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TEMA 2 Objetivo : El alumno identificará el funcionamiento e interrelación de los sistemas que constituyen el equipo de perforación rotatorio. Principales componentes del equipo de peroración FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación 1. Sistema de suministro de energía. 2. Sistema de izaje. 3. Sistema de circulación. 4. Sistema rotatorio. 5. Sistema de control. 6. Sistema de medidor de parámetros de perforación.

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TEMA 2

Objetivo: El alumno identificará el funcionamiento e interrelación delos sistemas que constituyen el equipo de perforación rotatorio.

Principales componentes del equipo de peroración

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

1. Sistema de suministro de energía.2. Sistema de izaje.3. Sistema de circulación.4. Sistema rotatorio.5. Sistema de control.6. Sistema de medidor de parámetros de perforación.

Objetivo: Aportar los medios para levantar y bajar la sarta de perforación, latubería de revestimiento y otros equipos sub superficiales, para realizarconexiones y viajes.

El sistema de izaje es un componente vital de un equipo de perforación. Este sistemasuministra un medio por el cual se da movimiento vertical a la tubería que esta dentrodel pozo; esto es, bajar y sacar la sarta de perforación y la T.R.

Los principales componentes de este sistema son:

2. Sistema de izaje

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Ø Mástil y subestructura.

Ø El malacate.

Ø La corona y la polea viajera (sistema de poleas).

Ø El cable de perforación.

Ø Equipo auxiliar tal como elevadores, gancho, etc.

2. Sistema de izaje Componentes

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Componentes del sistema izaje.

Componentes de izaje

Corona

Línea vivaLínea muerta

Carrete del cable

Malacate

Línea muerta

Polea viajera

Gancho

Ancla

2. Sistema de izaje Mástil

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Las torres convencionales son unas pirámides de cuatro lados construidas en acero estructural ypueden ser portátiles o fijas. Las fijas están en desuso y las portátiles se conocen como mástil.

Evolución de las torres de perforación.

2. Sistema de izaje Mástil

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Voladizo Plegable Telescópico

Mástil, Es una estructura de acero con capacidad para soportar todas las cargas verticales,cargas excedentes y el empuje por la acción del viento. La longitud de estos varía de 24 a 57 m ysoportan cargas estáticas de 125 a 1,500 tons. Por su construcción se dividen en:

Alturacapacidad

9 a 12 m

Consideraciones para el diseño del mástil:

1. El mástil debe soportar con seguridad todas las cargas (jalón) y cargas que excedanla capacidad del cable.

2. Deberá soportar el empuje máximo por la velocidad del viento.

3. La plataforma de trabajo tiene que estar a la altura apropiada para el buen manejo dela tubería (lingadas).

La capacidad del mástil (CM) se obtiene con la siguiente fórmula:

2. Sistema de izaje Mástil

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

CM = Carga suspendida (Cs) x Número de líneas corona (N)

Eficiencia (E) x Número de líneas en polea viajera (n)

Donde: E = Carga real / Carga equivalente

Ej. Determine la capacidad de un mástil (de dos piernas) si la carga a levantar (cargamuerta) es de 375,000 lbs, teniendo un arreglo de 6 líneas en la polea viajera, 8 en lacorona, una eficiencia del 85% y un peso de la corona y la polea viajera de 12,000 lbs.

CM = 375000 x 8

(0.85 x 6)+ 12000 = 600,235 lbs

+ Peso de corona (Pc) + Peso polea viajera (Ppv)

2. Sistema de izaje Subestructura

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Subestructura. La subestructura se construye de acero estructural y las cargas que debesoportar son superiores a las que soporta el mástil, ya que además de soportar al mástil consu carga, soporta al malacate, a la mesa rotaria, el piso de trabajo y debe tener una alturasuficiente para permitir la instalación del conjunto de preventores y la línea de flote.

M A L A C A T E

2. Sistema de izaje

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Malacate. Es el elemento que utiliza la energía del sistema de potencia para aplicarle unafuerza al cable de perforación. Esta provisto de un sistema de frenos para controlar las altascargas y un sistema de enfriamiento para disipar el calor generado por la fricción en lasbalatas. El tambor del malacate tiene un ranurado (lebus) para acomodar el cable deperforación.

2. Sistema de izaje Malacate

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

ComponentesTambor principal.- Es el que transmite la fuerza alcable de perforación y realiza la acción de subir obajar la polea viajera.

Cabrestante.- . Son tambores colocados a ambosTambor elevador

Cabrestante Embrague

Cabrestante.- . Son tambores colocados a amboslados del malacate y son usados para realizaroperaciones rutinarias.

Frenos.- Son unidades importantes ya que deellos depende parar el movimiento. El frenoprincipal de un malacate es mecánico del tipo defricción (tambor o disco). Para reducir el calorgenerado por los frenos de fricción se utilizanfrenos auxiliares que ejecutan una gran parte de laacción de frenar.

Embrague.- Se usa para acoplar mecánicamente el tambor elevador con la fuerza transmitida.

Frenos

Tambor elevador

Los equipos mecánicos utilizan un freno auxiliar del tipo hidromático, el cual trabajaimpulsando agua en dirección opuesta a la rotación del tambor principal.

Los equipos eléctricos usan un freno auxiliar del tipo electromagnético en el cual se generandos campos magnéticos opuestos cuya magnitud depende de la velocidad de rotación.

2. Sistema de izaje Malacate

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Capacidades

Sistemas auxiliares de frenado.

Ranurado lebus

El sistema de frenos de fricción del carrete del malacate es importante para la correctaoperación. Sus requerimientos generales son:

v Seguridad y confiabilidadv Efectividadv Facilidad de mantenimiento

La seguridad y la confiabilidad, se obtiene con diseños cuidadosos.

Para que un sistema de frenado sea efectivo debe tener las siguientes características:

2. Sistema de izaje Malacate

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Para que un sistema de frenado sea efectivo debe tener las siguientes características:

Ø Debe reducir la fuerza que debe ser aplicada para operar el freno.

Ø Debe relevarse así mismo conforme el carrete empieza a girar en la dirección delevantamiento.

La fuerza de frenado del malacate proporciona una ventaja mecánica muy alta,permitiendo que el frenado, aún para grandes cargas, se realice con una fuerza manualrazonable aplicada sobre la palanca de operación del freno.

Se dice que un sistema de frenado esta bien calibrado, cuando el peso de la polea viajeraes sostenido únicamente con el peso de la palanca.

Dimensiones del tambor elevador

Como la clasificación del malacate y el diámetro del cable de perforación estánrelacionados, el diámetro del tambor elevador debe aumentar con la capacidad delequipo. El uso de un tambor de menor capacidad de la requerida causaría esfuerzosmáximos en el cable, dañándolo y acortando su vida útil.

El diámetro mínimo del tambordebe ser de 24 veces mayor que eldiámetro del cable.

2. Sistema de izaje Malacate

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

La longitud del carrete deberáestar en función a una lingada detubería, de tal manera que semaneje sin que la línea enrollada enel carrete, sea mayor de tres camas.Si existen más de tres camasocurrirá una abrasión sobre el cable.

d

l

La longitud del tambor elevador puede ser obtenida con la siguiente fórmula:

Lc = + 9 (pg); Donde:Ll x N x Dc

6666ππππ x Rt

Lt longitud del tambor (pg)Ll longitud de la lingada (pug)N número de líneas en el ganchoDc diámetro del cable (pg)Rt radio del tambor (pg)Dt diámetro del tambor (pg)

Ej: Cuál deberá ser la longitud del tambor elevador para un equipo de perforación queopera con 6 líneas en la polea viajera, si la longitud de la lingada es de 29 m y el

Dt = 24 Dc

2. Sistema de izaje Malacate

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

opera con 6 líneas en la polea viajera, si la longitud de la lingada es de 29 m y eldiámetro del cable de perforación es de 1 1/8” pg?.

Lc = + 9 = 39.3 pg(29x39.37) 6 x 1.125

6π x 1.125 x 24 /2

Dt = 24 Dc = 24 x 1.125 = 27 pg

Rt = Dt / 2 = 13.5 pg

C A B L E

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Cable. El cable de perforación une al malacate con el ancla del cable y está guarnido através de la corona y la polea viajera con objeto de darle movimientos verticales a esta .

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Malacate

Corona

Línea vivaLínea muerta

El cable esta formado por torones y un alma,varios torones se tuercen alrededor de un almapara formar el cable.

Toron

Alma

El alma o núcleo puede ser de fibra o acero

Carrete del cable

Malacate

Polea viajera

Ancla

La trama de un cable describe la dirección en laque los alambres y los torones están envueltosuno del otro. Es el tipo de construcción delcable.

El trabajo principal que desarrolla un cable es:v Durante la perforación.v Viajes para cambio de barrena.v Introducción de tuberías de revestimiento.v Operaciones diversas (pesca, núcleos, etc.)

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

La resistencia de un cable depende de: su construcción, la resistencia del material yde su diámetro. Dependiendo de su construcción los cables se clasifican en:

El cable más utilizado en la industria petroleratiene una clasificación 6 x 19 SEALE concentro de cable independiente. El número 6,se refiere al número de torones que rodean alalma de cada acero independiente; el número19, indica que cada toron tiene 19 alambres.

6 x 19 SEALE

El diseño SEALE nos

El API clasifica los cables como se indica a continuación:

De acero ranurado extra mejorado (EIPS)De acero ranurado mejorado (IPS)De acero ranurado (PS)De acero ranurado suave (MPS)

El diseño SEALE nosindica el número dealambres internos yexternos del toron.

El cable es un elemento de transmisión entre el sistema de potencia y el trabajo delevantamiento del aparejo y durante su operación es sometido a: rozamiento, escoriado,

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

El diámetro correcto del cable es el del circulocircunscrito tangente a todos los toronesexteriores como se muestra en la figura. Paramedir el diámetro en la forma correcta serecomienda el uso de un calibrador en laforma indicada.

levantamiento del aparejo y durante su operación es sometido a: rozamiento, escoriado,vibrado, torcido, compresión y estirado; razón por la cual se debe aplicar un factor deseguridad en su diseño. El API proporciona los siguientes factores:

Tipo de servicio

§ Sondeo§ Levantar y bajar mástil§ Introducir TR§ Pescas

Factor de diseño

32.522

La resistencia a la ruptura de un cableextramejorado se puede obtenermediante la siguiente expresión:

Rc = D2 x 100,000 lb

La principal función de un cable de perforación conjuntamente con otros componentes(poleas) del sistema de izaje es la de dar una ventaja mecánica (Vm) para levantar obajar la sarta de perforación. Si la tensión en la línea viva que esta unida al malacate sedefine como Tf, entonces la ventaja mecánica es:

Vm = donde:Wg

TfWg es el peso en el gancho (lbs)Tf tensión en la línea viva (lbs)

Tf = donde: Wg

N Eg

N es el número de líneas en la polea viajera (gancho)Eg es la eficiencia aplicada al gancho

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

N Eg

Ej: Se usará un cable de 1 3/8 pg, 6 x 19 SEALE para correr una T.R. que pesa500,000 lbs. Se desea saber si con un guarnido de 10 líneas el cable cumple con unfactor de seguridad de 2. La resistencia del cable es de 192,000 lb y la eficiencia porpolea de 0.98.

Eg = (0.98) 10 = 0.817 Tf = = = 61,199 lbsWg

N Eg

500,000

(10) (0.817)

Fs = = = 3.137 Si cumple con el factor de seguridadRcable

Tf

192,00061 199

El factor de seguridad (FS) del cable también puede ser obtenido de la siguiente forma:

Fs = (Rc x N x Eg) / Wg Donde:

Fs = (192000 x 10 x 0.817) / 500000

Fs = 3.137

Rc resistencia del cable (lbs)

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Si el Fs hubiese resultado menor de 2, se tendría que cambiar el cable o aumentarel número de líneas en la polea viajera.

La potencia requerida (HP) al gancho para levantar una determinada carga, se calculacon:

HPg = donde:Wg V

33000

HPm = donde:HPg

33000 Eg Em

HPg caballos de potencia al gancho (HP)

V velocidad de izaje en (pies/min)

HPm caballos de potencia de salida en los motores (HP)

Eg eficiencia del gancho

Em eficiencia del malacate

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

La unidad normal de potencia es el caballo de fuerza (HP) = 75 kg-m/seg

Ej: Se usará una sarta de perforación para perforar un pozo que tendrá un peso de300,000 lb, la velocidad de izamiento será de 93 pies/min. Se tienen 8 líneasguarnidas al gancho. El equipo tiene los siguientes componentes:

Motor1437

26511

37411

FlechasCadenasTotal

Suponga una eficiencia del 75% en los convertidoresde torsión y del 98% para cada polea. Calcular losrequerimientos mínimos de potencia en los motores.

La unidad normal de potencia es el caballo de fuerza (HP) = 75 kg-m/seg

Solución:

HPg = (300000) (93) / 33000 = 845 HP Caballos requeridos en el gancho.

Eg = (0.98) 8 = 0.850 Eficiencia del sistema del gancho

HPm = HPg / 0.850 = 994 HP Caballos requeridos en el malacate

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

E = [(0.98)7 (0.98)11 (0.98)11] / 3 = 0.823 Eficiencia entre los motores

HPm = 994 / 0.823 = 1,207 HP Potencia en los motores

HHP = HPM / Ec = 1207 / 0.75 = 1,609 HHP Requerimiento mínimo de potenciaen los motores

Durante la vida operativa de un cable es necesario estar revisando su desgaste. Lapráctica más común es calcular el número de toneladas – kilómetro (TK) de trabajorealizado por el cable. Una tonelada - kilómetro se define como el trabajo realizadopor el cable para levantar 1 Ton de peso a lo largo de 1 Km.Los principales factores que afectan el desgaste del cable son: los viajes redondos, lacorrida de la T.R. y la perforación. Las tons – Km se obtienen con la siguiente ecuación:

TK = + + donde:DWtp(Ll+D)

1 579 326

D Wg

588.65

Llb D W

789 665

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

TK = Toneladas – kilómetro del cable

D = Profundidad del pozo (m)

Wtp = Peso unitario (flotado) de la TP; (lb/pie)

Ll = Longitud de la lingada (m)

Wg = Peso del gancho (ton)

Llb = Longitud de los lastrabarrenas (m)

W = Peso unitario flotado de los lastrabarrenas - peso unitario flotado de la TP (lb/pie)

Ej: Calcular las toneladas – kilómetro en un viaje redondo para un pozo con lassiguientes condiciones:

Profundidad = 4000 m T.P. 4 ½”, 16.6 lb/pie Dens. del lodo (ρ) = 1.45 gr/ccLastrabarrenas = 180 m y 107 lb/pie Peso gancho = 8 tonLongitud de la lingada = 29 m

TK = + + DWtp(Ll+D)

1 579 326

D Wgc

588.65

Llb D W

789 665

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

TK = + + 4000(13.53)(4000+29)

1 579 326

4000(8)

588.65

180(4000)(73.73)

789 665

Wtp = Wtp (Ff) Wlb = Wlb (Ff) Donde: Ff = 1 – (ρl /ρa) W = Wlb - Wtp

TK = 259.66 toneladas - kilómetro

Wtp = 16.6 x 0.815 = 13.53 lb/pie Wlb = 107 x 0.815 = 87.26 lb/pie

W = Wlb – Wtp = 87.26 – 13.53 = 73.73 lb/pie

Ff =1 – (1.45 /7.85) = 0.815

Tarea No. 2Calcular las toneladas – kilómetro en un viaje redondo para un pozo con las siguientescondiciones:

Profundidad = 14,760 piesT.P. 5”, S-135 = 29.05 kg/mLastrabarrenas 8” x 3”= 165 m y 107 lb/pieDensidad del lodo: 1.80 gr/ccLongitud de la lingada = 28 m

2. Sistema de izaje Cable

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Longitud de la lingada = 28 mPeso del gancho = 26,400 lbs

S I S T E M A D E P O L E A S

2. Sistema de izaje Sistema de poleas

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

P O L E A S

El sistema de poleas es el que une mediante el cable de perforación al malacate con latubería de perforación o revestimiento y proporciona un medio mecánico para bajar olevantar dichas tuberías. El sistema de poleas se compone de: la corona y la poleaviajera.

La corona es una serie de poleas fijascolocadas en la parte superior delmástil.

2. Sistema de izaje Sistema de poleas

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

La polea viajera, como su nombrelo indica, es de libre movilidad.También se le conoce como: Blocky Gancho.

2. Sistema de izaje Sistema de poleas

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

El sistema de poleas nos permita reducir la fuerza requerida para sacar o meter la tubería.

Una polea

W = 136,200 kg levantar 0.3 m

T = F x d = 136200 x 0.3 = 40,860 kg -m

Si realiza el trabajo en un segundo:

Potencia = Trabajo / tiempo

Potencia = 40,860 kg -m

Tres poleas en la corona y dos en la polea viajera

W = 136,200 lb levantar 0.3 m

Fuerza del malacate = W / No. Líneas

Distancia recorrida en el malacate = No. de líneas x la distancia recorrida por la carga.

D = 4 x 0.3 = 1.2 m

Si 1 HHP = 75 kg –m

HP requeridos = 544.8 HP

F = 136200 / 4 = 34,050 kg

T = F x d = 34050 x 1.2 = 40,860 kg - m

Potencia = Trabajo / tiempo

Potencia = 40,860 kg -m

Si 1 HHP = 75 kg –m

HP requeridos = 544.8 HP

La distancia que recorre el cable en elmalacate es la misma que recorre lacarga (0.3 m).

2

2. Sistema de izaje Sistema de poleas

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

Ej: Se desea correr una T R de 9 5/8”, 53.5 lb/pie a 4,300 m en un lodo de 1.82 gr/cm. Si

El equipo de perforación deberá evaluarse en su sistema de poleas para asegurar que cumplacon los requerimientos de seguridad. Las especificaciones para los factores de seguridad son:

CARGA CALCULADA (TONS)

De 0.0 a 150

151 a 500

501 ó más

FACTOR DE SEGURIDAD

4

4 – (R-150) /350

3

EFICIENCIA D LAS POLEAS VIAJERA

Fg = (0.98) n n es el número de líneas ó poleas del gancho)

Nota R es la carga calculada

Ej: Se desea correr una T R de 9 5/8”, 53.5 lb/pie a 4,300 m en un lodo de 1.82 gr/cm. Siel gancho tiene una capacidad para 350 ton. ¿Estará bien diseñado el sistema de lapolea viajera?.

Ff = 1 – (ρl /ρa) = 1 – (1.82/7.85) = 0.77

WTR = 4300 x 3.28 x 53.5 x 0.77 = 581,014 lbs = 264 ton

Fs = 4 – (R-150) / 350 = 4 – (264-150) / 350 = 3.67

La capacidad requerida del equipo = Fs (WTR) = 3.67 x 264 = 968.9 tons

De acuerdo a los requerimientos del API el equipo esta bajo diseñado No soporta

Ej: Se requiere correr una T R de 13 3/8”, 77 lb/pie a 2,300 m en un lodo de 1.52 gr/cm. Siel gancho tiene una capacidad para 420 ton. ¿Estará bien diseñado el sistema de lapolea viajera?.

2. Sistema de izaje Sistema de poleas

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación