Herramientas Direccionales Herramientas Direccionales y Métodos de Deflexióny Métodos de Deflexión

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CONTENIDOCONTENIDO

•• Herramientas DireccionalesHerramientas Direccionales•• Metodos de DeflexiónMetodos de Deflexión•• Principios de EstabilizaciónPrincipios de Estabilización•• Motores de FondoMotores de Fondo•• Operación de Motores de FondoOperación de Motores de Fondo•• Fundamentos de BHA’sFundamentos de BHA’s

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Herramientas DireccionalesHerramientas Direccionales

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Drill CollarsDrill Collars

• Redondos

• Espiralados (afectan la rigidéz)

• Manejo en la superficie:

– Receso para las cuñas

– Receso para elevador

• Cuadrados

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SustitutosSustitutos

• Combinación sin cambio en el diámetro externo, OD

• Combinaciones con cambio en el diámetro exterior, OD

• Protectores para conexiones especiales

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Estabilizadores IntegralesEstabilizadores Integrales• Forjados en una sóla pieza de acero

• Cuchillas endurecidas con insertos de

carburo detungsteno en las caras

• De envoltura ambierta (cubrimiento de 270o)

• De envoltura plena (cubrimiento de 360o)

• De cuchilla recta

• Perfil de la cuchilla:

– Paralela

– Tipo melón

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Estabilizadores de camisaEstabilizadores de camisa

• Construcción en 2 piezas:

– Mandril

– Camisa

• Se pueden desconectar dentro del agujero cuando se perfora en ambiente de alta vibración

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Tubería de perforación pesada, HWDPTubería de perforación pesada, HWDP

• Construida en acero; material de DC, no de TP!

• Pueden ser No-Magnéticos

• Se manejan igual que la tubería de perforación

• El tipo estándar tiene un refuerzo externo en el cuerpo del tubular

• El tipo espiral Spiral se obtiene a partir de un DC.

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Tubería Perforación Tubería Perforación -- EspecíficaEspecífica

• Características:

– Los refuerzos externos tienen perfil de mini-estabilizador para ayudar en la remoción de camas de recortes

• Manejo en superficie:

– Igual que para la tubería de perforación regular.

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Martillos de PerforaciónMartillos de Perforación• Condiciones de operación:

– Se debe conocer o predecir el punto y el mecanismo de pega para conseguir un martillado efectivo

– No se deben correr en posición neutral (sólo en tensión o en compresión)

– No instalar un componente flexible cercano al martillo

• Tipos:

– Mecánico

– Hidráulico

– Hidro-Mecánico

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Uniones FlexiblesUniones Flexibles

• Son una aproximación ‘gilligan’ a los sistemas dirigibles– Corridos con Sistema Dirible Rotacional, “RSS”– Corridos con Motor de Fondo, “PDM”

• Se parecen a una HWDP corta• Trabajan separando las deflexiones angulares del BHA

de la parte dirigible del ensamblaje de perforación

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AmpliadoresAmpliadores

• Difíciles de utilizar

• Ver recomendaciones del BHA

• Se corren en conjunto con naríz redonda y estabilizadores para prevenir la salida hacia agujeros laterales

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Ensanchador de SubsueloEnsanchador de Subsuelo

• Amplía el tamaño del agujero por debajo de un revestidor de menor diámetro o de restricciones en el diámetro interno, ID

• Activados hidráulicamente

• Se puede verificar su apertura al indicar sobre tensión cuando se trata de entrar la herramienta en el revestidor

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Turbinas de Perforación• Serie de estatores y rotores

inclinados

• Con altas velocidades de rotación:

~ 900 rpm

• La nueva tecnología ha logrado

reducir la velocidad para

incrementar el torque

• Se requiere muy alta presión de

bomba para lograr las tasas de

flujo necesarias para limpieza del

agujero

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Métodos de DesviaciónMétodos de Desviación

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Elementos de Desviación

• Características:

– Herramientas y Técnicas para deflectar el curso del pozo en forma controlada, venciendo las “tendencias naturales” a la desviación

• Conceptos básicos:

– “Kick-off” (Punto de Quiebre): Codo – construcción del ángulo desde la vertical hacia una dirección deseada

– Corrección de la Trayectoria: giro, construcción o caída hacia la trayectoria

– Agujero Lateral: desviación del pozo desde su curso original

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Desviación con chorro

• Se usa en formaciones suaves

• Una gran tobera de la barrena se orienta en la dirección

deseada.• Ensamblaje flexible con estabilizador cercano a la

barrena.

• Erosiona la formación creando cavidades o “bolsillos”.

• Movimientos de la sarta arriba y abajo hasta que se

logre construir el ángulo deseado.

• Se sigue incrementando con Herramienta de Fondo

rotativa.

• Las correcciones de azimut son más difíciles con >

inclinación

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Desviación con cuchara en agujero abierto

• Se usa en formaciones medias a duras.• Barrena y Estabilizador cercano a la barrena fijados

con pin al desviador y llevados al fondo.• Cara de la herramienta desviadora es orientada.• El desviador se afianza en el fondo y se corta el pin

sujetador colocando peso sobre la barrena.• Se perfora un agujero piloto de tamaño más pequeño

que el agujero principal.• Sólo se perfora un tramo de tubería antes de sacar

del agujero el ensamblaje de fondo. • Se ensancha el agujero piloto y se repite el proceso.

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Desviación con Motores de Fondo, PDM• Potencia hidráulica convertida a potencia dinámica

para impulsar la barrena

• La sarta se mantiene estacionaria – sólo se desliza

para avanzar

• El acople curvo arriba del motor provee la fuerza

lateral a la barrena.

• Desvía la trayectoria del pozo – Quiebre desde la

vertical, agujero lateral, corrección de trayectoria,

etc.

• Muy eficiente si se le compara con otros aparatos

contemporáneos de desviación (chorro, cuchara

desviadora.)

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Desviación con Sistema Dirigible Rotacional, RSS

• Herramienta que desarrolla fuerzas de empuje lateral sobre la barrena

• Cojines metálicos retráctiles que se extienden dinámicamente desde una carcaza rotacional

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Principios de EstabilizaciónPrincipios de Estabilización

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Ensamblajes de Fondo Básicos

Utilizados en Perforación Direccional

BHA#1Ensamblajes Rotacionales

Estándar

BHA#2Sistema Dirigible

No Rotacional

BHA#3Sistema DirigibleRotacional, RSS

Para Construir

Para Mantener

Para Tumbar

Orientar la cara de la herramienta para dirigir el Pozo

Empuje ó fuerzas laterales en la Barrena para desviar mientras se rota

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Estabilización

• El Estabilizador en el BHA está diseñado para subir, mantener ó caer la inclinación.

• Elementos críticos: -Posición del Estabilizador en el BHA.-O.D. de los Drill Collars, peso de la sarta y momento de Inercia.-Inclinación del Pozo.-WOB, RPM, gasto (tasa de bombeo).-Tamaño del Agujero.-Tipo de Barrena-Diámetro del Estabilizador o tamaño de las aletas

• Problemas de Predicción (Efectos de la Formación, Giro del Pozo, cavernas en el pozo, etc.…)

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Efectos de la ubicación de los Estabilizadores

Ubicación de Estabilizadores y resultado de fuerzas laterales.

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Construir Mantener Tumbar

Colocación del Estabilizador y las fuerzas laterales resultantes

Efectos de la ubicación de los Estabilizadores

Tumbar

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Estabilización para Construir Inclinación

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Estabilización para Mantener Inclinación

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Estabilización para Disminuir Inclinación

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Motores PowerPak

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Motores PowerPak

• 80 modelos desde 2 1/8” OD hasta 11 ¼”OD.

• Secciones de potencia extendida en los modelos PowerPak “XP” & PowerPack “GT”

• Perforación de radio corto con los modelos PowerPak “XF” & PowerPac “XC”

• Chumaceras selladas lubricadas con aceite o abiertas lubricadas con lodo

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Rangos de desempeño de la Flotilla PowerPak

90 ft-lbs – 1,550 ft-lbs

Rango de Tamaños - 2 1/8” – 11 ¼”

Tamaño del Agujero - 2 3/8” – 26”

Longitudes - 8.4’ – 32.02’

Rango de Flujo - 20 gpm – 1,700 gpm

Velocidad de la barrena - 45 rpm – 640 rpm

Potencia - 6.5 hp – 750 hp

Rango de Torque -

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• Sustituto de acople curvo (Bent Sub): (0° a 3°).

• Motor de Carcaza Curva (Bent Housing): de 0° a 3 ° -da mayor eficiencia en el efecto de desviación de la vertical).

Fines de los años 80: Motores Dirigibles

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Fines de los años 80: Motores Dirigibles

• El doblez más cerca de la barrena reduce la excentricidad de la misma para una curvatura equivalente: -Menor excentricidad de la barrena implicamenor esfuerzo sobre los componentes. Es posible la rotación sin falla de los componentes del ensamblaje.

• Después del punto de desvío inicial, se perforan las secciones tangentes y se ajusta la trayectoria sin sacar el motor del agujero. -El desplazamiento de la barrena y las tendencias de incremento y caída del ángulo no son siempre predecibles con la herramienta de fondo rotatoria.

• La eficiencia se logra con barrenas especiales para motor, secciones de potencia de lóbulos múltiples en el motor y registro MWD inalámbrico.

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Perforación Direccional con PDM’s• Potencia hidráulica convertida a Mecánica para impulsar la Barrena.

• Versatilidad - componentes flexibles, sensores agregados, variedad de formaciones & condiciones.

• Posibilidad de curvas de radio corto y radio medio.

• Reducción en: –Peso de los componentes de la Herramienta de Fondo.–Rotación de la sarta.–Desgaste de la tubería de revestimiento.–Vibración de la sarta.

• Cuestiones:–Tortuosidad en el agujero.–Vida de la barrena, adaptación de las barrenas al motor/formación–Perforación en modo deslizante (no rotacional).–Resistencia del Estator (longitud y respuesta del Ensamblaje de Fondo).

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Sección de Potencia

• Aplicación inversa de una bomba de Moineau.

• El fluido de perforación es forzado dentro de las cámaras elastoméricas del estator y hace girar el rotor.

• El rotor y el estator tienen perfiles helicoidales similares pero el estator tiene un lóbulo más que el rotor.

• El rotor se mueve oscilane dentro del estator.

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• El Acople Superior conecta el estator a la sarta de perforación (también la válvula de descarga, la sección curvada…).

• Sección de Potencia = conjunto Rotor/Estator.

• El eje de transmisión transforma la rotación excéntrica en rotación concéntrica.

• Sección de Rodamiento.

• Acople de transmisión de la rotación a la barrena.

Motor de Desplazamiento Positivo PDM Componentes Básicos

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Sección de Potencia Stator

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Potencia y Velocidad de Rotación

• Etapa del Estator = Cylinder

• Más etapas = Más potencia disponible

• Más etapas = menos trabajo requerido por etapa para un caballaje dado

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Interferencias entre Rotor y Estator

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• Transforma la rotación excéntrica (del rotor) a rotación concéntrica (hacia el eje o sub de acople a la Barrena.)

Sección de Transmisión

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• Motor instrumentado

• Sensores en la barrena:- Inclinación- Rayos Gamma- Resistividad- Resistividad en la barrena- Rayos Gamma Enfocados- Resistividad Enfocada

• Datos transmitidos al MWD vía telemetría electromagnética

• Las lecturas de MWD se combinan con los datos de D&I y de LWD y se transmiten a la superficie

Herramienta de Navegación Geológica

GeoSteering

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Motores de Fondo Motores de Fondo Principios de Operación Principios de Operación

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Condiciones de Equipo de Perforación•Las bombas deben ser capaces de las tasas de flujo y las presiones esperadas para la profundidad a perforar, la sarta de perforación y la trayectoria propuesta

•Tener adecuada instrumentación del equipo, incluyendo sensores para el torque de apriete, indicadores de peso, contador de emboladas, manómetros de presión e indicadores de RPM.

•Disponer del Equipo para Control de Sólidos.

•Bloqueo de la mesa rotaria u otro equipo para inmovilizar la sarta, para perforar en modo deslizante.

•Disponer de suficiente torque rotario para perforar.

•La mesa rotaria debe ser de tamaño suficiente para acomodar los motores de fondo de gran diámetro.

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Sección de PotenciaSección de Potencia

La Sección de Potencia convierte la energía hidráulica del fluido de alta presión a energía mecánica en forma de torque entregado para la barrena.

La Sección de Poder se compone del rotor y estator de forma helicoidal

El rotor tiene un lóbulo menos que el estator

Número de lóbulos del Estator = Número de lóbulos del Rotor + 1

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EstatorEstator

l Formado por elastómero adherido al interior de la carcaza.

l Elastómero RM100 (UF100) para lodos base agua y aceite

l Elastómero RM145 (HN89) – ODM para > 280º F.

l Elastómero RM245 para temperaturas >300º F.

lRe-line possible.

l La carcaza del estator puede ser de pared muy delgada –las conexiones son susceptibles a la corrosión.

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Nozzle Nozzle -- RotorRotor

Area Total de Flujo (TFA) =

TFA = Area Total de Flujo (tamaño de toberas, pulg.²)Q = cantidad de flujo desviado (gpm)MW = peso del lodo (ppg)P = presión diferencial esperada + presión de fricción (psi).

La presión de fricción es de 125psi para el motor A475 y mayores, y de 150 psi para A350 y menores

10850

2

××

PMWGPM

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Interferencia entre Rotor y EstatorInterferencia entre Rotor y Estator

lLa interferencia correcta de operación es de +0.020”

lEl elastómero se hincha con la temperatura y la absorción de fluido

lEl elastómero se comprime con la presión

lExisten programas com el PowerFit para calcular el ajuste a condiciones del taller

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Ejemplo de curvas de Potencia del Motor Ejemplo de curvas de Potencia del Motor

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ResumenResumen

• Más Lóbulos = Más Torque

• Más Lóbulos = Menos RPM

• Más Etapas = Más Torque

• Más Etapas = Más presión disponible

• Mayor Ajuste = Mayor Torque / Menos deslizado

• Exceso de Presión = Vida reducida del elastómero

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Orientación Magnética de la cara de la herramienta (MTF)Orientación Magnética de la cara de la herramienta (MTF)

• Mira el fondo del Pozo

• Usado cuando está muy cerca a la Vertical. (Baja inclinación)

• El ángulo que describe la orientación del Bent Housing (Codo) relativo al Norte.

• 0º de MTF representa que la tendencia del Sistema Navegable del BHA está en el Norte.

• 180º de MTF representa que la tendencia del Sistema Navegable del BHS está hacia el Sur.

Norte

Dirección de navegación

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•• Mira la sección transversal del pozoMira la sección transversal del pozo

•• Ángulo que describe la orientation del Ángulo que describe la orientation del bent housing relativa a la dirección de bent housing relativa a la dirección de la gravedad.la gravedad.

•• Oº de GFT significa que la tendencia Oº de GFT significa que la tendencia del Sistema Navegable del BHA está del Sistema Navegable del BHA está completamente hacia arriba.completamente hacia arriba.

•• 180º de GTF significa que la tendencia 180º de GTF significa que la tendencia del Sistema Navegable del BHA esta del Sistema Navegable del BHA esta completamente hacia arriba.completamente hacia arriba.

•• 90° GTF debe girar a la derecha y 270° 90° GTF debe girar a la derecha y 270° debe girar a la izquierda.debe girar a la izquierda.

Dirección de Navegación

Orientación Gravitacional de la cara de la herramienta (GTF)Orientación Gravitacional de la cara de la herramienta (GTF)

Lado alto del pozo

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Pantalla de la cara de la herramienta, TF Pantalla de la cara de la herramienta, TF

•• EL Tool Face Gravitacional es de 0° a 180° (+) para dirigir el EL Tool Face Gravitacional es de 0° a 180° (+) para dirigir el Pozo hacia la derecha. Y de 0° a 180° (Pozo hacia la derecha. Y de 0° a 180° (--) para dirigir el Pozo ) para dirigir el Pozo hacia la Izquierda. EL Tool Face Magnético es de 0° a 360° en hacia la Izquierda. EL Tool Face Magnético es de 0° a 360° en el sentido de las agujas del relojel sentido de las agujas del reloj

0 0

180 180

9027090-90

GTF MTF

Indicación de la Cara de la Herramienta• La Cara de la Herramienta Gravitacional, GTF está de 0º a 180º para dirigirse a la

Derecha ó de 0º a –180º para Dirigirse a la Izquierda,según el plano geográfico. • La Cara de la Herramienta Magnética, MTF está a 360º en el sentido de las

manecillas del reloj e indica la posición de la herramienta desviadora en relación con la sección transversal del pozo.

0º 0º

180º 180º

90º270º90º-90º

GTFMTFLado alto

Lado bajo

Lado derecho

Lado izquierdo Pozo

Norte

Sur

EsteOestePlano

Geográfico

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Ensamblajes de Fondo Ensamblajes de Fondo –– BHA’sBHA’s

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Cálculo del Punto Neutro del BHA (Pozo Vertical)Cálculo del Punto Neutro del BHA (Pozo Vertical)

• El PN es el punto donde la sarta de perforación pasa de tensión a compresión

• Se debe mantener dentro del BHA

• Los DC y la HWDP se ensamblan en el BHA para asegurar que haya suficiente peso disponible

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• Para un pozo desviado, se debe tener en cuenta la inclinación para determinar la posición del PN.

• Así, para un pozo con 45º de inclinación sólo el 71% del peso del BHA en el aire estará disponible.

Cálculo del Punto Neutro del BHA (Pozo Desviado)Cálculo del Punto Neutro del BHA (Pozo Desviado)

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Punto Neutro del BHAPunto Neutro del BHA

• En pozos Desviados:

Peso disponible sobre la barrena, WOB = (peso del BHA sumergido) x (coseno del ángulo de inclinación)

• Peso del BHA en el aire =Available WOB x FD

BF x cos α

Donde,

FD = Factor de Diseño. (usualmente, FD = 1.10)

BF = Factor de Flotación

α = Ángulo de inclinación del pozo

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Punto NeutroPunto Neutro

Ejemplo:

Tamaño del agujero: 12 ¼ “

Inclinación del pozo: 45°

Densidad del Lodo: 11 ppg

Peso sobre la barrena requerido, WOB : 40,000 lbs

a) Cuántos DC’s (de 8 ¼ ” OD, 160 lb/pie) necesita este BHA

b) If the number of DC’s is limited to 6, how many HWDP should be added to the string? (HW= 5”, 49.7 lbs/ft)

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Pandeo de la sartaPandeo de la sarta

Separación Radial entre el acople de la tubería y el agujero. pulgr

Peso unitario en el aire, lb/pulgWMomento de Inercia, pulg I

Factor de Boyancia, adimensionalK

Módulo de YoungEInclinación del agujero en el punto de interés, grados

Carga critica de pandeo sinusoidal, lbsF

4

B

CR

=

==

=

==

=

θ

rWKIE

F BCR

θsin2

×××××=

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Consideraciones sobre el BHAConsideraciones sobre el BHA• Los DC se colocan para proveer peso

• Reducir los DC en pozos de alto ángulo

• Reducir los estabilizadores para evitar colgamientos y permitir la perforación deslizante (dos estabilizadores de sarta encima del motor)

• Diseño de BHA para alto porcentaje de perforación en modo rotatorio

• La agresividad de las barrenas PDC debe ajustarse a la capacidad de torque del motor

• Hidráulica:

– La caída de presión en la barrena debe balancear el empuje hidráulico sobre los rodamientos axiales