Tecnología de la perforación de pozos de petróleo y gas

La tecnología de la perforación de pozos de petróleo y de gas son los recursos materiales y humanos que se necesitan para comunicar la superficie, de cualquier lugar en la tierra, con el reservorio en el subsuelo a distancias que varían desde unos cuantos metros hasta unos cuantos kilómetros. Para perforar un pozo, para extraer hidrocarburos del subsuelo, hay que tener en cuenta ciertos parámetros como son; la ubicación geográfica, la profundidad del yacimiento, el tipo de rocas que hay que atravesar, la tecnología y las condiciones sociales de la población donde se va a hacer el trabajo. La tecnología o recursos materiales, utilizados en la perforación de un pozo, son muchos, pero el más importante es una torre de perforación que las hay de todos los tamaños y de todos los niveles de automatización. Perforar es una ciencia bastante antigua, las primeras excavaciones se hicieron para buscar sal y fueron los chinos los que construyeron el primer equipo de perforación, pero fue en Pensilvania, en el siglo antepasado, cuando se perforó el primer pozo para la producción de petróleo y es ahí cuando se da inicio a la historia de la producción petrolera en el mundo. El primer método de perforación que se utilizó fue el de percusión, que consistía en romper las rocas por golpes, pero luego evolucionó al método de la perforación rotatoria; éste método consiste en un sistema en el que la tubería puede rotar para transmitirle la rotación a la broca, lo nuevo que presentó el método de rotación fue el diseño de un fluido que circula por la tubería de perforación hasta llegar a la broca y salir por las boquillas de la broca hacia el espacio anular, entre el hueco y la tubería de perforación, para salir de nuevo a la superficie trayendo suspendidos los cortes de roca, los cuales son retirados del fluido para inicie de nuevo el recorrido. Existe otro método de perforación que es la turbo perforación en el cual se utiliza una turbina hidráulica, con un conjunto de dos camisas con un rotor en forma helicoidal para conectar y hacer girar la broca, tiene la ventaja de alcanzar mayores revoluciones por minuto de la broca. 1. EQUIPO DE PERFORACIÓN Y SUS COMPONENTES Los equipos de perforación se clasifican en Convencionales que son los que se transportan en camiones y los Elitransportables que requieren de helicópteros y grúas aéreas para su transporte. Las características fundamentales de un equipo de perforación son: Máxima capacidad de carga en el gancho Potencia requerida en el malacate Potencia en el sistema de lodos Potencia en los motores Instalaciones físicas o campamento Un equipo de perforación se diseña de acuerdo a parámetros básicos; Localización del pozo, profundidad del pozo, versatilidad del equipo, máxima capacidad de carga y la altura de la torre. Los equipos de perforación onshort o costa adentro, están formados por una torre de perforación cuya función principal es la de soportar el sistema de elevación y suministrar suficiente espacio vertical para que se pueda levantar o bajar la tubería al pozo. SISTEMA DE ELEVACIÓN La función principal del sistema de elevación es soportar el sistema rotatorio durante la perforación del pozo y suministrar las condiciones necesarias para levantar y bajar tuberías, además de suspender las elevadas cargas que se manipulan durante las operaciones de perforación. Consta de dos partes fundamentales que son la estructura de soporte y el equipo de elevación, La estructura de soporte consta de torre, subestructura y piso y el equipo de elevación consta de malacate, bloque viajero, corona, gancho, elevadores, línea de cable y swivel. 1,1 TORRE DE PERFORACIÓN La función principal de la torre de perforación es la de dar suficiente espacio tanto vertical como horizontal para levantar y bajar la sarta de perforación al fondo del pozo. Existen dos tipos de torres; TORRES ESTÁNDAR O API Y LAS TORRES PORTATILES. Las torres estándar son torres que no pueden ser paradas en una sola unidad, deben armarse por secciones para poderlas parar y para su transporte deben desarmarse de nuevo, las torres portátiles se pueden para en una sola unidad, están provistas generalmente de dos secciones, cuentan con gatos hidráulicos que proporcionan la potencia y el movimiento. Las torres de perforación deben contar con sus catálogos y se especifican de acuerdo a la capacidad para soportar cargas, existen dos tipos de cargas; la carga compresional que es debida al peso de las tuberías que se van a bajar al pozo y la cargas laterales que son las debidas a la acción del viento. Las cargas de compresión permisibles de una torre, son calculadas como la sumatoria de los esfuerzos en cada una de las patas de la torre, en donde cada pata se considera como una columna separada y su esfuerzo es calculado en la parte más débil. Las capacidades de cargas de las torres varían des 860000 libras hasta 1400000 libras, la resistencia de una torre depende del grado del acero y del tamaño de las patas. Carga de compresión: Es debida al peso de las tuberías, herramientas o accesorios que se bajan al pozo y se evalua como la sumatoria de los esfuerzos aplicados en cada una de las patas de la torre, considerando cada pata como una columna. El cálculo de Las cargas totales sobre las patas de la torre se puede hacer mediante el siguiente modelo: Fd=(w+100000)(n+2)/n Fd: Carga total sobre las patas de la torre n: Número de líneas W: Peso de la sarta en el lodo 100000: Factor de seguridad 2: debido a la línea de tiro y la línea muerta Cargas Laterales: Son las cargas debidas a la velocidad del viento, se consideran con la tubería dentro y fuera del pozo y se pueden calcular mediante el modelo: Pv=0.004Vexp2, Pv: Cargas laterales V: velocidad del viento 1.2 SUBESTRUCTURA Y PISO DEL EQUIPO La subestructura es el soporte donde descansa la torre, debe ser lo suficientemente fuerte para soportar las cargas a que debe someterse y debe suministrar amplitud requerida para la instalación del equipo de control de pozo y el sistema de válvulas preventoras. El piso es el espacio donde se instalan el equipo de control y es donde se movilizan los trabajadores. 1.3 EL MALACATE Es la pieza principal de un equipo de perforación porque es el encargado de suministrar la potencia para subir y bajar la polea viajera en todas las operaciones que se llevan a cabo durante la perforación de un pozo. Consta de un control central, desde donde se acciona y transmite la potencia al equipo de perforación, posee un tambor en el cual se enrolla el cable, además cuenta con un sistema hidroneumático e hidráulico de frenos, para soportar directamente el peso de las tuberías cuando el equipo está parado. El equipo de perforación se diseña y escoge por la potencia en el malacate, la cual varía de 350 a 2000 HP. El diseño del malacate también depende de la energía utilizada, la cual puede ser suministrada por motores diesel o por motores eléctricos, éstos últimos más rápidos y silenciosos. Cálculo de la potencia del malacate: HP= (W+100000)Vh/33000e W: Peso de la tubería en el lodo Vh: Velocidad del gancho e: Eficiencia mecánica La eficiencia mecánica se determina por el número de líneas, de un 100%, disminuye 2% por cada línea en el aparejo y la velocidad del gancho depende del tipo de tubería que se esté bajando. 1.4 EL APAREJO O BLOQUE VIAJERO El aparejo o bloque viajero, es el conjunto de poleas móviles que permiten la manipulación y la multiplicación de las fuerzas para un mejor aprovechamiento de la potencia, va suspendido bajo el bloque corona, por medio de la línea de cable y la función es la de subir y bajar tubería y herramientas al pozo. 1.5 LA CORONA Es la parte más alta de la torre, consta del sistema de poleas fijas cuya función principal es suspender el conjunto de poleas móviles o bloque viajero. 1.6 EL GANCHO Y LOS ELEVADORES El gancho va suspendido al bloque viajero, éste permite colgar la sarta de perforación para realizar cualquiera de las dos operaciones subir o bajar. Los elevadores van unidos al gancho y se utilizan para bajar y sacar secciones de la sarta de perforación dentro o fuera del pozo 1.7 LA SWIVEL Es la unión giratoria que permite conectar la sarta de perforación con el sistema de circulación y con el sistema de elevación. La swivel suspende y soporta la sarta de perforación y permite que, ésta junto con la Kelly, giren libremente durante la operación de perforación, además provee el paso del lodo de perforación para crear la línea de flujo y comunicar la superficie con la broca en el fondo del hueco. 1.8 LÍNEA O CABLE DE PERFORACIÓN El cable de perforación es un material de gran resistencia, compuesto de alambres de acero alrededor de otro cable o de un alma de fibra. Conecta las poleas fijas con el bloque viajero y permite el movimiento y manipulación de las cargas que suspende el gancho durante el proceso de perforación. EL SISTEMA DE ROTACIÓN El sistema de rotación es fundamental en un equipo de perforación, su función principal es rotar la sarta de perforación, proveer peso a la broca y sostener la tubería cuando el sistema de elevación está quitando o añadiendo tubería, consta de tres subsistemas; componentes de rotación, sarta de perforación y broca. 1.9 COMPONENTES DE ROTACIÓN LA MESA ROTARÍA: es una estructura metálica en forma de mesa cuyas funciones son; transmitir el movimiento de rotación a la sarta y sostener el peso de la tubería cuando se hace un viaje o una conexión, la rotación se transmite en combinación con la Kelly y el buje maestre. BUJE MAESTRE: es un acople entre el buje cuadrante y la mesa rotaría, se conoce también como Drive Bushing y su función principal es transmitir la rotación a la Kelly. EL BUJE CUARANTE O KELLY BUSHING: Es un tubo pesado de acero con forma cuadrada o hexagonal, el cual va suspendido de la swivel, pasa a través del hueco de la mesa rotaría y se conecta a la tubería de peroración en su parte inferior. Es el único componente de la sarta de perforación que simultáneamente está por encima y por debajo de la mesa rotaría durante la perforación, la conexión entre el tope de la Kelly con la swivel, es de rosca izquierda, mientras el pin o parte inferior de la Kelly, es de rosca derecha. Las funciones de la Kelly son; transmitir la torsión de la mesa rotaría a la sarta de perforación, conectar la swivel con la sarta de perforación permitiendo los movimientos verticales y de rotación y permitir que el fluido de perforación pase desde la swivel a la sarta de perforación. LAS CUÑAS: es un conjunto de cuñas de acero agarradas en forma de media corona, con una manija para ser manipuladas y van insertadas en el buje maestre cuando hay que suspender la sarta de perforación para quitar o añadir tubería. LAS LLAVES DE ENRROSQUE Y DESENRROSQUE: Son llaves de acero y tienen la característica de ser muy pesadas y resistentes a altos esfuerzos de torsión. 1.10 SARTA DE PERFORACIÓN La sarta de perforación son todos los componentes que van conectados desde la Kelly hasta la broca, en su orden de ubicación son; la tubería de perforación, el martillo de perforación, las botellas de perforación, los amortiguadores de las vibraciones y los estabilizadores. Las funciones de la sarta de perforación son; aplicar el peso sobre la broca, conducir el fluido de perforación hasta la broca, transmitir el torque a la broca y subir o bajar la broca. DRILL PIPE O TUBERÍA DE PERFORACIÓN: son tuberías de aceros mejorados, para óptimas condiciones de trabajo, las hay de diferentes diámetros nominales, diferentes pesos nominales, diferentes grados de acero y de diferentes tipos de conexiones. Se utilizan en las secciones superior y media de la sarta de perforación, estableciendo la conexión con las botellas de perforación y la broca, cada junta de tubería tiene tres partes básicas; tobo o cuerpo de la tubería, la caja en el tope y el tipo de pin en el extremo inferior de la tubería. Las funciones son; conectar la Kelly a la sarta de perforación, proveer un canal cerrado de flujo para el paso del fluido de perforación de la swivel a la broca, da longitud a la sarta de perforación, permite bajar y subir la broca y transmite el torque de la rotaria a la broca. DRILL COLLARS O BOTELLAS DE PERFORACIÓN: son tuberías de aceros mejorados de gran espesor, más pasadas que las tuberías de perforación, las hay de diferentes diámetros nominales, diferentes pesos nominales y diferentes tipos de conexiones, se colocan en la parte inferior de la sarta de perforación, por encima de la broca y debajo de la tubería de perforación. Las funciones de las botellas de perforación son; proveer peso sobre la broca para hacer más eficiente la penetración en la formación, soportar y dar rigidez a la sarta de perforación, mantener la tubería de perforación en tensión, servir de línea de flujo para que el fluido de perforación llegue a la broca y bajar y subir la broca. DRILLING JAR O MARTILLO DE PERFORACIÓN: es una tubería de acero de la forma y el tamaño de una botella de perforación, hace parte del juego de botellas y se ubica generalmente sobre la última, cuando existen tuberías pesadas (heavy Weight), o debajo de dos botellas cuando no se cuenta con las heavy weight. Esta dotado de un sistema de seguridad que golpea la sarta hacia arriba o hacia abajo según se requiera, los hay hidráulicos y mecánicos y vienen calibrados para funcionar según la lectura en el indicador de peso o Martin Dicker. AMORTIGUADORES Y ESTABILIZADORES: son dispositivos que se colocan alrededor de la sarta para amortiguar vibraciones, estabilizar la sarta y mantener la sarta alejada de las paredes del pozo. 1.11 LA BROCA Es la herramienta de corte y es la que perfora realmente la formación geológica, se ubica en el extremo inferior de la sarta de perforación, esta conformada del pin o vástago para enrocarse en la última botella, el cuerpo que soporta los cojinetes que sostienen los conos, la estructura de corte o conos, que son los instrumentos de corte y las boquillas que son los puntos de salida del fluido de perforación. Hay diferentes tipos de brocas y se clasifican de acuerdo a diferentes aspectos: según la estructura de corte (brocas de dragado o cola de pescado); dientes maquinados e insertos de carburo de tungsteno, según la lubricación del cono (brocas de rodamiento o balinera); balinera sellada o balinera no sellada, brocas de diamante para perforar o corazonar y brocas policristalinas con diseños especiales con cortadores de diamante que hacen que se ahorre tiempo y dinero, son reparables y se pueden correr en diferentes pozos.