“FUNCIONAMIENTODE LA BARRENA

DE PERFORACIÓNPOR MEDIO DE LAENERGÍA EÓLICA”

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

El problema en la barrenación de los pozos petroleros es que lleva mucho tiempo en la barrenación, dentro de los estudios que proporciona la API dice que la técnica utilizada hasta ahorita en la perforación resulta un poco contra producente , además que se gesta un costo elevado debido la cantidad de combustible que se utiliza además que el material utilizado puede ser dañino para el medio ambiente, lo que se busca es radical el problema de esta técnica en la barrenación con una nueva barrena que funcione con energía eólica y que se logre almacenar en uno eolio acumuladores para poder utilizarse energía totalmente renovable.

OBJETIVO GENERAL:

Proponer la disminución en el consumo de energía mecánica impulsada por gasolina e implementar el funcionamiento de la barrena de perforación con energía eólica y renovable ya así para disminuir el índice de contaminación.

OBEJETIVOS ESPECIFICOS:

Utilización de la barrena con mayor frecuencia sin necesidad de parar por el combustible.

Poner en proceso el nuevo mecanismo por medio de un aerogenerador o molino de viento.

Investigar la energía almacenada venga a sustituir el mecanismo actualmente utilizado por el proceso de perforación y que sea más factible de obtener.

Disminuir la contaminación del medio ambiente utilizando energía renovable y libre de contaminantes.

JUSTIFICACION: La barrena de perforación impulsada por energía eólica es un claro avance científico e ingenioso para la industria del petróleo este proyecto que ahora propongo para su pronta utilización es que la energía hasta ahora para poder realizar el trabajo de explotación de hidrocarburos se lleve a cabo con energía que afecta al medio ambiente, y es que ,muchos miran con recelo a la industria del petróleo y gas, especialmente en cuanto manejo de los impactos ambientales, en este sentido el proyecto que se está desarrollando a la industria le ayudaría reducir las necesidades de recursos a través del uso más eficiente de esos recursos además que estaremos utilizando energía 100 % renovable que no se terminara nunca o por lo menos en unas 20 generaciones venideras.

Mediante la disminución de las emisiones de gases y vapores dañinos para los mismos trabajadores de la industria y por supuesto que para el medio ambiente, otra de las ventajas del por el cual se debe implementar el funcionamiento de la barrena de perforación impulsada con la energía eólica es la gran ganancia que se obtendría porque si bien es un gasto caro al principio para poder tener los aerogeneradores y además el almacenamiento de la energía eólica así como un buen transformador, también es cierto que día con día se tiene que comprar miles de litros para poder perforar un pozo y el precio de este litro al año vendría equilibrándose con el gasto que al principio se hace pero con la gran diferencia que el que ya invirtió en este proceso ya no tendría que estar gastando cada año en combustible, además que la empresa seria reconocida mundialmente a utilizar mecanismos y herramientas súper actualizadas y sofisticadas, la empresa recibiera condecoraciones y reconocimientos a nivel mundial por estar mejorando la comunidad ambiental y poder estar regresando un poco del hidrocarburo explotado y así no poner en peligro la salud de animales, seres humanos y ciertas plantas, además del ecosistema acuático que es la principal causa de la destrucción de los arrecifes en alta mar el derramamiento de combustible fósil es la principal causa en la industria del petróleo de miles y miles de peces muertos diarios de toda clases, este proyecto hoy expuesto tiene que ser adoptado por aquella empresas que tenga en mente dos cosas: la primera es cuidar y poder disminuir la contaminación utilizando energía más fácil de obtener y la segunda es el ahorro de las industrias al utilizar este mecanismo.

MARCO TEORICO:

¿QUÉ ES UNA BARRENA?

Es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación, utilizada para cortar o triturar la información durante el proceso de la perforación rotaría. Su función es perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión y de la rotación de la barrena.

INTRODUCCION.

Teniendo en cuenta que la tecnología en las operaciones de perforación de pozos exploratorios cada día es más avanzada, es obligación estar al tanto de estos avances.

Todos los sistemas de perforación implementados en el mundo deben tener esa herramienta necesaria como lo es la broca.

Desde los comienzos de la historia de la perforación este elemento ha jugado un papel demasiado importante y sus avances en cuanto a diseño, materiales de construcción etc., no deben inquietar, por lo tanto debemos estar al tanto de todo esto.

Es importante tener en cuenta que cada casa constructora tiene sus propias especificaciones y codificación para cada broca, pero tienen un objetivo en común desarrollar una tecnología que nos permita avanzar en la perforación al menor costo posible y con las mejores condiciones de seguridad.

BARRENAS DE PERFORACION.

Cada barrena tiene un diámetro específico que determina el diámetro del hoyo que se intente hacer. Y como en las tareas de perforación se requieren barrenas de diferentes diámetros, hay un grupo de gran diámetro que va desde 610 hasta 1.080 mm y seis rangos intermedios. El peso de esta clase de barrenas es de 1.080 a 1.575 kilogramos, lo cual da idea de la robustez de la pieza.

El otro grupo de barrenas, de 36 rangos intermedios de diámetro, incluye las de 73 hasta 660 mm de diámetro, cuyos pesos acusan 1,8 a 552 kilogramos.

La selección del grupo de barrenas que ha de utilizarse en la perforación en determinado sitio, depende de los diámetros de las sartas de revestimientos requeridas. Por otra parte, las características y grado de solidez de los estratos que conforman la columna geológica en el sitio determinan el tipo de barrenas más adecuado que debe elegirse. Generalmente, la elección de barrenas se

fundamenta en la experiencia y resultados obtenidos en la perforación de formaciones muy blandas, blandas, semiduras, duras y muy duras en el área u otras áreas. En el caso de un territorio virgen se paga el noviciado y al correr el tiempo se ajustara la selección a las características de las rocas.

TIPOS DE BARRENAS.

Originalmente, en los primeros años de la perforación rotatoria, el tipo común de barrena fue la de arrastre, fricción o aletas, compuesta por dos o tres aletas. La base afilada de las aletas, hechas de acero duro, se reforzaba con aleaciones metálicas más resistentes para darle mayor durabilidad. Algunos tipos eran aletas reemplazables.

Este tipo de barrenas se comportaban bien en estratos blandos y semiduros, pero en estratos duros el avance de la perforación era muy lento o casi imposible. El filo de la aleta o cuchilla se tornaba romo rápidamente por el continuo girar sobre roca dura, no obstante el peso que se le impusiese a la barrena para lograr que penetrara el estrato.

Al surgir la idea de obtener una muestra cilíndrica larga (núcleo) de las formaciones geológicas, la barrena de aleta fue rediseñada integrándole un cilindro de menor diámetro, concéntrico con el diámetro mayor de la barrena. Así que durante la perforación, la desmenuza un superficie circular creada por la diferencia entre los dos diámetros, y el núcleo, de diámetro igual al del cilindro interno de la barrena, se va cortando a medida que la barrena corta-núcleo avanza.

A partir de 1909 la barrena de conos giratorios hizo su aparición. Este nuevo tipo de barrena gano aceptación bien pronto y hasta ahora es el tipo mas utilizado para perforar rocas, desde blandas hasta las duras y muy duras. Las barrenas se fabrican de dos, tres o cuatro conos. A través de la experiencia acumulada durante todos estos años, el diseño, la disposición y características de los dientes integrales o los de forma esférica, semiesférica o botón incrustado, tienden a que su durabilidad para cortar el mayor volumen posible de roca se traduzca en la economía que representa mantener activa la barrena en el hoyo durante el mayor tiempo posible.

Cada cono rota alrededor de un eje fijo que tiene que ser muy fuerte para que cada cono soporte el peso que se le impone a la barrena y pueda morder bien la roca para desmenuzarla. Por lo tanto, el encaje del cono debe ser muy seguro para evitar que el cono se desprenda. El movimiento rotatorio eficaz del cono se debe al conjunto de rolineras internas empotradas alrededor del eje, las cuales por lubricación adecuadamente hermética mantienen su deslizamiento.

Además, la disposición, el diámetro y las características de los orificios o boquillas fijas o reemplazables por donde sale el lodo a través de la barrena, han sido objeto de modificaciones técnicas para lograr mayor eficacia hidráulica, tanto para mantener la barrena en mejor estado físico como para mantener el fondo del hoyo libre de ripios que produce el avance de la barrena.

Por los detalles mencionados se apreciara que la fabricación de barrenas requiere la utilización de aceros duros y aleaciones especiales que respondan a las fuerzas de desgaste que imponen a las diferentes partes de la barrena la rotación y el peso, la fricción, el calor y la abrasión.

Dentro de la gran gama de brocas utilizadas en la industria petrolera son normalmente mencionadas:

Brocas tricónicas

Brocas compactas (PDC)

Brocas con insertos de tungsteno

Brocas especialmente diseñadas para corazonar.

En este texto vamos a tratar de ampliar un poco lo que es esta gran gama de barrenas de perforación y en qué tipos de formación son más utilizados cada uno de ellos.

BROCAS TRICONICAS.

Las barrenas de conos giratorios son unos de los más utilizados en la industria por su gran variedad.

El cuerpo de la broca consiste de una conexión de rosca con la cual se sujeta la broca de la tubería, los conos están montados sobre unos cojinetes, el lubricante para estos cojinetes y los sitios por donde pasa de manera continua el fluido de perforación con el propósito de limpiar el fondo del hueco de los recortes producidos por la operación de perforación.

Uno de los propósitos de la forma del cuerpo de la broca es para que el fluido de perforación llegue de forma directa donde este hará más eficientemente su trabajo de limpieza.

Muchos de los diferentes tipos de brocas tricónicas utilizan jets en la parte superior entre los conos para limpiarlos directamente.

El espacio distribuido entre los componentes depende del tipo de formación que se vaya a perforar con la broca.

En las dos graficas siguientes se muestra como el espacio entre los conos es un factor muy importante, en la determinación de la broca y depende del tipo de formación a perforar.

Espaciamiento de los conos para perforar formaciones suaves.

Además en la siguiente grafica se especifican muy bien las diferente partes del trepano.

Es muy importante anotar que la correcta selección del diámetro de las boquillas o jets juega un papel muy importante en la perforación, pues esto no genera una energía adicional al realizar la operación.

Teniendo en cuenta que no todas las formaciones a perforar tienen la misma litología y características de compactación, dureza, etc. Se diseñaron las brocas con insertos de carburo de tungsteno, como ya sabemos este material es más resistente a la abrasión y desgaste que pueden generar dichas formaciones.

Para ejemplificar la gran cantidad de clases de brocas dependiendo el tipo de formación a perforar se tuvo en cuenta la siguiente tabla.

Cabe aclarar que esta información es manejada de diferente forma por las empresas que fabrican estas herramientas (esta tabla fue bajada de la página en internet de la Baker Hughes)

HARDROCK ULTRAMAX

STAR2 XLX

Con el fin de observar un poco mas en detalle la posición que adaptan los dientes o insertos en la operación de perforación y la función que desempeñan:

BROCAS COMPACTAS. (PDC)

Otro tipo de barrenas llamadas de diamante, porque su elemento cortante lo forman diamantes industriales incrustados en el cuerpo de la barrena. El diseño del cuerpo de la barrena así como la disposición y configuración de las hileras de diamantes ofrecen una gran variedad de alternativas para perforar las diferentes clases de rocas.

Durante los últimos años se viene experimentando y acumulando experiencia con la perforación con aire en vez de lodo. Esta nueva modalidad ha introducido cambios en el tipo de barrena requerida.

La variedad de tipos de barrenas disponibles demuestra el interés que los fabricantes mantienen para que el diseño, la confección y utilización de barrenas de perforación representen la más acendrada tecnología.

Entre la muchas clasificaciones que se han dado a este tipo de brocas en este documento a vamos a tomar la dada por la Baker hughes.

DIAMANTE NATURAL

Estas brocas son utilizadas en formaciones duras y abrasivas. Presentan una variedad de estilos para perforación rotatoria y con motor de fondo. Están diseñadas en varios tamaños, grados y concentraciones de diamante natural, dependiendo del uso especifico que se le vaya a dar.

CHIPMASTER

Esta broca PDC es utilizada para perforar formaciones blandas y en formaciones viscosas o pegajosas que tradicionalmente limitan el desempeño de la operación de perforación.

¿Qué es la energía eólica?

 

La energía eólica es la energía cuyo origen proviene del movimiento de masa de aire3 es decir del viento.

En la tierra el movimiento de las masas de aire se deben principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama viento geostrófico.

Para la generación de energía eléctrica  a partir de la energía del viento a nosotros nos interesa mucho mas el origen de los vientos en zonas más específicas del planeta, estos vientos son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas que son debida a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra , también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de día.

Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento

La energía eólica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que pasa viento por este.

 

 

 

 

 

 La potencia del viento depende principalmente de 3 factores: 

Área por donde pasa el viento (rotor)

Densidad del aire

Velocidad del viento

 

Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por:

 

Densidad del viento

Área por donde pasa el viento

Velocidad del viento

 Entonces el flujo másico viene dado por la siguiente expresión:

 

 

Entonces la potencia debido a la energía cinética está dada por:

 Algunas consideraciones con respecto al viento

Como la mayoría de las personas saben el viento no siempre se mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull como la que muestra la siguiente figura

 

 Dado que la energía del viento depende la velocidad del viento, ¿Cual seria la energía potencia  que entrega el viento?

 Para calcular la potencia promedio que es aprovechada por el rotor debemos usar la llamada ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera:

 Supongamos que la velocidad a la que entra el viento al tubo de corriente es de valor V1 y a la velocidad que sale es de V2, podemos suponer que la velocidad a la que el viento entra al aerogenerador es de (V1+V2)/2.

El flujo másico que entra al rotor entonces tiene valor de:

 

Dado que en tubo de corriente se debe conservar la potencia, la potencia que entra a velocidad V1 tiene que ser igual a la suma de la potencia que sale a velocidad V2 y la que se va por el rotor.

Entonces la potencia que se va por el rotor es:

 

Protor=

Y remplazando la masa nos queda:

 

P = ( /4) (v12 - v22) (v1+v2) A

 

La potencia que lleva el viento antes de llegar al rotor viene dado por:

 

P0 = ( /2) v13 A

 

Ahora si la comparamos con la potencia que lleva el viento nos da la siguiente grafica:

 

 

 Cuyo máximo viene dado por 0.59 aproximadamente, es decir la máxima potencia que se puede extraer del viento es de 0.59 veces esta potencia

 Comparación entre las potencias

 

 

El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia transformada a electricidad.

La extraída por el rotor está limitada por la ley de Betz y la transformada a electricidad está limitada por la eficiencia del generador.

Como la potencia entregada dada por el generador eólico depende de la velocidad del viento la eficiencia va a depender también de la velocidad del viento registrándose eficiencias máximas del orden de 44%

Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la que sale aquí es necesario muchos gastos que aumentarían el costo de producir un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación

 Energía eléctrica disponible en un aerogenerador

 Supongamos que se tiene un aerogenerador, un ejemplo, caso danés de 600 Kw. de potencia.

 Los fabricantes por lo general entregan la Curva de energía eléctrica disponible versus las velocidades a diferentes parámetros de la distribución de weibull:

Los distintos colores representan las distintas distribuciones probabilísticas de los vientos en año a distintas velocidades, uno esperaría que a medida que aumentamos la velocidad la energía debería estar a una función cúbica de esta,

sin embargo esto nos se produce ya que la eficiencia de los aerogeneradores no es constante, por lo tanto la tendencia es más bien lineal.

Funcionamiento de un aerogenerador

 

El aerogenerador consta de varias partes un esquema general de cómo funciona el aerogenerador esta dado por la siguiente figura:

 

 Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento.

 Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.

 Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione.

 Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.

 Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son:

 

Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.

 

Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura prudente.

 

Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.

Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales adecuadamente.

 

Control de potencia en los aerogeneradores

 De manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada.

  

Por alerones

 Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada en generadores de baja potencia.