aplicación en agujeros profundos. La fabricac fabricación ión y el desarroll desarrollo o de turbinas turbinas que sean sean comerci comercialme almente nte viable y confiable es difícil y costosa. 5.7.-

Ventajas en Pozos Desviados:

Reduce el número de viajes por cambio en el arreglo de fondo de pozo (BHA). o Evita realizar viajes por cambios de junta ajustable (bent sub) o por fallas en la herramienta. o

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Es capaz capaz de girar girar progresiv progresivame amente nte a la izquierd izquierda a usando usando una estabiliza estabilización ción convencional de turbina recta.

o

6. PDM’ PDM’s s Vs. Vs. TURB TURBIN INAS AS

Respuesta del efecto WOB y BHA Tiene un confiable control de ángulo y azimut.  Mantiene uniforme el perfil del pozo, reduciendo de esta manera el incremento del torque.  Mantiene los regímenes de penetración (ROP) en modo deslizamiento (sliding) como en modo rotario (rotary). 

Desventajas comparado con motor de Fondo - PDM 14

Presenta limitaciones en el bombeo de material para perdidas de circulación (sellantes). El costo diario de la herramienta es mayor que los PDM. Las Altas velocidades son demasiadas para usar trépanos triconicos . Pero hoy en día ya existen turbinas de baja revolución las cuales tiene aplicación con este tipo de trépanos. Tiene muy poca aplicación en las primeras secciones del pozo y en formaciones blandas. Presenta altas caída de presión, lo que es una limitación para los trepanos de poca capacidad de bombas. Tiene un menor torque de salida. •

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7. METODO METODOS S DE DE DIRE DIRECC CCION IONAMI AMIENT ENTO O Fuerza Lateral Directa: Push-the-bit  Fuerza opuesta a la del trepano, aplicada a las paredes del pozo (a través de alet aletas as – pads pads)) haci hacien endo do que que el trep trepan ano o adqu adquie iera ra la dire direcc cció ión n haci hacia a dond donde e necesitamos dirigir el pozo.

Eje Excéntrico de la Barrena: Point-the-bit El trepa trepano no es direcc direccion ionad ado o hacia hacia la direc direcció ción n dond donde e nece necesit sitam amos os perfo perfora rar  r  intro introdu ducie ciend ndo o un offse offsett – siste sistema ma parec parecido ido a perfo perforar rar con con un moto motorr con bend bend housing. 

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