2. EL EQUIPO PERFORADOR

2.1 DESCRIPCION GENERAL (FIGURAS 1, 2 Y 3)

Para poder efectuar las perforaciones con objetivo en los hidrocarburos es necesario disponer de un complejo y pesado equipamiento que permita llevar a cabo estas tareas con eficiencia, máxima seguridad y especial cuidado en la preservación de las condiciones ambientales.Un equipo de perforación está integrado por los siguientes sistemas que mas adelante se detallan:

Sistema de elevaciónSistema de circulaciónSistema de rotaciónSistema de seguridadEquipamientos auxiliares

Para cumplir todas estas funciones, los equipos perforadores requieren de una fuente de energía para su accionamiento. Según sus características podemos clasificarlos en:

a) Equipos de accionamiento mecánicob) Equipos de accionamiento eléctrico

a) Los equipos de accionamiento mecánico son aquellos accionados directamente por motores diesel. En este caso se requiere de una transmisión mecánica que permita distribuir la energía a los diferentes puntos de utilización. Las bombas en este caso, por su alto consumo de potencia, suelen ser accionadas directamente por motores diesel. Este tipo de accionamiento se utiliza preferentemente en equipos pequeños y medianos debido a que se facilita el traslado entre locaciones. El esquema general de la instalación se muestra a continuación: (FIGURA 4)

b) Los equipos de accionamiento eléctrico pueden ser con alimentación de línea o tener una planta generadora y motores eléctricos para accionar todos los sistemas principales y auxiliares. Los de alimentación directa son de escasa utilización, ya que su uso está restringido a áreas donde existan líneas de distribución eléctrica y un equipo perforador debe poseer la flexibilidad de movilizarse a diferentes áreas y regiones. Los equipos de accionamiento eléctrico mas utilizados son los llamados diesel-eléctricos, que tienen una planta generadora central accionada por motores diesel. Este tipo de accionamiento se utiliza preferentemente en equipos grandes. Todos los equipos offshore son de accionamiento diesel-eléctrico, ya que los equipamientos para perforar son de gran capacidad y además en este caso al accionamiento para perforar se suman los requerimientos de la plataforma como artefacto marino. El esquema general de la instalación, para un equipo en tierra, se muestra a continuación:

(FIGURA 5)

Según su capacidad perforante, los equipos de perforación pueden clasificarse en:a. Equipos livianos, para profundidades hasta aproximadamente 2.000 metros.

Características: Autotransportables o montados sobre semi-remolques; mástiles telescópicos, pocos elementos auxiliares con la menor cantidad de cargas posible. Su desmontaje, trasladado a corta distancia y montaje demanda no mas de 20/24 horas.

b. Equipos medianos, para profundidades hasta aproximadamente 4.000 metros. Características: Cubren una gama intermedia de profundidades, por lo que puede necesitarse su movilización con alguna frecuencia, en razón de lo cual es necesario que puedan ser desmontados y montados lo más rápidamente posible (de 3 a 4 días).

c. Equipos pesados, para profundidades mayores a 4.000 metros. Características: Están montados sobre estructuras de gran capacidad y alzada, tienen mástiles de gran

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resistencia y capacidad de carga y cuentan con importantes instalaciones auxiliares. Requieren para su traslado la movilización de una gran cantidad de cargas. Su desmontaje, y montaje puede demandar 10 o 15 días.

EL SISTEMA DE ELEVACIÓN (FIGURA 6)

El cuadro de maniobrasEl cuadro de maniobras, guinche o malacate, es una pieza del equipo perforador consistente básicamente en un tambor que gira sobre un eje horizontal. Sobre ese tambor se arrolla un cable de acero llamado cable de perforación. El eje del tambor está conectado a una caja de velocidades la cual a su vez recibe el impulso de los motores de accionamiento, lo cual permite que el tambor desarrolle diferentes velocidades, tanto para arrollar como para desenrollar el cable de perforación. El cable está a su vez accionando un sistema de aparejo, de modo que un gancho conectado al sistema de poleas viajeras puede bajar y levantar las cargas hacia y desde el pozo.El cuadro de maniobras dispone de dos tipos de frenos: uno es mecánico, del tipo a cintas, que permite un frenado prácticamente inmediato del tambor; el otro es un freno que puede ser hidráulico (hidromático) o electromagnético. En ambos tipos lo que se obtiene es un control de la velocidad de bajada del aparejo, lo que es especialmente importante cuando se están operando grandes cargas, ya que se impide que la carga tome una velocidad incontrolable en el descenso.El cuadro de maniobras dispone además de un segundo eje sobre el cual están montados los llamados carreteles de maniobra; estos carreteles permiten accionar las llaves de enroscado de las tuberías y, anteriormente, también para elevar pequeñas cargas. También es usual disponer de un tambor secundario, sobre el cual se enrolla un cable de menor diámetro que el de perforación, llamado tambor de pistoneo, y que se usa para efectuar maniobras de ensayo en el pozo (pistonear).

AparejoLa principal función del aparejo es obtener una multiplicación de la fuerza impulsora para aumentar las cargas a levantar. El conjunto de aparejo consta de un conjunto de poleas fijas, sujeto en la parte superior de la torre, denominado corona y un conjunto de poleas viajeras que se vinculan a un gancho destinado a sostener las cargas. El cable de perforación, que tiene un punto fijo en el tambor, se enhebra a través de la corona y de las poleas viajeras y termina en otro punto fijo, generalmente en un sitio opuesto al cuadro de maniobras, llamado punto de anclaje o punto muerto del cable de perforación. A partir de ahí el cable se continúa en la bobina que viene originalmente de la fábrica. A fin de disminuir el riesgo de roturas en las zonas de las poleas, se efectúan a intervalos determinados por el trabajo acumulado, lo que se denominan corridas y cortes del cable, que modifican la posición del mismo con respecto a las roldanas del aparejo, de modo de reemplazar al cable que trabajó en esas zonas, sometido a esfuerzos de tracción, flexión y desgaste por roce, por otro tramo que solo ha estado sometido a tracción durante el mismo periodo y por lo tanto ha disminuido su resistencia en menor medida. El trabajo se mide usualmente en toneladas por kilómetro o toneladas por milla, según el sistema de medida a usar.

La torreTodo el sistema descripto anteriormente necesita de una estructura de soporte. Esa estructura es lo que se denomina genéricamente torre. Consta de un entramado de perfiles diseñado

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para soportar las máximas cargas que deberán operarse en el equipo con coeficientes de seguridad suficientes. Las torres pueden ser de dos tipos: las fijas o torres propiamente dichas y los mástiles. La diferencia es que las torres son estructuras fijas, las cuales deben montarse totalmente en cada caso, en cambio los mástiles permiten ser rebatidos de la posición vertical a la horizontal y viceversa, en forma similar a la pluma de una grúa, facilitando de este modo su transporte. En algunos modelos de mástiles también es posible deslizar una parte de la estructura dentro de la otra, en forma telescópica, de modo de reducir su longitud y hacer aún más fácil el transporte.En los equipos para operar en tierra (onshore) se usan casi exclusivamente mástiles. En cambio en las plataformas que operan en el mar (offshore) se utilizan torres fijas.

EL SISTEMA DE CIRCULACIÓN

En el sistema de perforación rotativo, es necesario utilizar un fluido que circule en el pozo y que cumpla las siguientes funciones generales:

1) Limpiar el fondo del pozo y acarrear los recortes de terreno que corta el trépano hasta la superficie.

2) Refrigerar el trépano y toda la columna de perforación.3) Proveer una columna hidrostática capaz de ejercer una presión sobre las formaciones del

subsuelo, que impida la entrada al pozo de los fluidos de formación.4) Mantener las paredes del pozo estables hasta que se coloque una cañería, impidiendo el

desmoronamiento de los terrenos perforados.

El ámbito total del sistema de circulación comprende: las bombas de lodo, un circuito de superficie, la columna de perforación y el espacio anular entre pozo y columna perforadora, es decir todos los espacios por los cuales circula el fluido de perforación.El circuito de superficie tiene un conjunto de cañerías y derivadores de flujo (manifolds), de alta presión, para conducir el fluido desde las bombas hasta el interior de la columna perforadora y un sistema de depuración y tratamiento del fluido que retorna del pozo, consistente en tanques y elementos de separación de detritos y sólidos indeseables.

Las bombas de lodoNormalmente en los equipos de perforación se instalan al menos dos bombas de este tipo. Cuando es necesario usar altos caudales de circulación se operan ambas en paralelo. Cuando se requieren caudales menores se utiliza una y la otra queda como reserva.

El ciclo del lodo:El fluido de perforación es impulsado por las bombas hasta una tubería vertical, llamada stand pipe, y de ahí pasa a la manga de inyección, que es una manguera de alta presión que provee una conexión flexible hasta la cabeza de inyección. Desde la cabeza de inyección el fluido continúa por el interior de la columna perforadora hasta el trépano, sale por los orificios de éste y retorna por el espacio anular entre pozo y columna perforadora, llevando en suspensión los recortes de terreno cortados por el trépano. Al retornar a la superficie el lodo recorre el sistema de tanques y equipamiento de depuración, para ser retomado, ya limpio y en condiciones parecidas a las originales por las bombas de lodo. (FIGURA 7)

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EL SISTEMA DE ROTACIÓNEl sistema de rotación está integrado básicamente por la mesa rotativa (o mesa rotary), la cabeza de inyección (swivel) y el vástago de perforación (kelly). La rotación puede también efectuarse mediante cabezas rotativas (“top drive”) o mediante motores hidráulicos de fondo.La mesa rotativa tiene un plato giratorio ubicado al nivel del piso de perforación y está impulsada desde una transmisión general o por un motor independiente. La mesa rotativa es la encargada de transmitir el movimiento de rotación al vástago de perforación y por lo tanto al resto de la columna perforadora. Posee un cuadrante donde se coloca, en dos mitades, un buje llamado buje maestro.El vástago tiene una sección no circular, generalmente cuadrada u hexagonal, de modo que un elemento llamado buje de impulso, que gira accionado por la mesa, hace contacto con las caras del vástago mediante un conjunto de rodillos de libre giro, lo que hace que el vástago pueda rotar y al mismo tiempo deslizarse verticalmente.La cabeza de inyección es un elemento mecánico que está sostenido por el gancho del aparejo, recibe el fluido de perforación desde la manga de inyección y lo transmite al vástago de perforación, permitiendo su rotación, para lo cual posee un sistema de empaquetaduras capaces de resistir las altas presiones de circulación del fluido.

SISTEMA DE SEGURIDAD – BLOW OUT PREVENTER (BOP)(FIGURA 8)En un pozo en perforación se atravesarán con seguridad capas porosas que contendrán fluidos presurizados. Estos fluidos pueden ser agua, petróleo, gas o mezclas de ellos. En caso que la presión de formación de esos fluidos supere la presión ejercida por la columna de fluido de perforación, se producirá un ingreso del fluido de formación al interior del pozo y el desbalance de presiones puede ocasionar lo que se denomina una surgencia (blow out) o al menos un principio de surgencia (kick). En casos extremos, esta situación puede llegar a salirse de control y producir una alternativa de riesgo e incluso, si el fluido ingresado es petróleo o/y gas, ocasionar un incendio y daños ecológicos considerables. Para hacer frente a esta alternativa es necesario disponer en el equipo de un sistema de seguridad. El elemento principal de este sistema lo constituyen las válvulas de seguridad o BOP (Blow Out Preventer). Consiste en un conjunto de válvulas que se colocan sobre la boca del pozo y que permiten cerrarlo ya sea que la columna de perforación se encuentre dentro o fuera del pozo. Estas válvulas son de accionamiento hidráulico y se comandan a distancia. Se utilizan de dos tipos principales: de esclusas y de cierre variable. Las de esclusas permiten cerrar totalmente cuando el pozo está sin la columna perforadora u obturar el espacio anular entre un diámetro fijo de la columna y el pozo. Las de cierre variable permiten cerrar sobre cualquier diámetro de tubería que se encuentre dentro del pozo o también cerrar completamente si el pozo está libre.En los equipos se utilizan por lo menos tres válvulas, dos de esclusas: una para cierre total y otra para cierre anular entre pozo y barras de sondeo, y una válvula de cierre variable.De todas formas si algún fluido presurizado ha ingresado al pozo, además de cerrar las válvulas (BOP), será necesario efectuar operaciones destinadas a eliminar esos fluidos extraños y volver el pozo a condiciones normales. Para ello se utiliza el denominado manifold de surgencia, el cual consiste de un sistema de derivadores del flujo que llega desde el espacio anular, y conducirlo a través de válvulas reguladoras de la presión u orificios calibrados, lo que permiten manejar las presiones del pozo y eliminar los fluidos indeseables. Cuando existe presencia de gas, se dirige el flujo a un equipo separador de gas, que permite eliminarlo, quemándolo a distancia suficiente del equipo y el personal, en el “pozo de quema”.

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LOS EQUIPAMIENTOS AUXILIARES

Además de los sistemas principales descriptos anteriormente, en los equipos de perforación hay otros equipamientos que son necesarios para poder llevar a cabo los trabajos de la perforación. Los describiremos a continuación brevemente:

Generadores de electricidad: En los equipos de accionamiento eléctrico, existe una planta central generadora de energía eléctrica que provee el accionamiento de los sistemas principales y auxiliares. En los equipos de accionamiento mecánico, es necesario también disponer de una planta generadora de electricidad, de mucha menor capacidad que en el caso anterior, a fin de suplir la energía necesaria para iluminación y accionamiento de equipos auxiliares como zarandas, compresores, desgasificador, bombas centrífugas, aire acondicionado o calefacción, etc.

Compresores: Muchos de los comandos del equipo son de accionamiento neumático y también lo son algunas herramientas, como cuñas neumáticas y llaves de ajuste de tuberías, por lo tanto es necesario tener equipos compresores que lo provean. En los equipos de accionamiento mecánico también se utiliza el aire comprimido para el arranque de los motores diesel.

Instrumental de medición: La perforación propiamente dicha, es decir la acción del trépano en el fondo del pozo, ocurre a cientos o miles de metros de la superficie y por lo tanto fuera del alcance de nuestra vista. Por lo tanto es indispensable disponer de datos de medición que nos permitan evaluar permanentemente la marcha de la operación. El instrumental de medición cumple esta función y nos permite conocer importantes parámetros, como ser: la carga suspendida del gancho, la carga que se está aplicando sobre el trépano, el par torsor a que está sometido, los caudales y presiones de circulación, la velocidad de rotación, la velocidad de avance del trépano, etc.La cantidad de parámetros a medir depende de los riesgos involucrados en la perforación y del grado de conocimiento que se tenga del área a perforar. Los parámetros mencionados anteriormente son los que usualmente tiene todo equipo perforador, en el caso de los pozos de exploración se cuenta con una unidad especial llamada de control geológico que toma y grafica los valores usuales y también efectúa el análisis de los terrenos atravesados y registra la posible presencia de hidrocarburos.

Depósitos de materiales: En una perforación se consumen cantidades importantes de diversos materiales sólidos y líquidos, por lo tanto es necesario disponer de lugares para su almacenamiento. Los materiales sólidos son básicamente productos para el lodo y tuberías. Los materiales para el lodo son pulverulentos, que pueden estar envasados en bolsas o a granel en silos. En el caso de los materiales embolsados se los protege con cubiertas de polietileno o se los guarda en tinglados. Las tuberías se disponen sobre caballetes en la locación a cielo abierto.

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Los materiales líquidos son básicamente agua y combustible que se almacenan en tanques adecuados. También hay algunos productos líquidos para el lodo, que se almacenan en tambores y bidones.Se dispone también de un trailer donde se almacenan los repuestos mínimos necesarios para el equipo perforador y las herramientas de mano.

Instalaciones adicionales: En las perforaciones en tierra que se hacen en lugares lejos de los yacimientos o de poblaciones que puedan proveer alojamiento al personal de perforación, es necesario instalar campamentos que incluyen dormitorios, comedores y servicios sanitarios. En la perforación offshore las plataformas tienen todo el servicio de hotelería necesario, ya que el personal vive en la plataforma durante su período de trabajo.Aún en el caso de las operaciones que no necesitan de campamento, es común tener alojamiento para el personal de inspección, geología y técnico de lodo, que permanecen la locación durante los días que comprende su esquema de trabajo.

Comunicaciones: Es un rubro sumamente importante, ya que un buen sistema de comunicación con su base de operaciones permitirá solicitar materiales o consultar instrucciones rápidamente. Además actualmente un sistema de transmisión de datos permite tener en la base todos los datos de la perforación en tiempo real o transmitir los reportes diarios completos, evitando transcripciones falibles de error.

EL EQUIPO HUMANOLa cuadrilla de perforación, que es la encargada de manejar el equipo perforador, se compone normalmente de entre 6 a 8 personas en cada turno de trabajo. La cantidad de integrantes de la cuadrilla depende del tamaño del equipo y de la importancia del pozo a perforar; también varía según se opere en tierra o en el mar. En general las funciones que cumplen sus integrantes son las siguientes:

Supervisor o Jefe de Equipo: Es el máximo responsable de la cuadrilla y generalmente vive en el equipo, estando disponible las 24 horas del día. Se requiere una vasta experiencia en equipos, herramientas y en los trabajos de perforación.

Encargado de turno: El encargado de turno trabaja en un turno y está a cargo durante su turno de la cuadrilla. Cumple todas las tareas de rutina concernientes a la perforación. También se requiere que tenga una buena experiencia de trabajo y conocimiento profundo de las herramientas y equipos.

Perforador o Maquinista: Es la persona que está en los comandos del cuadro de maniobras, a cargo de mantener la perforación dentro de los parámetros establecidos en el programa y de las maniobras de agregado de barras y viajes del trépano.

Enganchador: El enganchador está a cargo de maniobrar los “tiros” de barras de sondeo y portamechas durante las maniobras de sacar o bajar trépano, para lo cual debe ubicarse en el piso de enganche, una plataforma ubicada aproximadamente a 30 m sobre el piso de perforación. En el tiempo en que no se efectúan maniobras tiene como función el cuidado del lodo y asiste en tareas generales.

Asistentes del perforador: Son usualmente dos o tres operarios (en equipos grandes pueden ser mas) que trabajan en el piso de perforación, en el enrosque y desenrosque de la columna perforadora, ya sea para agregar barras a medida que avanza la perforación o en las maniobras de sacar y bajar la columna en los cambios de trépano. En los tiempos en que no se efectúan estas operaciones hacen tareas generales de limpieza y acondicionamiento del equipo y las herramientas, incluyendo tareas de pintura del equipo.

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Motorista: Es el responsable del cuidado, lubricación y mantenimiento de los motores del equipo, también se hace cargo de las reparaciones pequeñas. No en todos los casos este puesto es cubierto, dependiendo del equipo y políticas de cada compañía.

Mecánico: No hay un mecánico por turno en los equipos de tierra. Normalmente la compañía perforadora dispone de un servicio mecánico que acude al equipo en caso que el Supervisor lo solicite en razón de fallas mecánicas que superen las posibilidades del personal que está en la locación. En los equipos offshore hay un mecánico permanente en el equipo.

Electricista: Al igual que en caso del mecánico, tampoco hay un electricista permanente en los equipos en tierra, excepto en los equipos grandes y/o de accionamiento eléctrico. Esta función está cubierta permanentemente en los equipos offshore.

Operador de Grúa y Asistentes de Cubierta: Estas funciones se cumplen exclusivamente en los equipos offshore. El Operador de Grúa es necesario, ya que las plataformas disponen de grúas para izar las cargas desde los buques de apoyo. Los Asistentes de Cubierta son operarios que trabajan en el manipuleo de materiales y en la limpieza y ordenamiento de los mismos. También hacen trabajos de pintura de las instalaciones, que por hallarse en el mar necesitan de un frecuente cuidado para evitar la corrosión.

2.2 SISTEMA DE IZAJE

Su función es la de proveer un medio para elevar y bajar las columnas tubulares que se usan en los pozos.Sus componentes principales son:

1) Torre (o mástil) y subestructura.2) Aparejo, compuesto por el gancho, las poleas móviles, la corona y el cable.3) El cuadro de maniobras (Carretel o Tambor).

La principal función del aparejo es obtener una multiplicación de la fuerza impulsora para aumentar las cargas a levantar.La multiplicación M que se obtiene es simplemente:

M = Pg / Fc (1) Donde: Pg = carga a levantar Fc = Fuerza ejercida en la línea del cuadro

Consideremos por el momento que no existen resistencias de fricción en el sistema, de modo que para ese caso ideal y un numero n de líneas del aparejo (FIGURA 9) se cumple que:

n x Fc = Pg

De donde: Fc = Pg/n (2)

Sustituyendo en 1): M = Pg/Pg x n = n M = n

Lo que significa que en condiciones ideales, la multiplicación obtenida es igual al numero de líneas del aparejo.

En la perforación es usual utilizar aparejos de 6, 8, 10 y 12 líneas.

La potencia propulsora Ni actuando sobre la línea del cuadro de maniobras es igual a:

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Ni = Fc x Vc donde: Vc = velocidad del cable en la línea del cuadro (línea rápida)

La potencia desarrollada en el gancho, Ng es:

Ng = Pg x Vg donde Vg = velocidad del gancho

En un sistema ideal la potencia entregada y la consumida deben ser iguales y por lo tanto:

Fc x Vc = Pg x Vg = n x Fc x Vg

Luego Vc/Vg = n

Es decir que la velocidad del gancho es n veces menor que la de la línea del cuadro. Para este caso ideal también podemos decir que la eficiencia E del sistema seria:

E = Ng / Ni = 1

Sin embargo en condiciones reales esta eficiencia es menor a 1 debido al rozamiento entre el cable y las poleas y el roce al girar las poleas sobre sus ejes. El API ha determinado valores promedio, que son los siguientes (FIGURA 10):

TABLA 1N* de líneas

(n)Eficiencia

(E)4 0.9086 0.8748 0.841

10 0.81012 0.770

Conociendo la eficiencia se puede calcular la fuerza real en la línea del cuadro para una determinada carga.

E = Ng / Ni = Pg x Vg / Fc x Vc = Pg x Vc / n x Fc x Vc = Pg / Fc x n

De donde: Fc = Pg / n x E (3)

Expresión que puede ser usada para seleccionar el diámetro del cable que es necesario colocar.

La disposición de los cables en el sistema de aparejo hace que la carga que soporta la torre sea mayor que la que esta soportando el gancho. En la (FIGURA 9)se muestra que es la suma del peso en el gancho Pg mas las fuerzas ejercidas en la línea del cuadro Fc y en la línea muerta Fm.

Pt = Pg + Fc + Fm (4) donde Pt = carga en la torre

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La tracción en la línea muerta Fm es:

Fm = Pg / n (5)

Reemplazando (3) y (5) en (4):

Pt = Pg + Pg / n x E + Pg / n = Pg x (1 + E + E x n) / E x n (6)

2.3 CABLES DE PERFORACIÓN

En un equipo de perforación se usan una variedad de cables para los diferentes trabajos que deben efectuarse. En particular, para el sistema de izaje se requieren cables capaces de soportar el trabajo pesado que significa levantar las máximas cargas que se producen durante las maniobras con las sartas de tuberías, ya sea para perforar o para entubar el pozo.

Los diámetros usuales de los cables de perforación están entre 1 pulg. y 1 ¾ pulg. Según la capacidad del equipo. El tipo de cable mas usado es el de tipo Seale, 6x19, es decir de 6 cordones de 19 alambres cada uno. La norma API 9B establece los tamaños y tipos de construcción en su Sección I.Los Cables pueden tener sus cordones trenzados de forma de describir una espiral derecha (torsión derecha) o izquierda (torsión izquierda). A su vez los alambre componentes de los cordones pueden estar arrollados en el mismo sentido que los cordones (regular) o en sentido contrario (lang). Cualquiera de estas formas son selección del usuario y su utilización depende del tipo de trabajo a realizar. El tipo regular es mas estable y mas resistente al aplastamiento que el lang, en tanto que el Lang es mas resistente a la fatiga y a la abrasión, estando su uso mas limitado y cuando se debe evitar la rotación del cable y la carga.El material constitutivo de los alambres puede ser básicamente de dos resistencias diferentes, aunque los constructores de cables tienen otras variantes para ofrecer. Estas calidades se denominan: IPS (Improved Plow Steel) y EIPS (Extra Improved Plow Steel). Cuando se trata de un cable con alma de acero, se lo denomina IWRC (Independent Wire Rope Core). (FIGURAS 13, 15 y 16)

La tabla de la (FIGURA 14) muestra la resistencia de algunos cables usados en la perforación.

CALCULO DEL TRABAJO DE UN CABLE

El trabajo que efectúa un cable de perforación para evaluarse en su totalidad, necesita del conocimiento de los trabajos parciales que realiza en todas las operaciones: cambios de trépanos, maniobras con tuberías, etc. Como así también de los esfuerzos sufridos durante las aceleraciones, frenajes, roce en el tambor y las poleas, vibraciones, etc.Tal tipo de evaluación total es sumamente difícil de obtener y requeriría de instrumental e instalaciones que harían antieconómico su uso. Por lo tanto para evaluar el trabajo de un cable de perforación se computa el trabajo total realizado durante el movimiento de las cargas en el pozo exclusivamente, lo que da un valor comparativo aceptable y permite ajustar tiempos máximos de trabajo seguros, complementado con inspecciones visuales periódicas del cable.Por otra parte y a fin de disminuir el riesgo de roturas en las zonas de las poleas, a intervalos determinados por el trabajo acumulado, se hacen lo que se denominan “corridas” y “cortes” del cable. Las corridas modifican la posición del mismo con respecto a las poleas del

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aparejo, de modo que se reemplaza el cable que trabajó en esas zonas, sometido a esfuerzos de tracción, flexión y desgaste por rozamiento, por otro tramo que solo ha sido sometido a esfuerzos de tracción durante el mismo período, por haber trabajado en un tramo recto, y que por lo tanto ha reducido menos su resistencia. Los cortes se realizan en el extremo del cable que ya ha recorrido todo el camino desde la bobina al tambor del cuadro de maniobras y por lo tanto ha sufrido el mayor desgaste.El trabajo del cable se mide en toneladas por kilómetro o toneladas por milla, según el sistemas de medidas usado. El trabajo principal del cable lo podemos resumir en las siguientes operaciones:

1. La perforación2. Viajes completos para reemplazar los trépanos3. Entubación de cañerías4. Operaciones especiales tales como las pescas, ensayos, etc.

En la Sección 4 de la norma API 9B, se dan las fórmulas de cálculo para medir el trabajo del cable de perforación. En la práctica se usan gráficos, tablas o mediante medición directa con dispositivos que lo hacen computando recorridos y cargas, con resultado en lectura digital y graficado en las unidades seleccionadas. Sin embargo debe advertirse que ningún tipo de cálculo del trabajo del cable puede eliminar la observación visual periódica del estado físico del cable para controlar que no se encuentren alambres cortados o dañados. En este caso y aunque no se hayan cumplido las toneladas kilómetro previstas, es impostergable cortar esa sección.

EJEMPLO 3

Determinar el cable adecuado que se debe utilizar en el aparejo de un equipo perforador para el peor caso resultante de levantar una carga de 150 toneladas usando 6, 8 y 10 líneas y con un factor de seguridad no menor de 3.

La fuerza en la línea del cuadro (Fc) para cada uno de los casos (6, 8 y 10 líneas), es:

Fc = Pg / En

Para 6 líneas Fc6 = 150,000 / 6*0,874 = 28,604 kg.= 63,060 lb.Para 8 líneas Fc8 = 150,000 / 8*0,841 = 22,295 kg.= 49,151 lb.Para 10 líneas Fc10= 150,000 / 10*0,810 = 18,519 kg.= 40,827 lb.

El peor caso es para 6 líneas y teniendo en cuenta el coeficiente de seguridad:

Fc6 = 63060 lb. x 3 = 189180 lb.

Según el Drilling Manual, Sección M2, pag.9, para 66,850 lb. en la línea rápida un cable 1 3/8” EIPS tiene un factor de seguridad de 2,9. Esto significa que la tensión de rotura es :

S = 66,850 x 2.9 =193,865 lb.

Adoptando este cable tenemos: Factor de seguridad FS = 193.865 / 63060 = 3.07 > 3

Se puede adoptar este cable.

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2.4 BOMBAS DE LODO (FIGURA 17)

Usualmente las bombas utilizadas para la circulación del lodo de perforación son del tipo alternativo a pistón. Pueden ser de 2 o 3 cilindros. Las de 2 cilindros son de doble efecto y se llaman “duplex”. Las de tres cilindros son de simple efecto y se denominan “triplex” . Las “triplex” son mas livianas y compactas que las “duplex”, su presión de salida es menos variable y son operativamente más económicas. Por esta razón la mayoría de las bombas de lodo que existen hoy día son “triplex”.

Las ventajas de las bombas alternativas para este tipo de servicio son:

1. Capacidad de bombear fluidos con alto contenido de sólidos, incluso abrasivos.2. Capacidad de bombear partículas de tamaño grande.3. Son fáciles de operar y mantener.4. Son confiables5. Capacidad para trabajar con un rango amplio de presiones y caudales cambiando el

tamaño de las camisas y variando la velocidad.

El rendimiento de una bomba de inyección esta dado por el producto de su rendimiento mecánico y su rendimiento volumétrico.El rendimiento mecánico se puede tomar en un valor Em = 90% a 95%.El rendimiento volumétrico, en bombas sobrealimentadas, puede llegar a estimarse Ev =100%.Normalmente en los equipos de perforación se instalan al menos dos bombas de este tipo. Cuando es necesario usar altos caudales de circulación se operan ambas en paralelo. Cuando se requieren caudales menores se utiliza una y la otra queda como reserva.

En la (FIGURA 17a) se muestra un esquema de una bomba duplex de doble efecto. En la carrera hacia adelante el pistón de diámetro dp y recorrido (carrera) Lp desplaza un volumen igual a:

va = . dp2 . Lp / 4

En el retroceso se desplaza: vr = . (dp2 - dv2) . Lp / 4 donde dv= diámetro del vástago

Por lo tanto el volumen total desplazado en cada ciclo q (una vuelta del cigüeñal de la bomba) es:

1) q = . Nc . Lp . Ev . (2dp2 - dv2) / 4 donde Nc= numero de cilindros

Si consideramos que la bomba opera a n revoluciones por minuto y teniendo en cuenta las unidades, el caudal Q entregado por la bomba duplex es:

2) Q = 2 . Lp . (2dp2 - dv2) . n . Ev / C donde C=constante dimensional

De donde la eficiencia volumétrica resulta:

3) Ev = C . Q / 2 . Lp . (2dp2 - dv2)] . n

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UnidadesQ gal/min. cm3/minC 294 1.2732Lp pulg. cmdp pulg. cmdv pulg. cm

En la (FIGURA 17b) se muestra un esquema de una bomba triplex de simple efecto.

En este caso el volumen total desplazado en cada ciclo q (una vuelta del cigüeñal de la bomba) es:

1a) q = . dp2 . Nc . Lp . Ev / 4

El caudal: 2a) Q = 3 . Lp . dp2 . n . Ev / C

Y la eficiencia volumétrica: 3a) Ev = C . Q / 3Lp . dp2 . n

EJEMPLO 5:

Una bomba triplex con camisas de diámetro “dp” y una carrera “S” está operando a presión “P” y velocidad “v” durante “t” minutos, siendo su eficiencia volumétrica del 90%. ¿Cuánto tiempo deberá operar para llenar una cañería de 7 pulgadas de 3.500 m de longitud y cual será la potencia necesaria en la bomba?

L = 3.500 m V = 100 rpm Ev = 90%De = 7,000” t = ?min. S = 9”Di = 6,366” dp = 6,5” P = 1.500 psi

Calculamos el caudal con la expresión 2a): Q = 3 . Lp . dp2 . n . Ev / C

Q = 3 . 9 . 6,52 . 100 . 0,90 / 294

Q = 349,2 gal/min

El volumen total a llenar es: Vc= x Di2 x L / 4 = 18.972 gal = 451,7 bls = 71,8 m3

Y por lo tanto el tiempo necesario para el llenado será:t = Vc / Q = 54 minutos

La potencia hidráulica necesaria es:Nb = P x Q / 1714 = 305 HP

Considerando una eficiencia de las transmisiones motor-bomba de un 80%, la mínima potencia necesaria del motor debe ser:

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Nm = Nb / 0,80 = 381 HP

Los fabricantes de bombas proveen tablas donde se establecen las performances de sus distintos modelos. Como ejemplo se reproducen los datos de una bomba Gardner Denver: (FIGURA 18)

MODELO PZ 9 (PZJ) - BOMBA DE LODO TRIPLEX - 1000 HP

2.5 SISTEMA DE ROTACION

Como se comentó anteriormente, el sistema con el cual se obtiene el movimiento rotatorio en el trépano puede efectuarse mediante tres dispositivos diferentes: mesa rotatoria, cabeza rotativa y motor de fondo. Estos sistemas no son excluyentes sino que se complementan. De hecho todos los equipos de perforación poseen mesa rotativa, en algunos casos, sobre todo para pozos profundos o que presentan características especiales, como los pozos dirigidos, horizontales y con dificultades de alta fricción o muy profundos, se utiliza además el “top drive” y los motores de fondo se usan en prácticamente todos los casos de pozos dirigidos y horizontales.

Mesa rotary:La mesa rotary consiste como se dijo en un plato circular que gira dando movimiento a la columna perforadora. Puede tener accionamiento independiente, lo que comúnmente ocurre en los equipos eléctricos, o recibir el impulso desde la transmisión compound, como ocurre generalmente en los equipos mecánicos. El movimiento se transmite desde la mesa a la columna de perforación mediante dos bujes: el buje maestro encastra en la mesa y el buje de impulso lo hace en el buje maestro. Como el buje de impulso posee rodillos interiores que giran libremente y apoyan sobre las caras del vástago (kelly), éste puede deslizar hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo que recibe la rotación. (Fig. ).La mesa rotativa es un elemento de gran robustez ya que debe soportar el peso de la columna perforadora y también de las sartas de cañerías de entubación cuando se las desciende, en el momento en el cual quedan apoyadas sobre ella.Cabeza rotativa (“top drive”):

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Cilindros Desplazamiento Presiónmáxima

Carga sobreel piston Potencia a

proveerpulg mm pulg mm Gal Lts. Gal Lts. psi Kg/c

m2Lbs ton

RPMRPMen eleje HP K

w

7 178 9 229 4,50 17,03 585 2214 2639 186 101550 46,1 130 582 1000 746

6 ½ 165 9 229 3,88 14,69 504 1908 3060 215 101550 46,1 130 582 1000 746

6 ¼ 159 9 229 3,59 13,59 466 1764 3310 233 101550 46,1 130 582 1000 746

6 152 9 229 3,30 12,49 430 1628 3592 253 101550 46,1 130 582 1000 746

5 ½ 140 9 229 2,78 10,52 361 1367 4274 301 101550 46,1 130 582 1000 746

5 127 9 229 2,29 8,67 298 1128 5000 352 101550 46,1 130 582 1000 746

4 ½ 114 9 229 1,86 7,04 242 916 5000 352 101550 46,1 130 582 1000 746

4 102 9 229 1,47 5,56 191 723 5000 352 101550 46,1 130 582 1000 746

Las cabezas rotativas (“top drive”) permiten impulsar la rotación desde la parte superior de la columna perforadora y por lo tanto prescinden del vástago de perforación. A diferencia del accionamiento con la mesa rotary, que limita los movimientos verticales con rotación a una longitud igual a la de la sección no circular del vástago, el top drive permite un movimiento con rotación igual al de la altura libre que presente la torre. Forman un conjunto que comprende el bloque de poleas viajeras, el motor y la transmisión, la cabeza de inyección y la conexión a las barras de sondeo.Su uso es de gran ayuda cuando se trata de perforar pozos que presenten un alto grado de fricción al movimiento vertical de la columna perforadora, como sucede en los pozos de alto ángulo, horizontales y extendidos (horizontales de larga trayectoria en alto ángulo). En este último caso puede afirmarse que su uso es imprescindible.Este sistema requiere operar guiado, razón por la cual se deben colocar rieles especiales fijados a la torre para que pueda deslizar verticalmente.

Motores de fondo: (FIGURA 23)Los motores de fondo se instalan inmediatamente sobre el trépano y permiten efectuar la rotación sin necesidad de rotar toda la columna perforadora. Son hidráulicos y se accionan con el flujo del fluido de perforación. Si bien existen dos tipo: las turbinas y los motores de desplazamiento positivo (Moineau), estos últimos son los que se usan en la mayor parte de los casos.Las turbinas operan según los principios generales de estas máquinas, pero debido al reducido diámetro donde debe inscribirse el juego rotor estator, es necesario armar un gran número de etapas, en el orden de 100 o mas, lo que agrega un factor adicional de costo a su mantenimiento. Por otra parte, necesitan desarrollar una alta velocidad ( 1.000 rpm o mas) para la entrega necesaria de potencia, lo que las hace poco adecuadas en el uso de trépanos de conos en forma directa o se debe recurrir a reductores de tipo planetario, lo que complica su utilización. Por estas razones y debido al gran desarrollo del otro tipo de motor, su utilización ha ido decreciendo. Se han desarrollado trépanos especiales (impregnados) para turbinas.Los motores de fondo de desplazamiento positivo son de construcción y mantenimiento mucho mas simple. Constan de un estator de goma fijado en el interior de un receptáculo de acero y un rotor de acero de una sola pieza. Básicamente operan como la bomba Moineau solo que en este caso en lugar de girar el rotor para forzar el paso de fluido, es el fluido el que produce el giro del rotor. Debido a que el movimiento del rotor es excéntrico requiere de una junta cardánica para transmitir el movimiento al trépano. En la : (FIGURA 23) se muestra un esquema del motor y el corte de acuerdo a las distintas posibilidades de fabricación. Conforme se incrementa la cantidad de lóbulos, hasta 9-10, ver en la misma figura, se obtiene un mayor momento torsor con una reducción de la velocidad de rotación. Se consigue así en este tipo de motores obtener velocidades compatibles con los trépanos de conos o PDC y con potencia suficiente para perforar.

Los motores de desplazamiento positivo se usan actualmente en forma amplia en la industria petrolera, especialmente en la perforación direccional y horizontal. Aunque su uso en la perforación de cualquier tipo de pozo presenta a primera vista la ventaja de evitar la transmisión de la rotación por la columna perforadora, que constituye un árbol de transmisión de longitud desmesurada, gran esbeltez y puntos de apoyo aleatorios en las paredes del pozo, la utilización en pozos verticales es mas limitada debido a que significa un costo adicional y en la práctica no otorga una ventaja manifiesta de performance con respecto a la perforación rotativa convencional.

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DESCRIPCIÓN DE UN EQUIPO DE PERFORACIÓN

1. TORRE O MASTIL (Derrick): estructura que soporta el conjunto del sistema de aparejo.

2. SUBESTRUCTURA DE LA TORRE (Derrick substructure): Estructura que sirve de soporte a la mesa rotativa y a la torre o mástil.

3. SUBESTRUCTURA DE MOTORES (Engines substructure): En los equipos de accionamiento mecánico, estructura que sirve de soporte a los motores y transmisión compuesta (compound).

4. CUADRO DE MANIOBRAS (Drawwork): Malacate desde donde se acciona el cable del sistema de izaje.

5. MOTORES (Engines): En los equipos de accionamiento mecánico, los motores diesel que accionan el sistema de izaje, la mesa rotativa y en algunos casos las bombas de lodo.

6. CONVERTIDORES DE TORSIÓN (Torque converters): Dispositivo que transmite la potencia de los motores a la transmisión compuesta variando la cupla.

7. TRANSMISIÓN COMPUESTA (Compound): Conjunto de transmisiones por cadena, que derivan la potencia motriz en forma variable a los lugares necesarios.

8. MESA ROTATIVA (Rotary table): Dispositivo que provee el movimiento rotatorio necesario para que el trépano perfore.

9. PISO DE PERFORACION (Drilling floor): piso de trabajo dispuesto sobre la parte superior de la subestructura de la torre.

10. CORONA (Crown. block): Conjunto de poleas fijado en la parte superior de la torre o mástil.

11. CABALLETE DE LA CORONA (Gin pole): Pórtico colocado en el extremo. superior de la torre para poder maniobrar (cambiar o reparar) la corona.

12. MOTON DE APAREJO (Travelling block): Conjunto de poleas móvil.13. GANCHO (Hook): Dispositivo para tomar las cargas a izar. Motón y gancho

pueden componer un conjunto único unitizado.14. PISO DE ENGANCHE (Monkey board): plataforma de trabajo ubicada en la

torre, donde opera el enganchador.15. CABLE DE PERFORACION (Drilling line): cable utilizado en el sistema de izaje.16. PUNTO MUERTO DEL CABLE (Dead point): extremo fijo del cable de

perforación. Un sensor colocado sobre ese punto permite transmitir a un registrador variaciones de tensión que se traducen, en una escala adecuada, en cargas en el gancho.

17. CASILLA DEL PERFORADOR (Dog house): Casilla ubicada al nivel del piso de perforación, donde el perforador lleva sus registros de trabajo.

18. VALVULAS DE SEGURIDAD (Blow Out Preventer - BOP): Conjunto de válvulas que permiten controlar la afluencia de fluidos desde el pozo.

19. CAÑO DE SALIDA DEL LODO (Mud return line - Flowline): Conducto por donde retorna del pozo el fluido de perforación.

20. ACCIONADOR DEL BOP (BOP Control system), Comando de las válvulas de seguridad. Usualmente hay uno principal, y otro auxiliar sobre el piso de perforación para poder ser accionado rápidamente por el perforador.

21. ZARANDA VIBRATORIA (Shale shaker): Tamiz por donde se hace pasar el fluido de perforación para separar los recortes de terreno perforado.

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22. PILETA DE LODO (Mud pit): Tanques usualmente abiertos por donde circula el lodo, donde se realiza la depuración del fluido y que sirven como volumen de reserva.

23. IDEM ANTERIOR.24. IDEM ANTERIOR.25. PILETA DE SUCCION (Suction pit): Tanque que contiene lodo ya limpio, de

donde aspiran las bombas de impulsión.26. BOMBA DE LODO (Mud pump, Slash pump): Bomba de tipo alternativo que

impulsa el fluido de perforación al pozo.27. IDEM ANTERIOR En el caso del esquema se ha supuesto para una de las

bombas accionamiento independiente, constituyendo un grupo motobomba.28. MOTOR (Engine): Motor diesel del grupo motobomba29. RAMPA (Pipe ramp): Plano inclinado usado para levantar los tubulares al piso

de perforación30. PLANCHADA PARA TUBULARES (Pipe rack): Planchada montada

generalmente sobre caballetes, usada para estibar los materiales tubulares.31. TANQUE PARA AGUA (Water- tank): Destinado a almacenar el agua que se usa

para preparar el lodo de perforación.32. TANQUE PARA COMBUSTIBLE (Fuel tank): Destinado a almacenar el

combustible que consumen los motores.33. USINA ELECTRICA (Power unit): Grupos generadores de energía eléctrica

destinados a la iluminación y accionamiento de motores auxiliares.34. CASILLA OFICINA Y/O VIVIENDA (Office trailer): Lugar usado como oficina y

vivienda en algunos casos del jefe del Equipo.35. DEPOSITO DE REPUESTOS (Warehouse): Destinado a depósito de

herramientas, repuestos de bombas y motores, en pequeñas cantidades.36. CABEZA DE INYECCION (Swivel): Es el dispositivo que permite conducir el

fluido de perforación desde la manga de inyección hasta el vástago, en condiciones de permitir la rotación de este último

37. VASTAGO DE PERFORACION (Kelly): Está colocado en la parte superior de la columna de perforación y transmite a la misma el movimiento de rotación de este último.

38. BARRAS DE SONDEO (Drill pipe): Piezas tubulares que transmiten el movimiento al trépano y conducen el fluido de perforación.

39. PORTAMECHAS (Drill collar): Piezas tubulares que además de transmitir la rotación y conducir el fluido de perforación, proveen el peso necesario sobre el trépano para perforar.

40. TREPANO (Bit): Es la herramienta que corta el terreno mediante la combinación de peso y rotación.

41. ESPACIO ANULAR (Annulus): Es el espacio que queda entre el pozo y las barras de sondeo y portamechas.

42. CAÑERIA GUIA (Surface casing): Es la primera cañería que se entuba a escasa profundidad, para permitir la conducción del fluido de perforación y su recuperación en superficie.

43. DESARENADOR (Desander):'Dispositivo utilizado para eliminar del lodo de perforación la arena incorporada durante la perforación.

44. DESGASIFICADOR (Degasser): Dispositivo utilizado para eliminar del lodo el gas que pudiera incorporarse durante la perforación.

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45. CAÑO DE SALIDA DE GAS (Gas discharge line): Cañería que conduce el gas eliminado por el desgasificador y lo descarga a cierta distancia del equipo, estando provisto usualmente de un quemador en la salida para evitar riesgos de mezclas explosivas.

46. DESARCILLADOR (Desilter): Dispositivo usado para eliminar del lodo los sólidos finos indeseables que se incorporan durante la perforación.

47. EMBUDO PARA AGREGADOS (Mixing hooper): Se utiliza para agregar al circuito del lodo materiales pulverulentos, tales como bentonita, baritina, etc.

48. LINEA DE SUCCION (Suction line): Es la línea de aspiración de la bomba.49. LINEA DE IMPULSION (Pressure line): Es la línea de salida, de alta presión, de

la bomba.50. LINEA DE IMPULSION VERTICAL (Standpipe): Es la parte vertical de la cañería

de impulsión, que conduce hasta la manga de inyección.51. MANGA DE INYECCION (Rotary hose) : Constituye la conexión flexible entre la

línea de impulsión y la cabeza de inyección. Es una manguera para alta presión.52. PILETA DE TIERRA (Reserve pit): Es una pileta cavada en el terreno, que sirve

como depósito temporario de los detritos perforados y el agua y el lodo sobrantes. Usualmente se la impermeabiliza para evitar la contaminación del suelo

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