Manual Completo de Sistemas y Equipos de Perforación Petrolera

Francés7 oct 202619,42 KB

Introducción a los Sistemas de Seguridad en la Perforación

El evento menos deseado durante la perforación de un pozo son las arremetidas y los reventones. La arremetida es la intrusión de hidrocarburo o agua salada, una vez que se pierden los controles primarios confinados por el mantenimiento óptimo de las condiciones del fluido de perforación como: reología, densidad, etc. Estas condiciones deben ser monitoreadas por el ingeniero de lodos o por unidades especiales (mud logging), con la finalidad de detectar anomalías rápidamente. Una vez que se pierde el control primario, se tendrá un reventón que es una manifestación incontrolada de fluidos a alta presión.

Equipos Especiales de Control

Para solucionar y partir estos problemas, se tienen equipos especiales que permiten cerrar el pozo y evitar que el fluido invasor salga a superficie. Estos equipos son las válvulas imped-reventones (Blowout Preventer - BOP): dentro de sus funciones están, permitir un sello del hoyo cuando ocurra una arremetida, mantener superficie de contrapresión en el hoyo, prevenir que siga la entrada de fluidos desde la formación al pozo, mientras se realiza una reestructuración del pozo a condiciones normales.

Preventores de Reventones

Son equipos para cerrar el pozo y permitir que la cuadrilla controle un cabeceo o arremetida antes que ocurra un reventón. Existen 2 tipos básicos de preventores: anular y de ariete.

Preventores anulares: poseen un elemento de goma que sella al cuadrante, la sartas de perforación, los portamechas o al hoyo mismo si no tiene sarta dentro del hoyo.
Preventores de ariete: consisten en 2 grandes válvulas de acero (arietes) que tienen elementos de goma que sirven de sello. Existen 3 tipos:
- Preventor de ariete de tubería: que cierra la tubería de perforación, más no puede sellar el hoyo abierto.
- Preventor de ariete ciego: sella el hoyo abierto.
- Ariete de corte o cizallamiento: que permite cortar la tubería de perforación en el caso que los otros preventores fallen.

Procedimientos y Componentes Auxiliares de Seguridad

Una vez que se cierra el pozo, el primer paso es la utilización de preventores. Para comenzar la perforación nuevamente, hay que circular el fluido para sacar la arremetida y reemplazarlo con lodo de la densidad adecuada. Para esto se utilizan los estranguladores que son válvulas cuya apertura puede ser cerrada, puede abrirse o cerrarse completamente.

Los preventores se abren o cierran con fluido hidráulico que va almacenado bajo presión en un equipo llamado acumulador, que son varios recipientes en forma de botella o esféricos, están localizados abajo de la unidad de operaciones y es ahí donde se guarda el fluido hidráulico para sellar rápidamente mediante líneas de alta presión. Ya que los preventores deben poder sellar rápidamente cuando es necesario, el fluido hidráulico se tiene bajo 1500 a 3000 psi de presión utilizando gas nitrógeno contenido en los recipientes.

Separador de lodo y gas: pieza esencial en un taladro para poder controlar una arremetida de gas. Este equipo permite restaurar el lodo que sale del pozo mientras ocurre un cabeceo y así se puede separar el gas y quemarlo a una distancia segura de la instalación. Interiormente está constituido por deflectores que hacen que la cantidad de lodo y gas se muevan más despacio y un arreglo en forma de S que en el fondo permite que el lodo fluya hacia el tanque vibrador mientras mantiene el gas por encima del lodo. El tubo de descarga en la parte superior permite que el gas se queme si hace mucha presión contra el lodo.
Líneas de matar: van desde la bomba de lodo al conjunto de válvulas de seguridad, conectándose a estas en el lado opuesto a las líneas de estrangulación. A través de esta línea se bombea lodo pesado al pozo hasta que la presión se haya restaurado.
Tanque de viaje: es una estructura metálica utilizada con la finalidad de contabilizar el volumen de lodo en el hoyo durante los viajes de tubería, permite detectar si la sarta está desplazando o manteniendo el volumen dentro del hoyo cuando se mete o saca la tubería del mismo.

Sistema de Circulación

Constituido por una serie de equipos y accesorios que permiten el movimiento continuo del eje principal en el fluido o lodo de perforación. El lodo de perforación se prepara en la superficie utilizando equipos especiales que facilitan la mezcla y tratamiento del mismo.

Secuencia del Circuito de Lodo

Bombas de lodo
Conexiones de superficie
Tubo vertical (Stand pipe)
Manguera de lodo
Polea giratoria (Swivel)
Cuadrante (Kelly)
Tubo de perforación
Espacio anular
Portamechas
Mecha
Tubo canal / Línea de retorno
Equipo de control de sólidos
Tanque de succión

Área de Preparación y Tratamiento en Superficie

El área de preparación del lodo en superficie consta de una serie de equipos especiales que facilitan la mezcla y tratamiento del mismo. Está conformada por:

La casa de químicos: que es el sitio donde se almacenan los aditivos que se utilizan para la preparación del lodo.
Embudo de mezcla: equipo para agregar al lodo los aditivos en forma rápida.
El tanque o barril químico: es un equipo utilizado para agregar químicos líquidos al lodo de perforación.
Los depósitos a granel: permiten almacenar grandes cantidades de aditivos como la barita y que puedan ser agregados al lodo en forma rápida y en grandes cantidades a la vez.
Los tanques de lodo: facilitan el manejo del lodo en superficie, de acuerdo a su posición en el área de preparación pueden ser de asentamiento (sin agitación), en el cual los sólidos remanentes son decantados por gravedad y separados del resto del sistema; tanque de tratamiento y agitación, donde se realiza el tratamiento al lodo a través del embudo y el tanque de químicos; y tanque de succión, donde el lodo está en óptimas condiciones, listo para ser enviado al pozo, succionado por las bombas de lodo.

Adicionalmente a estos tanques y alejados de ellos están los depósitos o tanques de agua, gasoil y tanques de reserva de lodo, útiles en el momento de ser requeridas cantidades adicionales de lodo por efectos de pérdida de circulación en el pozo.

Equipos Limpiadores de Lodo

Vibradores (Shale shakers): constituyen el primer y más importante dispositivo para el control mecánico de sólidos. Utilizan mallas de diferentes tamaños que permiten remover recortes de pequeño tamaño, dependiendo del tamaño de las mallas, las cuales dependen de las condiciones que se observan en el pozo.
Hidrociclones: son recipientes en forma cónica en los cuales la energía de presión se transforma en fuerza centrífuga. El tamaño de los conos y la presión de bomba determinan el tamaño de la partícula que separa, menores presiones darán como resultado una separación más segura.
Desarenadores (Desanders): se utilizan con el propósito de separar la arena, utilizando generalmente un cono de 6 pulgadas o más de diámetro interno. Estos conos manejan grandes volúmenes de lodo pero tienen la desventaja de seleccionar los tamaños grandes de partículas, de allí que deben ser instalados correctamente.
Limpiador de lodo (Mud cleaner): consiste en una batería de conos colocados por encima de un tamiz de malla fina y alta vibración, para remover sólidos del tamaño de arena, aplicando hidrociclón al lodo y haciendo caer la descarga sobre un tamiz de malla fina. Los sólidos se descartan y el lodo se recupera, el tamaño de la malla varía entre 100 y 325 mesh.
Centrífugas de decantación: aumentan la velocidad de sedimentación de los sólidos mediante el reemplazo de la fuerza de gravedad por la fuerza centrífuga. Los aumentos de viscosidad y resistencia de gel son los mejores indicadores de que debe emplearse una centrífuga.
Desgasificadores: permiten separar pequeñas cantidades de gas presentes en el lodo. El gas al entrar en contacto con el lodo provoca una reducción de densidad, cuestión indeseable durante el proceso de perforación, ya que puede generar una arremetida por la disminución de la presión hidrostática; el gas también reduce la eficiencia de las bombas de lodo.

Sistema de Elevación o Izaje

La función de una torre o cabria de perforación es soportar y para ello debe tener un equipo que permita elevar otros componentes y a la vez bajar y soportar en suspensión grandes pesos requeridos como la sarta de perforación o revestimiento.

Componentes Principales del Sistema de Izaje

Torre o cabria: estructura grande que soporta mucho peso, tiene 4 patas que bajan por las esquinas de la infraestructura o subestructura. Soporta el piso de la instalación y provee un espacio abajo del piso para la instalación de válvulas especiales llamadas imped-reventones. La infraestructura soporta el peso de la sarta de perforación cuando esta está suspendida en las cuñas. El piso de la torre soporta y sostiene al malacate, la consola del perforador y al resto de los equipos relacionados con la perforación rotatoria. Las capacidades de carga varían desde 250,000 a 1,500,000 lbs, soportando vientos entre 100 a 130 millas por hora con el encuelladero lleno de tubería.
Corona: parte superior, donde el peso de la sarta se transfiere a la torre a través de poleas (bloque corona) que sostienen y dan movimiento al bloque viajero.
Encuelladero: plataforma de trabajo ubicada a una altura de 80 a 90 pies. Permite al encuellador colocar parejas de tubería y portamechas mientras se realizan operaciones como cambio de mecha, bajada de revestidor. Este accesorio consta de una serie de espacios formando un peine donde el encuellador coloca la tubería.
Consola del perforador: accesorio que permite al perforador tener una visión general de lo que está ocurriendo en cada uno de los componentes del sistema: presión de bomba, revoluciones por minuto de la mesa, torque, peso de la sarta, ganancia o pérdida de los niveles de los tanques, etc.
Malacate: cilindro alrededor del cual se enrolla el cable de perforación para mover la sarta hacia arriba y abajo. Además transmite potencia para hacer girar la mesa rotatoria, los carretes auxiliares, sistema de enrosque y desenrosque de tubería, accesorios y sistema de frenos.
Freno principal: cuya función es parar el carrete y aguantar; se tiene el freno auxiliar que sirve en casos de emergencia ayudando a absorber la inercia.
Sistema de transmisión: que provee un sistema de cambios de velocidad que el perforador puede utilizar para levantar tuberías.
Bloque viajero y corona: corona ubicada en la parte superior de la torre constituida por un sistema de poleas, por donde pasa el cable de perforación hasta llegar al bloque viajero que también tiene poleas por donde el cable de perforación sube al bloque corona; su función es suspender las herramientas durante la perforación. Se suspende el gancho, la unión giratoria, el cuadrante, la sarta y mechas. Durante las operaciones de cementación, soporta el peso de la tubería de revestimiento.
Gancho: herramienta localizada abajo del bloque viajero a la cual se conectan equipos para soportar la sarta de perforación, se conecta a una barra cilíndrica llamada asa que soporta la unión giratoria.
Elevadores: constituyen un juego de abrazaderas que agarran la sarta para permitir bajar y subir hacia y desde el hoyo.
Cable de perforación: construido de acero de 1 1/8" y 1 3/4" de diámetro, diseñado para cargas pesadas. El desgaste del cable se determina por el peso, distancia y movimiento.
Cuñas: son piezas de metal ahusadas y flexibles con dientes y otros dispositivos de agarre. Se emplean para sostener la tubería en la mesa rotatoria durante un viaje para evitar que se resbale hacia el hoyo cuando se están conectando o desconectando tuberías. El tamaño de las cuñas debe ser adecuado para el tamaño de la tubería de perforación, portamechas y revestimiento, para el agarre efectivo.
Llaves de potencia: llamadas tenazas, comúnmente se usan conjuntamente con las cuñas para hacer conexiones de tubería permitiendo enroscar y desenroscar tubería de perforación. Para hacer conexiones se necesitan 2 tenazas: una de enrosque y otra de aguante.
Cadena de enrosque: es una cadena de acero utilizada para enroscar una unión de tubería cuando se introduce tubería al hoyo. Existen herramientas modernas que eliminan los peligros de las cadenas de enrosque como el retardador neumático de cuadrante que hace girar el cuadrante mientras se hace una conexión.
Tenazas giratorias: son operadas con presión neumática o hidráulica que sirven para enroscar y desenroscar la tubería.

Sistema de Rotación

Hace girar la sarta de perforación y permite el avance de la mecha desde la superficie hasta la profundidad.

Componentes Principales

Sarta de perforación: compuesta por la tubería de perforación y portamechas. El lodo circula a través de la sarta y transmite potencia rotatoria a la mecha.
Tubería de perforación: constituye la mayor parte de la sarta y está soportada por el cuadrante en la parte superior. Mide aproximadamente 30 pies y tiene 2 roscas: pin y caja.
Portamechas (Lastrabarrenas): son cuerpos de acero más pesados que la tubería de perforación que permiten darle peso a la mecha para permitir que esta avance y se perfore un hoyo lo más vertical posible, bajo el principio del péndulo. El peso depende de su diámetro interno y externo, su longitud API es de 30 pies aproximadamente; tienen pin y caja al igual que la tubería.
Mecha (Trépano): es uno de los componentes de mayor importancia durante la perforación. La mecha debe desempeñarse adecuadamente para su labor dependiendo de factores como estado físico, peso sobre la mecha y velocidad de rotación aplicados sobre ella, y la acción del lodo cumpliendo su limpieza, enfriamiento y lubricación. Debe tener capacidad de perforar un hoyo de diámetro completo mientras esté en el fondo. Para la elección del tipo de mecha a usarse, se toman en cuenta factores como el tipo de formación a perforar y la profundidad.

Tipos de Mechas

De rodillos o conos: pueden ser de dientes de acero e insertos de carburo de tungsteno. Los dientes de acero originan que raspen y excaven la formación, es llamado efecto paleo, se utiliza en formaciones blandas. Las mechas con insertos de carburo de tungsteno en el pasado tenían pequeñas extensiones de carburo de tungsteno ya que las tasas de penetración eran bajas; actualmente son capaces de alcanzar velocidades de rotación de 180 rpm o más comparadas con las 45 rpm anteriores. Tienen ventajas por su durabilidad en formaciones blandas, es posible conseguir mechas de insertos capaces de perforar formaciones entre blandas y semiduras con alta fuerza de compresión, medias duras con alta fuerza de compresión y formaciones duras abrasivas.
De diamante: tienen cuerpo de acero con incrustaciones de diamante industrial, perforan rayando o cortando los recortes del fondo del hoyo. Este tipo incluye mechas de diamantes naturales y mechas policristalinas. Las de diamante tienen un diseño básico y no tienen partes móviles armadas; el tamaño y disposición de los diamantes determinan su uso. Los diamantes de gran tamaño se usan para cortar piezas grandes de formaciones blandas como arena suave y lutita; las formaciones duras requieren diamantes más pequeños.
Mechas de diamante policristalino compacto (PDC): contienen muchos diamantes pequeños pegados en conjunto, que son adheridos bien a una matriz del cuerpo de la mecha de carburo de tungsteno. Las PDC presentan buen comportamiento en secciones uniformes de carbonatos o evaporitas y también en areniscas, limolitas y lutitas. La hidráulica es importante para la limpieza, la cual se lleva a cabo usando jets.

Accesorios de Transmisión de Rotación

Unión giratoria (Swivel): conectada a la válvula de seguridad y al cuadrante, permite que la sarta gire, sirve de conducto para que el lodo circule, puede soportar cientos de toneladas y soporta presiones hidráulicas mayores a 3000 psi, además proporciona una conexión para la manguera rotatoria.
Mesa rotatoria: hace girar al cuadrante y la sarta girando hacia la derecha mientras perfora, varía su velocidad entre 40 a 200 rpm.
Top Drive: consiste en que la sarta de perforación y el ensamblaje de fondo reciben la energía para su rotación desde un motor colgado en el bloque viajero. El equipo cuenta con un swivel integrado, manejador de tubería el cual posee un sistema para enroscar y desenroscar tubería, una cabeza rotaria y válvula de seguridad.
- Ventajas: menor tiempo de conexión, tiempo de viaje, menor riesgo de atascamiento diferencial, perforación direccional optimizada, repaso o rectificación de hoyo, ampliación de hoyo, disminución de accidentes, cierre más rápido en caso de arremetida.
- Desventajas: costo de adquisición, instalación, mantenimiento, inexperiencia del personal, número de conexiones, ocupación del encuelladero, corrida de registros dentro de la tubería.

Resumen de Componentes de los Sistemas de Perforación

Sistema de potencia: motores de combustión interna (diésel), transmisión de potencia (mecánica, eléctrica).
Sistema de levantamiento: torre o cabria, corona, encuelladero, consola de perforación, equipos de levantamiento (malacate, bloque corona, bloque viajero, gancho, cable de perforación, cuñas, llaves de potencia, cadena de enrosque, top drive).
Sistema de rotación: sarta de perforación, tubería de perforación, portamechas o lastrabarrenas, mecha, cuadrante o kelly, unión giratoria, mesa rotatoria.
Sistema de seguridad: preventor anular, preventor de ariete, acumulador, múltiple de estranguladores, línea de matar, tanque de viaje.
Sistema de circulación: circuito o ciclo, casa de químicos, tanques de lodo, embudo, tanque de mezcla de químicos, depósitos a granel, tanques de almacenamiento, equipos de circulación (bombas de lodo, líneas de descarga, tubo vertical, manguera rotatoria, área de acondicionamiento, tanque de asentamiento, equipos de control de sólidos, vibradores, desarenadores, separadores de sólidos, desgasificador).

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