Equipo de perforación rotatoria

El equipo o taladro de perforación rotatoria es un equipo utilizado para perforar agujeros de gran profundidad en el suelo, con el fin de drenar un yacimiento geológico de la manera más económica y rápida posible. Es usado de manera intermitente, ya que el funcionamiento del taladro mismo y las operaciones conexas para realizar las perforaciones requieren hacer pausas durante el curso de los trabajos.

Los equipos de perforación rotatoria se clasifican en taladros de perforación en tierra (on-shore) o taladro de perforación costa afuera (off-shore).^[1] Sus características principales de diseño son la movilidad, la flexibilidad y la profundidad máxima de operación.^[1]

Los componentes del equipo de perforación, en general, son comunes a ambos tipos de taladros de perforación. La única diferencia de peso está en la utilización de un tubo de extensión (riser de perforación) entre el piso de perforación y el lecho marino cuando se perfora en un ambiente costa marino.^[1]

Clasificación

Hay muchos tipos y diseños de equipos de perforación, siendo muchos equipos de perforación capaces de conmutar o combinar diferentes tecnologías de perforación, según sea necesario. Los equipos de perforación pueden ser descritos utilizando cualquiera de los siguientes atributos:

De acuerdo a la fuente de potencia

Mecánica - el equipo de perforación utiliza convertidores de torque, embragues, y transmisiones impulsadas por sus propios motores, a menudo diésel
Eléctrica - los principales elementos de la maquinaria son impulsados por motores eléctricos, por lo general con la energía generada en el lugar de uso de motores de combustión interna
Hidráulica - el equipo de perforación utiliza principalmente energía hidráulica
Neumático - el equipo de perforación se alimenta principalmente por aire a presión
A vapor - el equipo de perforación utiliza motores a vapor y bombas (obsoletos después de mediados del siglo XX.)

De acuerdo a la tubería usada

Convencional — utiliza tuberías de perforación de metal o plástico de diferentes tipos
De tubería flexible (coiled tubing) — usa un carrete de gran tamaño de tubería flexible y un motor de fondo

De acuerdo a la altura de la cabria

Los equipos de perforación se diferencian por la cantidad de tuberías conectadas que son capaces de sacar simultáneamente y almacenar en la torre cuando se necesita la sarta de perforación fuera del hoyo. Normalmente esto se hace cuando se cambia una mecha o al realizar registros de pozo.

Simple- puede sacar sólo un (1) tubo de perforación por vez. La presencia o ausencia de un pipe rack varía de equipo a equipo.
Doble - puede sacar dos (2) tubos de perforación conectados, llamados "pareja de dos tuberías".
Triple - puede sacar tres (3) tubos de perforación conectados. El conjunto de tubos es llamado "pareja" o "parada".
Tetra- puede sacar cuatro (4) tubos de perforación conectados.

De acuerdo al método de rotación

Mesa rotatoria — la rotación se consigue girando una tubería cuadrada o hexagonal denomiada cuadrante (kelly) con una mesa giratoria en el piso de perforación.
Top drive — la rotación y la circulación se efectúan en el tope de la sarta de perforación, utilizando un motor que se desplaza sobre rieles verticalmente dentro de la cabria.

De acuerdo a la posición de la cabria

Convencional — la torre o cabria es vertical.
Inclinado (slant) —la cabria se inclina a un ángulo fijo o variable para facilitar la perforación direccional.

Componentes del equipo de perforación rotatoria

Un equipo de perforación rotatoria está compuesto básicamente por cinco sistemas:

Sistema de levantamiento

Su función principal es soportar el peso del sistema de rotación, además de proporcionar el desplazamiento vertical necesario a la sarta de perforación.

Está compuesto principalmente por:

Malacate,
Guaya o cable de perforación,
Cabria o torre de perforación,
Bloque corona,
Bloque viajero,
Bloque gancho,
Unión giratoria (swivel) o bien, un sistema Top Drive.

Sistema de rotación

Comprende la mecha o barrena de perforación y todo el conjunto de tubulares que le proveen energía rotatoria para cortar o triturar la formación. En líneas generales, el sistema de rotación está compuesto por una sarta de perforación (drill string) y un mecanismo que le provea de energía rotatoria.

La sarta de perforación comprende:

Mecha de perforación, también conocida como barrena o trépano,
Ensamblaje de fondo (BHA, del inglés bottomhole assembly), que incluye
- Portamechas, collares de perforación o lastrabarrenas (drill collar o DC),
- Estabilizadores
- Herramientas de perforación direccional (RSS, motor de fondo, MWD)
- Herramientas de perfiles de pozo (LWD)
- Tuberías de perforación pesadas (heavy weight drill pipe, o HWDP)
Tubería de perforación (drill pipe o DP)

Entre los mecanismos que proveen de rotación a la sarta se tienen:

Sistema Top Drive
Mesa rotatoria (Kelly drive)
Unión giratoria de potencia (Power swivel)
Motor de fondo

El sistema tradicional es el de mesa rotatoria, que consiste en una mesa giratoria ubicada en el piso de perforación o "planchada", la cual es accionada por una conexión de diferenciales que va unida a un motor de alta potencia. A esta mesa rotatoria se acopla un buje de cuadrante (kelly bushing) el cual posee un agujero en su centro de forma hexagonal o cuadrada en el que se introduce un tubular de sección transversal igualmente hexagonal o cuadrada, que finalmente transmite la potencia a la sarta de perforación que tiene enroscada debajo de sí. Dicha tubería hexagonal o cuadrada se denomina "cuadrante" (kelly), y rota junto a la mesa.

Los equipos modernos utilizan un sistema Top Drive, que consiste en un motor eléctrico conectado al bloque viajero cuyo fin es proveer rotación a la sarta de perforación e inyectarle el fluido de perforación, cumpliendo de esta manera las funciones de la tradicional unión giratoria en sistemas de mesa rotatoria. Incorpora además sistemas de manipulación de tuberías como eslabones con elevadores, llaves de torque y llaves de fuerza.

Sistema de circulación

En este sistema se trabaja con altas presiones, ya que consiste en la circulación de lodo de perforación a alta presión, cuyo objetivo es "Lubricar", "Refrigerar" y "Transportar" los escombros (ripios o recorte) removidos por la mecha a su paso dentro del terreno. Es de vital importancia ya que sin este sistema el taladro no lograría penetrar ni siquiera 5 metros en el suelo, debido a que la gran fricción generada elevaría la temperatura y fundiría la mecha.

Un sistema de circulación típico en un equipo de perforación rotatoria está compuesto por:^[2]

Bombas de lodo
Tubería vertical (stand-pipe)
Manguera rotatoria (kelly/rotary hose)
Unión giratoria (swivel)
Sarta de perforación
Mecha o barrena
Espacios anulares
Equipos de control de sólidos
- Zaranda o mesa vibratoria (shale shaker)
- Desgasificador (degasser)
- Desarenador (desander)
- Deslimador (desilter)
Tanques de lodos
Sistemas mezcladores
Bombas centrífugas (precarga de bombas de lodo)

Se explican a continuación algunos de estos:

Bombas de lodo

Estas bombas son el corazón del sistema de circulación. Su función principal es el de mover grandes volúmenes de lodo a bajas y altas presiones. Las más comunes son:

Bombas dúplex: son bombas que llevan dos cilindros, y son de doble acción, es decir desplazan lodo en dos sentidos en la carrera de ida y vuelta. Este tipo de bomba queda definido por: diámetro del vástago del pistón, diámetro de la camisa y la longitud de la camisa.
Bombas tríplex: son bombas que llevan tres cilindros, y son de simple acción, es decir desplazan el lodo en un solo sentido. Este tipo de bomba queda definido por diámetro de la camisa y longitud de la camisa.

Manguera rotatoria

Es una manguera de goma reforzada, flexible y extremadamente fuerte. La característica de flexibilidad permite bajar y elevar la tubería de perforación durante las operaciones de perforación mientras el lodo (extremadamente abrasivo) se está bombeado a través y hacia debajo de la tubería. Son por lo general de 7.62 mm o más de diámetro interior para que no se tengan en ellas caída de presión apreciable y están disponibles en largos mayores a 75 pies.

Separador gas/lodo

Son las primeras unidades del equipo de control de sólidos, es una unidad que separa y ventea o quema el gas del lodo que sale del pozo y que puede haber sido contaminada durante la perforación. Los separadores de gas/lodo no tiene partes móviles y el proceso de separación se lleva a cabo por diferencia de densidades entre los componentes a separar, compuesto por un cilindro que en su interior tiene varias paredes, en las cuales a su regreso, el fluido de perforación choca en ellas, separando el gas que es menos denso y el fluido que es más denso.

Zaranda vibratoria

Tiene como función primaria separar la fracción más gruesa de los recortes, partículas entre 74 (mesh 200 x 200) y 600 micrones (mesh 30 x 30). Se compone de una o varias mallas separadas que están montadas en una caja vibratoria conectada a un motor eléctrico, el cual a través de poleas o ejes, le imprime la vibración necesaria para separar del fluido de perforación los sólidos extraídos o recortados del subsuelo.

Fluido o lodo de perforación

Es un fluido diseñado con propiedades físicas, químicas y reológicas específicas para cada aplicación en el proceso de perforación, completación o rehabilitación de pozos. Su composición depende de las características físico-químicas de las capas a perforar: profundidad final, disponibilidad, costos, contaminación, etc. El fluido puede ser a base de agua (dulce o salada), aceite (diésel), mezclas de ambos (emulsiones directas o inversas), gas, aire, o mezclas de agua y gases (espumas).

Sistema de potencia

Es el sistema encargado de proveer energía a todos los equipos del taladro de perforación rotatoria, así como a las instalaciones y acomodaciones del personal. Permiten clasificar los equipos de perforación rotatoria según el tipo de potencia principal: mecánico, eléctrico, hidráulico, neumático o a vapor.

Generación de potencia

La forma más común de generación de potencia en un equipo de perforación rotatoria es el uso de motores de combustión interna. Estos motores son normalmente alimentados por combustible diésel. Su número depende del tamaño del equipo al que van a suminstrar la potencia, típicamente entre 1 y 8 motores, pudiendo ser inclusive más.

Transmisión de potencia

La potencia generada por los motores primarios se transmite a los equipos para proporcionarle movimiento. Si el taladro es mecánico, la potencia se transmite directamente del motor primario al equipo. Si el taladro es eléctrico, la potencia mecánica del motor se transforma en potencia eléctrica con los generadores. Luego, esta potencia eléctrica se transmite a motores eléctricos acoplados a los equipos, logrando su movimiento.

La mayoría de los equipos en la actualidad utilizan un sistema eléctrico para transmitir potencia. Los Generadores producen la electricidad que se transmite a los equipos principales usando cables eléctricos.

Los sistemas de transmisión mecánica están casi en desuso, aunque todavía se emplea en algunos equipos viejos. Consiste de una serie de correas, cadenas, poleas, piñones dentados y engranajes que transmiten la potencia directamente de los motores de combustión interna a los equipos principales del taladro. Se denomina también Sistema de Transmisión Compuesta.

Sistema de seguridad

También conocido como sistema de control de pozos, tiene como función principal bloquear el avance de cualquier influjo de fluidos desde la formación hacia el pozo cuando ocurre una arremetida (intrusión de fluidos de la formación hacia el pozo).^[1]

El sistema debe estar diseñado para permitir (1) cerrar el pozo desde superficie, (2) controlar la extracción de los fluidos de formación que se encuentran dentro del pozo, (3) bombear un lodo de mayor densidad al pozo, y (4) insertar o sacar del pozo bajo presión la sarta de perforación.^[1]

Los componentes básicos del sistema de control de pozos son:

Arreglo de válvulas impiderreventones
Cabezal del revestidor
Líneas de flujo y estrangulación, y sus conexiones
Líneas de matar y sus conexiones
Facilidades de manejo de lodo y gas (separador)
Acumuladores de presión
Sistema diverter
Múltiple de estranguladores
Tanque buffer
Desgasificador (degasser)
Equipos de monitoreo

Arreglo de válvulas impiderreventones

El arreglo de válvulas impiderreventones, también llamadas "BOP" (del inglés blowout preventer) o "válvulas BOP", comprende:

Preventor anular (esférico)
Preventor de arietes (rams)
Carrete de perforación
Válvulas BOP internas

Múltiple de estranguladores

Es un arreglo de estranguladores, válvulas y líneas que permiten la extracción controlada de los fluidos del pozo. Está diseñado de manera que el flujo puede ser desviado a través de cualquiera de los estranguladores disponibles.^[1]

Acumulador de presión

Es un sistema de tanques que permiten el almacenamiento de alta presión requerida en el sistema hidráulico para abrir o cerrar los impiderreventones anulares o de arietes. Los componentes principales de una unidad acumuladora son el reservorio de fluido, las bombas hidráulicas de alta presión, las botellas acumuladoras, tuberías, múltiple, válvulas y reguladores de presión.^[1]

Referencias

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Azar, Jamal J. (2007). Drilling Engineering (en inglés). Oklahoma, EEUU: PennWell Corporation. ISBN 978-1-59370-072-0.
↑ Bourgoyne Jr., Millheim, Chenevert, Young Jr. (1986). Applied Drilling Engineering (en inglés). EEUU: Society of Petroleum Engineers. p. 13.

Datos: Q12688575
Multimedia: Drilling rigs / Q12688575

[:0-1] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Azar, Jamal J. (2007). Drilling Engineering (en inglés). Oklahoma, EEUU: PennWell Corporation. ISBN 978-1-59370-072-0.

[2] Bourgoyne Jr., Millheim, Chenevert, Young Jr. (1986). Applied Drilling Engineering (en inglés). EEUU: Society of Petroleum Engineers. p. 13.

[1]

[2]