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 y 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 un equipo de perforación que los hay de todos los tamaños, de todos los niveles de automatización de acuerdo a las condiciones de trabajo ya sea en el continente o costa afuera.
Perforar es una labor 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, Estados Unidos, en el siglo 19, 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.
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
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, además cuentan con el sistema de elevación cuya función es transmitir el movimiento vertical y suspender el peso de las tuberías, el sistema de rotación cuya función es transmitir el movimiento de rotación a la sarta de perforación, el sistema de circulación cuya función es circular el lodo para subir los cortes y el sistema de motores cuya función es suministrar la potencia requerida en el malacate, en las bombas y en la mesa rotaría.
Los equipos de perforación más complejos son los que se requieren en las plataformas submarinas, pues las condiciones de trabajo son bastantes críticas por la rigurosidad del mar y del clima, esto requiere que los equipos de perforación utilizados, cumplan con los mejores estándares de calidad, seguridad y eficiencia. De igual manera los operadores de estos equipos deben ser altamente calificados y cumplir con todas las normas de seguridad en su labor que les corresponda.
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.
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 evalúa 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
1.9 COMPONENTES DE ROTACIÓN
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.
1.10 SARTA DE PERFORACIÓN
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.
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EL SISTEMA DE CIRCULACIÓN
Es el sistema que proporciona los equipos, materiales y espacios físicos que se requieren para la preparación, medición de propiedades físicas y acondicionamiento de los fluidos de perforación, consta de tanques de lodo, bombas, línea de descarga, línea de retorno, stand pipe y manguera rotaría. La función principal es mover los fluidos de perforación desde los tanques de preparación, hacia el stand pipe, la unión giratoria, la Kelly, la tubería de perforación, las botellas y la broca, para que retorne por el espacio anular trayendo consigo los cortes hasta la línea de retorno, los tanques de tratamiento, el equipo de control de lodos y comenzar de nuevo el viaje.
Son dispositivos de alta presión cuya función es conducir el fluido de perforación desde las bomba hasta la swivel, éste conjunto permite que al subir o bajar la sarta de perforación, halla una unión flexible para inyectar el lodo continuamente. El stand pipe cuenta con un manómetro, en el cual se puede leer la presión de flujo en todo momento.
La potencia requerida en la bomba durante una operación de perforación se calcula mediante el siguiente modelo:
HP=PsQ/1714e
HP: Potencia en caballos de fuerza
Ps: Presión de superficie en psi
Q: Caudal en Gal/min
e: eficiencia volumétrica (80% a 85%)
1.14 EQUIPO DE CONTROL DE SOLIDOS Y ÁREA DE ACONDICIONAMIENTO
En esta área se incluye el equipo especializado para limpiar el lodo después que sale del hueco, la función remover los cortes de roca y los gases que recoge el fluido de perforación, consta de tanques y tamices vibratorios, provistos de mallas (dobles y sencillas), El equipo de control de solidos comunica la línea de retorno con los tanques de succión y las bombas, para hacer posible que el proceso se mantenga de forma continua. Las partes principales son:
Shale shaker o la rumba: es un tamiz vibratorio provisto de una o dos mallas y su función es remover detritos y partículas del lodo.
Sand trap o trampa de arena: es el sistema que hace que las partículas se decanten o precipiten
El desgasificador: es un mecanismo que va en el tanque de sedimentación y cuya función es remover el gas que se le mete al lodo durante la perforación.
Desander o desarenador: es un sistema centrífugo cuya función es remover partículas y granos de arena del lodo
Desinter o deslimador: es un tamiz de malla pequeña, cuya función es retirar partículas de tamaño limo del lodo.
Mud cleaner: es un mecanismo similar al desinter, consta de una rumba pequeña con orificios pequeños, para eliminar partículas finas del lodo.
Mud Hopper y los tanques de succión: es un mecanismo que hace que el lodo circule por un embudo para pasar de nuevo al tanque de succión de la bomba para ser bombeado de nuevo al hueco.
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