capitulo iii2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA ESCUELA DE INGENIERIA DE PETRÓLEO _______________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________ Perforación de Pozos de Petróleo I Pag. Ing. Carlos Ramírez Castañeda

1

III. SISTEMA DE ELEVACIÓN

El sistema de izamiento baja y levanta tubería del pozo mientras esta perforando y baja tubería de revestimiento (casing) dentro del pozo. La función del sistema elevador es ingresar y sacar los implementos necesarios o cargas al pozo tan rápido y económicamente como sea posible. Los principales componentes de un Sistema de Elevación son:

1) La Sub-estructura (Sub-structure) 2) El castillo (Derrick) 3) El malacate /Drawwork) 4) El Sistema de aparejo de poleas 5) Equipo de elevación diverso: Brazos (Links), elevadores (Elevador) e indicadores

de peso/Martin Decker (Weight Indicador) etc. LA SUBESTRUCTURA La Subestructura soporta al castillo o mástil, a la mesa rotaria y a la carga total de la sarta cuando esta suspendida en el hueco o parada sobre el castillo. También soporta a la sarta del casing cuando esta siendo bajado dentro del pozo. Su altura debe ser la suficiente para permitir colocar el conjunto preventor de reventones. El piso soporta el peso del malacate, del panel de control, del doghouse y otros equipos.



2

EL CASTILLO O MASTIL Es la estructura de acero que soporta todo el peso de la sarta o casing, frecuentemente más de 200 tns. El castillo tiene 4 patas que descansan sobre la subestructura, y se arma pieza por pieza. En cambio un mástil se arma como una sola unidad, mediante el levantamiento de sus partes por gatas hidraulicas utilizando pistones o el levantamiento utilizando el malacate y el sistema de aparejo. Capacidad de un castillo :(250,000 a 1’500,000 lbs o más). La altura del castillo: 110’ - 149 pies

Crown Block

Tuberia parade en barras de 3 tubos

Aparejo

Ranfla

Repisa del engrampador



3

MALACATE /DRAW WORK/ CUADRO DE MANIOBRAS Es un componente del equipo, es grande y pesado, que consiste de un tambor que gira sobre un eje alrededor del cual el cable de perforación, va enrollado. Puede levantar cientos de toneladas correspondientes al peso de la sarta de perforación o casing, siendo dos los propósitos principales del malacate que son el sacar y bajar tubería al pozo. Es un sistema que puede realizar el movimiento del aparejo mediante el enrollado y desenrollado del cable en el tambor, solicitando para ello “Potencia a los Motores” El tambor del cuadro se le conoce como “Tambor Principal” y cuenta con varios componentes con los que puede efectuar varias maniobras auxiliares Diagrama del Tambor Principal

1

2

3 7 7

4

5

8

6

6

2

10

3

9

9 9

Aire

11

7



4

1) Tambor de enrollamiento 2) Eje central hueco del tambor 3) Embrague de acoplamiento 4) Eje principal 5) Rueda dentada o Sprocket 6) Zapatas de Freno 7) Cintas de freno 8) Palanca de freno 9) Tambor de freno 10) Rodajes 11) Barra ecualizadora

El tambor principal del Malacate (cuadro de maniobras) está formado por un tambor de enrollamiento de cable (1), el cual tiene un eje hueco (2) montado sobre rodamientos (rodajes) de rodillo o bolillas (9). Sobre el extremo del eje, va el embrague de Acoplamiento (3) que podrá ser de Operación Axial o Radial y de Accionamiento Neumático. Interiormente va instalado el Eje motriz (4) que recibe la Potencia de los motores, a través de la transmisión, y por medio de cadenas se acciona la Rueda dentada, este eje también va montado sobre rodamientos. A ambos lados del tambor de enrollamiento se encuentran las zapatas de freno (6) sobre las cuales trabajaran las respectivas cintas de frenos (7). El mecanismo de frenado es de hacinamiento manual para asegurarle la suficiente sensibilidad al Perforador. Drum/Tambor Auxiliar Casi todos los Equipos vienen provistos con otro tambor más para enrollar otro diámetro de cable usualmente de 9/16”. Este segundo tambor es conocido como “Tambor de pistoneo”/ Tambor de cuchareo /Sand Reel y se utilizar para Pistonear /Suavear el pozo o maniobras auxiliares. El diseño del tambor Auxiliar es similar al del tambor principal la única diferencia es el diámetro (9/16”)y la longitud del cable enrollado, que debe ser por lo menos igual a la capacidad perforante (10-15,000 pies) Cathead /Cabezas de gato Otra función que cumple el cuadro de maniobras es ajustar o aflojar las barras de la sarta de perforación (Drill pipe, Drill collar Crossover), traccionando las llaves (Tenazas manuales/ Tong Dies) para proveer el torque correcto de ajuste. Para ello tiene dos carretes montados (Lado derecho y Lado izquierdo) sobre el eje motor de cualquiera de los dos tambores o incluso sobre un eje independiente y van instalados a cada lado del malacate /cuadro. El cable de uno de estos carretes (Lado derecho) va conectado al extremo de la llave derecha (Tenaza mecánica), la llave va ubicada en la parte superior de la unión ( tool joint) al accionarse el embrague del carrete del cathead, esta enrollara el cable, a la vez que traccionara del extremo de la tenaza derecha dándole el ajuste o torque adecuado que es registrado en un instrumento (torquimetro). La otra llave o tenaza izquierda se ubica en la parte inferior del tool joint y el extremo va unida a un cable en un punto fijo del castillo (1). Para aflojar la sarta de perforación se conecta la tenaza /llave izquierda en la parte superior de la unión (tool joint) accionando el carrete izquierdo la otra llave se ubica en la parte inferior y el extremo va unida a un cable en un punto fijo del castillo (2).



5

Cabeza para ajustar Cabeza para aflojar

1

2



6

La figura nos señala un cuadro de maniobras / Malacate

a) Tambor principal b) Tambor auxiliar c) Cathead /Cabeza de gatos d) Consola de mandos e) Freno Hidromático/Eléctrico (Auxiliar) f) Palanca de freno (Principal) g) Palanca de freno (Auxiliar)

Drum Auxiliar

Freno Auxiliar

Drum Principal

Consola de Mandos Freno Principal

Freno Auxiliar

Cathead

Linea Hidráulica

Indicador de Peso

Malacate

Punto de Anclaje Estructura del castillo

Punto de Anclaje

Tenaza Derecha Tenaza Izquierda

Linea de Traccion

Cabeza Derecha Cabeza izquierda

90° Tuberia

Indicador de Torque

1 2



7

Buje de Transmision

Freno de los Tambores (Principal y Auxiliar)

kelly

Cuñas

Donde: 1. Bandas de Freno 2. Zapatas 3. Pivote anclado 4. Pivote de Movimiento 5. Palanca de freno 6. Tambor de frenado

1 2

3

4

5

6



8

El Tambor principal y el Tambor Auxiliar llevan frenos de operación manual, para efectuar la detención de cualquiera de los dos tambores, en forma independiente. El tipo de freno empleado (En todos los Equipos) es del Tipo Freno de Banda o también llamado Freno de fricción. Sobre una cinta metálica (Bandas de Freno) (1) va sujetas por remaches, placas de material duro de alta fricción, llamadas zapatas (2), La cinta tiene un extremo anclado en un Pivote (3) y el otro es articulado a una barra (4) llamada palanca de freno /5) Al bajar la palanca la cinta de frenado se ajusta al tambor (Rim Brake) Freno Principal del Cuadro de Maniobras /Malacate (Teoría del Frenado) Donde: F= Fuerza que ejerce el Tambor r= Radio del Tambor F’ = Fuerza que ejerce el Freno R = Radio del tambor de frenado El eje del Tambor esta expuesto a un m omento Torsor (Mt) que es provocado por la fuerza que transmite el cable.

Mt = F x r

F

F’

r

R



9

El freno deberá generar un Momento Torsor (Mf) de frenado algo superior al anterior para poder detener el movimiento del Tambor

Mf = F’ x R Para lograr frenar el Tambor deberá cumplirse

Mf ≥ F x r ≥ MT La Fuerza F’ es función del Coeficiente de Rozamiento (µ) entre las placas /zapatas de frenado y el tambor de frenado y la fuerza que se aplica a la Palanca de Freno. El Tambor de frenado (6) es hueco , lo que permite circular agua (En sentido contrario al giro del tambor, a fin de disipar el calor producido por la acción del frenado) Freno Auxiliar del Cuadro de Maniobra/Malacate (Hidromático) Cuando la maniobra de bajar la sarta de perforación registra un excesivo peso en el indicador de torque (Martin Decaer), se tiende a acelerar la caída libre de la herramienta, por lo que el Perforador exige a los frenos calentándose en exceso los tambores de frenado. Para evitar este inconveniente, los Equipos de Perforación están provistos por un freno auxiliar. Estos Frenos auxiliares. No detienen totalmente el movimiento del Tambor, sino son para evitar que el Aparejo con el peso colgado baje en caída libre o sea que anulan el efecto de aceleración en la caída. Con esto solucionado, se consigue poder detener totalmente la carga, con el Freno Principal del Equipo. Existen dos tipos de Frenos Auxiliares:

1) Frenos Hidrodinámicos o Hidromático 2) Frenos Electromagnéticos.

1) Frenos Hidrodinámicos El freno Hidrodinámico funciona básicamente como si fuera un Convertidor, tiene una turbina móvil (Rotor) y otra fija a la Carcaza impedida de movimiento (Estator). De este modo, La Energía Cinética que le imprime el Rotor al fluido (Agua) es absorbida por la Turbina fija (Estator). El fluido empleado es Agua enviada al sistema por una Bomba Centrifuga auxiliar a una presión de 100 psi. Para permitir un rápido ascenso del aparejo el freno Hidromático tiene un embrague que permite desacoplarlo.



10



11

2) Freno Electromagnético Este freno es utilizado en los Equipos Eléctricos, consiste en un tambor hueco que gira libremente sobre un conjunto de bobinas montadas interiormente a él. el eje del tambor del freno va conectado directamente sobre el tambor de enrollamiento del Cable con un acoplamiento. Cuando se desea hacer funcionar el freno, se hace circular corriente eléctrica por las bobinas, estas generarán un campo magnético rotacional de sentido inverso al rotación del tambor lo que provocará una gran fuerza de frenado. La Potencia requerida por este tipo de frenos varía entre 10 y 25 Kw (medida de Potencia Eléctrica). El freno electromagnético no puede parar el Tambor del malacate pero ayuda sensiblemente al Freno mecánico en su trabajo.

Bobina Fija

Tambor Rotante

Eje del Malacate

Bobina Tambor Rotante



12

Sistema de Fuerza Electromotriz en el Equipo

La mayor parte de la energía en el equipo es consumida por el sistema de izamiento y el sistema de circulación del fluido. Los otros sistemas del equipo tienen menor requerimiento de energía. Afortunadamente el sistema de izamiento y circulación son usados simultáneamente los mismos motores pueden desarrollar ambas funciones. El requerimiento de energía de la mayoría de equipos varía desde 1000 hasta 3000 HP. Los primeros equipos eran energizados primariamente por calderos, sin embargo debido al alto consumo del combustible y falta de portabilidad de las grandes plantas de calderos requeridos los equipos energizados con calderos llegaron a ser imprácticos.

Los equipos modernos son energizados por motores de combustión interna con diesel y generalmente son subclasicados como:

1) El tipo Diesel- Eléctrico 2) Tipo Diesel Directo, dependiendo del método usado para

transmitir energía a los varios sistemas del equipo.

Los equipos Diesel-Eléctrico

Son aquellos en el cual los motores principales del equipo son usados para generación de energía eléctrica. La energía eléctrica es transmitida fácilmente a los varios sistemas del equipo donde el trabajo requerido es alcanzado a través de los motores eléctricos. Los motores de corriente continua pueden ser cableados para dar un ancho rango de

características de velocidad-torque que son extremadamente fijados para el sistema de levantamiento y circulación. Los componentes del equipo pueden ser empacados en unidades portables que pueden ser conectados con conectores y cables eléctricos. Hay considerable flexibilidad de ubicación del equipo, permitiendo una mejor utilización del espacio y distribución de cargas.

El perforador puede aplicar energía suavemente a varios componentes del equipo así minimizando el golpe y la vibración.

Los tipos de Acción Directa

Alcanzan energía transmitiendo desde los motores de combustión interna usando piñones cadenas, fajas y embragues mecánicos y neumáticos.

El costo inicial del sistema de energía de acción directa es venerablemente menor que que el comparable sistema diese-eléctrico. El desarrollo de las transmisiones hidráulicos ha mejorado grandemente el desempeño de este tipo de sistema.

Las Transmisiones hidráulicas reducen el golpe y los problemas de vibración del sistema de acción directa. Los convertidores de torque que son las transmisiones hidráulicas diseñados para incrementar el torque de salida rápidamente con carga de salida ahora son usados para extender las características de velocidad-torque de los motores de combustión interna sobre grandes rangos que son mejores finados para aplicaciones de perforación. El uso de convertidores de torque también permite la selección de motores basados sobre condiciones de funcionamiento mas que condiciones de arranque.

Las características de desempeño del sistema de Energía generalmente son enunciados en términos de Caballaje hidráulico de salida, torque y consumo de combustible para varias velocidades de motor.

Los Motores Diesel que accionan los diferentes Sistemas Mecánicos del os Equipos de Perforación (Transmisiones, Bombas, Generadores) poseen una determinada Potencia, la cual es expresada, generalmente en BHP “Caballos de Fuerza al Freno)



13

La Potencia también se puede expresar en: Sistema Inglés = Libras x pie ó Sistema CGS = Kgs x metro minuto minuto Lo que resulta : 1 HP = 33000 lbs x pie = 550 libras x pie = 76 Kgs x metro minuto segundo segundo Es decir que: 1 HP = es la capacidad de una máquina, de hacer un trabajo de 33,000 lbsxpie/Seg o según el sistema de Unidades empleado. Visto lo anterior podemos afirmar que: “La Potencia de un motor será” Potencia de un motor al freno (BHP) = Torque Motor (Lbsxpie) x Nº de revoluciones 5252 De donde: Nº de revoluciones del cigueñal/volante del motor 5252 es un factor de conversión de unidades. Podemos entonces afirmar: La Potencia de un motor es función directa del número de revoluciones y varía (disminuyendo) con la altura sobre el nivel del mar y con incremente de la temperatura ambiente. Veamos ahora el desarrollo de la Potencia

El eje de un motor gira a N (revoluciones/minuto)

En un punto A de su perímetro se genera una fuerza F.

Esta Fuerza respecto al centro o produce un Momento (M o = Fuerza x distancia) ó Torque



14

Mo = F x ø despejando F 2 F = Mo = Torque ø ø 2 2 Cuando el eje gira, la fuerza (F) se desplaza de A a B a C y a D y A (Dando una vuelta completa) El trabajo que produce esta fuerza será: Trabajo = Fuerza x Perímetro del eje x Nº de vueltas Reemplazando en esta los valores serán: Trabajo = Torque x π x ø x Nº de vueltas ø / 2 Trabajo = 2 x π x Torque x Nº vueltas Potencia = Trabajo = 2 x π x Torque x Nº vueltas Tiempo Unidad de Tiempo Reemplazando estos valores en la formula tendremos: Potencia (HP) = Torque (Libras-pie) x Nº vueltas (n) 550 libras-pie x 60 Seg 6.2832 Potencia (BHP) = Torque x Nº de vueltas 5252

F

A

D F

C

F

F B

ø

0



15

La eficiencia de energía total determina el régimen de consumo del combustible Cf a velocidades del motor dadas. El valor calorífico H de varios combustibles para motores de combustión interna son mostrados en la tabla.

La energía calorífica entregada al motor Qi puede ser expresado como :

Qi = Cf x H

Desde que la eficiencia del sistema de energía total Et esta definida como la energía de salida por energía entregada entonces:

Et = P / Q i

Potencia del Malacate

Este sistema es la base de la construcción de un equipo de perforación, su potencia le permite maniobrar las cargas a una determinada velocidad de maniobra o izaje. Sistema de Elevación Este Sistema se basa en un Mástil o torre de una altura suficiente que le permita al Equipo maniobrar las cargas actuantes (Subiendo y Bajando las mismas) Para que ello ocurra, se requiere utilizar un sistema auxiliar de Poleas, un juego de eje fijo (Corona/Caballete Portapoleas /Crownblock) y un juego de eje móvil (Aparejo) Veamos ahora como actúan las fuerzas (Motriz y Resistente) al maniobrar una carga usando 1 sola Polea.

x x

x x

x

x

Carga a Elevar

Fuerza a Ejercer

Rozamiento

o

x x



16

Si la carga a elevar pesa digamos 100 lbs, la fuerza que se ejerce, necesaria para mover la carga será de 102 lbs. Esas 2 lbs extras son debido al rozamiento del Sistema Polea en los puntos x. Este porcentaje de Rozamiento es común e igual en las Poleas, Ejes, Cadenas, Bujes, Rodamientos, lo que requiere de lubricación para evitar el consecuente desgaste. Así podemos decir que una polea tiene un rendimiento efectivo del 98% y una pérdida del 2%. Si en el Sistema de elevación hay 5 poleas en la Corona y 5 poleas en el aparejo, el rendimiento efectivo del sistema será:

E = 0.98n

Para n = 10 el valor de E = 0.817 ó 81.7% la perdida por rozamiento sera 0.183 ó 18.3%. Tambien podemos utilizar la siguiente relacion:

E = Kn-1

Kn x n x (K - 1)

Donde K = Factor de fricción K = 1.04 para rodajes de rodillos Para 10 líneas el rendimiento efectivo será 0.811 o 81.1% y una perdida por rozamiento de 0.189 o 18.9%. E= Eficiencia del Sistema Aparejo-Malacate Podemos decir entonces que para conocer la carga total que puede mover el sistema Corona-Aparejo se debe hallar el Rozamiento cinemático del cable en las Poleas.



17

Es evidente analizando la tabla anterior que a medida que aumenta en el sistema Aparejo-Corona, el número de líneas, disminuye el Rendimiento efectivo, aumentando el Rozamiento del Cable sobre las ranuras de las Poleas. Este principio Físico se da ya lo dijimos tanto para poleas, ejes, Bujes, Rodamientos etc. La Potencia de Salida del Cuadro de Maniobras, se transfiere al Aparejo por medio del cable, y esta Potencia actúa levantando la carga (Sarta de Perforación en el Pozo), afectada por el rendimiento Efectivo del Aparejo en uso. La Potencia necesaria en el Gancho será: Potencia en el gancho ( HPg) = Peso de la Sarta x Velocidad de izaje 33,0000 La Potencia en el Malacate deberá ser: Pot. De salida del malacate (HPs) = Potencia HP en el gancho Ef. Del Aparejo

Pot. De salida del malacate = Ef del Cuadro x Pot. de entrada del malacate (Hpe)

Pot. De salida Malacate = Tensión en la línea rápida (TLR) x Velocidad de la línea rápida Potencia de entrada HP en el Malacate = __Potencia HP en el gancho__ Ef del Cuadro x Ef del Aparejo Donde: Eficiencia del Cuadro = 0.90 Ef. del Aparejo= Según el numero de líneas del Sistema

Ademas :

VLR = n Vg

En donde:

VLR = Velocidad de la línea que está siendo enrollada ó desenrollada en el malacate durante el levantamiento o el descenso.

Vg = Velocidad del gancho.



18

n = Número de lineas entre el aparejo y el caballete portapoleas

Es evidente que si fijamos la Potencia del malacate (cuadro de maniobras), la carga máxima en la línea rápida será función de la velocidad con que se enrolle el cable en en el tambor. Se considera para el dimensionamiento del cuadro de maniobras de un determinado equipo de perforación, que la velocidad promedio de extracción de la sarta debe ser siempre superior a 1 mt/ seg. Para lograr lo anterior, la velocidad de extracción a la profundidad máxima a alcanzar por el equipo (Con la sarta de perforación completa) debe ser como mínimo 0.50mt/Sg o 30 mt/ minuto. Como dato generalizado, todos los fabricantes de malacate toman una velocidad de izaje de 1 stand (Tiro/Barra) / minuto ( 1 Tiro = 3 tubos = 90 pies= 27.51 mts). De acuerdo a lo anterior, y en función de la formula (1) al fijarse la velocidad de izaje, (podemos conocer la velocidad en la línea rápida que depende del numero de líneas hacia arriba) la máxima carga en el gancho es representado por la Máxima profundidad que alcanza el equipo y esto nos identifica la potencia necesaria del malacate. Por lo general, la mayoría de los fabricantes de equipos de perforación identifican sus equipos en función de la potencia del malacate. Por ejemplo: Equipo Ideco H-1200 : Potencia del malacate 1200HP Equipo Ingersol Rand 1500 : Potencia del malacate 1500HP Esto es la Potencia de entrada al malacate, pero dentro del Sistema del malacate existen “ejes, cadenas, bujes, ruedas dentadas, rodajes que rozan y producen calor y disminuirán la potencia por efectos del mismo roce. La eficiencia del sistema disminuye, quedando reducida por los rozamientos cinemáticas. La eficiencia Operativa del malacate, resulta se aproximadamente igual al 90% de la Potencia de entrada y este porcentaje recibe el nombre de Potencia de Salida. Equipo Ideco H -1200 : Potencia de entrada 1200 HP, Potencia de salida 1080 HP Equipo Ingersoll Rand 1500: Potencia de entrada 1500 HP Pot. de salida 1350 HP Estos ejemplos son puntuales, en todos los equipos debe hacerse el mismo cálculo. Podemos entonces decir como regla que Todo Malacate tiene una eficiencia Operativa del 90% y por rozamientos cinemáticas se pierde el 10% de la Potencia de entrada. Sigamos con el malacate Ideco H-1200 nuestro fabricante nos proporciona los siguientes datos:

1) Potencia de entrada al cuadro 1200 HP 2) Velocidad de Izaje tomada 90 pies /minuto con 8 líneas

La carga máxima de maniobra en el gancho (Par cualquier perforador es el Límite del tiro del Perforador) que no deberá pasarse por razones de seguridad será por ejemplo: Carga máxima en el gancho = Pot. en el Malacate xEfic. del Cuadro x Efic. del Aparejo



19

Velocidad de izaje Carga máxima en el gancho = 1200 HP x 0.9 x 0.841x 33000 lb-pie/min = 332,640 lbs 90 pies/min EL SISTEMA DE APAREJO DE POLEAS Está compuesto de;

a) Motón viajero/Aparejo (Traveling Block) b) Caballete Porta-poleas/Corona/Corniza (Crown Block) c) Cable de perforación (Drilling line)

Sistema de aparejo de poleas desarrolla una ventaja mecánica, que se describirá con mayores detalles más adelante, permitiendo el manejo de cargas más grandes. La colocación en posición del equipo de perforación en el pozo es también una función del sistema de aparejo de poleas, así como el suministro de un medio de bajar, gradualmente la columna de perforación en el pozo a medida que se va profundizando con la broca. En la figura se muestra un diagrama esquemático de elevación de un equipo de perforación rotativa. El punto de partida en el diseño de un equipo de elevación debe ser el sistema de aparejo de poleas usado para levantar o bajar tubería de perforación, tubería de revestimiento y otros equipos. Como se dijo ante, los sistemas de montacarga deben manejar pesos muy grandes. La tubería de revestimiento ordenadamente impone la carga mas grande elevación ene. Pozo por ejemplo : 12,000 pies de casing de 9 5/8” y de 47 lbs/pie pesan 54,000 lbs sin tener en cuenta los efectos de empuje mientras que 20,000 pies de tubería de perforación de 5 5/8” de 25.2 lbs/pie pesan solamente 504,000 lbs, despreciando igualmente los efectos del empuje hacia arriba. Una manera reanalizar las fuerzas que existen en un sistema de aparejo de poleas es utilizar el diagrama ilustrado en la figura. Si un peso W se coloca en el motón viajero, entonces cada una de las líneas alrededor de él soportara una cuarta parte del peso ó w/4. Las fuerzas estarán presentes en la misma proporción en el caballete portapoleas. Por lo tanto, analizando la figura se ve que la fuerza en el cable del tambor del malacate es también una cuarta parte del peso total W del extremo del motón viajero. El sistema de aparejo de poleas tiene dos ventajas principales en las operaciones de elevación:

1) los caballos de fuerza necesarios pueden ser menos porque se reduce la velocidad de hacer el trabajo.

2) Los requerimientos del momento de torsión de la maquina serán mucho menores dependiendo del número y del arreglo de cables en el sistema de aparejo de poleas.

El numero de poleas y el arreglo del cable de perforación a través de ellas, se considera importante dependiendo de las cargas a manejar. Un fenómeno del sistema de aparejo de poleas es que la carga real en la estructura que la soporta, en ese caso el castillo, puede ser considerablemente mayor que el peso real levantado, la figura 15 ilustra tres combinaciones posibles de aparejos de poleas. La vista A muestra una sola polea en la parte superior del castillo. La Vista B muestra tres poleas



20

en el caballete porta-poleas y dos en le motón viajero con el extremo del cable (llamado línea muerta) sujeto al piso del castillo. La vista C muestra el mismo arreglo de poleas, pero con la línea muerta sujeta a motón viajero, un resumen de la tracción total sobre el castillo se muestra en la Tabla 21 para tres diferentes arreglos. Las conclusiones importantes derivadas de un análisis de las diferentes combinaciones posibles son: 1. Las cargas reales ejercidas sobre el castillo pueden ser mucho mayores que la carga por levantar. 2. A medida que aumenta el número de poleas en el sistema de aparejo, se disminuye la carga real sobre el castillo. 3. Fijar la línea muerta en el motón viajero en lugar de hacerlo a los pies derechos del castillo, reduce la carga en el castillo.



21

De lo expuesto anteriormente es obvio que cuando se usa el sistema de aparejo de poleas, se reduce la fuerza necesaria para mover una carga dada. La relación de la carga levantada a ala fuerza requerida para levantarla se llama rendimiento mecánico. La cantidad de rendimiento mecánico que se obtendrá en cualquier caso dependerá del número de cables que soportan la carga. La carga en el Cable de perforación disminuye a medida que el número de poleas aumenta en el Caballete portapoleas y en el Motón viajero. Esto es muy importante par diseñar y adquirir los cables. Sin embargo, puesto que la carga en el cable disminuye a medida que el número de poleas aumenta, el cable debe viajar a una distancia correspondiente mas larga para alzar la carga con el motón viajero, a una distancia dada. Motón Viajero (Traveling Block) El motón viajero es el conjunto de poleas viajeras que conecta el cable de acero al gancho y a la unión giratoria (swivel). Es sostenida por el cable de perforación a través de la corona. El block es levantado y bajado durante las maniobras de perforación. Tiene varias poleas como la corona, y tiene en la parte inferior una amortiguación de golpes y un gancho y equipo auxiliar para la suspensión de la sarta. Este motón puede estar combinado con el gancho (Hook) como una unidad (Integral) o pueden estar separados. La posición relativa de esta parte del equipo de perforación se da en la figura 30. Los motones viajeros son fabricados en diferentes modelos. Están diseñados con un centro de gravedad bajo, el motón es rápido, pulido, de caída libre y corte derecho con carga o sin ella. Es compacto aerodinámico, de línea corriente fácil de manejar e incorpora todos los distintivos de seguridad. El motón proporciona máximo servicio del cable de acero y sin dificultades de operación. Pueden tener hasta un conjunto de ocho poleas. El guarda poleas puede abrirse con facilidad y rápidamente para un fácil armado del cable. Las poleas tienen cojinetes de rodillos. Se lubrican individualmente. En los motones combinados con el gancho (Integral), este último tiene un resorte en espiral que proporciona una acción de levantamiento para separar una barra desconectada de la unión de herramienta (tool joint); pero no demasiado como para dañar en parte la prolongación de los hilos. Para mayor resistencia el vástago (eje) de acero forjado del gancho está tratado con calor. Una cerradura automática evita que el gancho se abra cuando está sosteniendo carga. Las poleas son fabricadas de acero forjado laminados en caliente. Cada una está perfectamente balanceado estática y dinámicamente.



22



23

Caballete Portapoleas /bloque de corona (Crown block) La corona es un conjunto fijo de poleas que van montadas en la parte mas alta del castillo. Transfieren el peso de la sarta al malacate a través del cable de perforar y también al castillo. El cable es armado a través de los canales de las poleas. El bloque corona , situada en la cúspide del castillo, debe ser capaz de soportar la máxima carga que pueda suspenderse con el motón viajero, así como también la carga muerta del motón viajero, el cable de acero de izaje y la línea de tracción del malacate. Para pozos profundos puede utilizarse un bloque de 8 a 9 poleas. Las poleas están equipadas con cojinetes de rodillos, las canaladuras son endurecidas a la llama y están balanceadas estática y dinámicamente. El eje central es de una aleación de acero forjado tratado térmicamente, de gran diámetro y corta longitud total para máxima rigidez y resistencia. La lubricación de cada cojinete es individual a través de pasajes de grasa en el eje central. Las graseras están colocadas en los extremo del eje central. Las poleas a través de la cual pasa el cable frecuentemente son de 5 pies (1.5 mts.) o mas de diámetro, y el pin sobre el cual rotan puede ser de 1 pie o mas en diámetro.



24

Cable de Perforación El cable de perforación rotativa proporciona un medio de manejar las cargas suspendidas del gancho durante todas las operaciones de perforación, como son: La sarta de perforación, la tubería de revestimientos y cualquier otro equipo usado para perforar o completar un pozo. Normalmente, la máxima carga se produce cuando se esta bajando tubería de revestimiento aunque también las operaciones de pesca frecuentemente requieren tensiones en exceso de peso de la tubería de perforación. Las líneas de perforación y las líneas de alambre son bien conocidas y se emplean intercambiablemente con el término cable de acero. Las líneas de perforación son redes intrincadas de estrecha tolerancia, alambres de acero hechos con precisión, donde cada parte tiene que hacer un trabajo. Cada parte tiene que trabajar en una perfecta relación con la otra parte para funcionar propiamente. Es necesario un cuidado y manejo adecuados para que se logre recibir el más alto servicio al más alto nivel de seguridad. Los alambres se fabrican en diferentes grados de acero, en acabado negro y en algunas aplicaciones conviene e luso de alambres recubiertos y protegidos por medio de zincado o galvanizado. El cable que se usa en perforación, se describe por: 1) trama de torones, 2) Trama de los alambres que forman los torones, 3) material del alma, 4) número de torones usados en él y 5) número de alambres para cada toron. Los torones se fabrica torciendo un cierto numero de alambres entre si sobre un alambre central en una posición geométrica determinada y colocados helicoidalmente, varios torones se retuercen alrededor de un alma para formar el cable. El alma del cable sirve como soporte a los torones que están colocados a su alrededor y se fabrica de diversos materiales, dependiendo del trabajo al cual se va a destinar el mismo, el alma independiente de acero (IWRC) fabricada con siete torones de siete alambres cada uno, alma de toron formada por un toron igual a los demás que componen el cable y las almas de fibra (FC) que pueden ser fibras vegetales o sintéticas. La trama (Torcido) de un cable indica la dirección en que los alambres y los torones estén envueltos con respecto uno de otro. La figura muestra cuatro arreglos de tipo de construcción. La vista A, de la figura ilustra la trama (torcido) derecho, quiere decir que los torones están torcidos en la dirección de la mano derecha cuando se ve desde una punta del cable. La trama “Regular” describe el arreglo individual de los alambres de un toron y significa que los alambres que forman el toron están enrolladose en sentido contrario a la dirección en que se colocaron los torones para formar el cable. En el caso de trama regular derecha los torones que forman el cable están torcidos en la dirección derecha y los alambres que forman el toron están torcidos a la izquierda. El termino “Lang” significa que los alambres y los torones están torcidos en la misma dirección. La vista C de la Figura muestra un cable de trama “Lang”. Los cables con Torcido Regular son mas fáciles de manejar, con menor susceptibilidad a la formación de “cocas”, mas resistentes al aplastamiento y distorsión y presentan menor tendencia a destorcerse al aplicárseles alguna carga, aunque nos e tengan fijos ambos extremos del cable. Los cables con Torcido Lang son ligeramente mas flexibles y muy resistentes a la abrasión y a la fatiga, pero tienen el inconveniente de tenderse a destorcerse, por lo que únicamente deben utilizarse en aquellas aplicaciones en que ambos extremos del cable estén fijo y no se le permita girar sobre si mismo. El alma de un cable de perforación alrededor del cual están envueltos los torones puede ser una cuerda de fibra o de alambre. La fibra usada como alma, en los cables



25

CONJUNTO DE ALAMBRES TORCIDOS HELICOILDALMENTE SOBRE UN CENTRAL

CABLE DE ACERO

TORON

ALMA DE FIBRA

CONJUNTO DE TORONES TORCIDOS HELICOILDALMENTE ALREDEDOR DE UN ALMA

TORCIDO REGULAR

TORCIDO LANG



26



27

con alma de fibra están fabricados según las especificaciones API, debe ser de Manila dura, torcida de la mejor calidad o henequén o su equivalente. La fibra se impregna con un compuesto lubricante para alargar la vida útil del cable. La principal ventaja de los cables con alma de fibra sobre los de alma de acero es su mayor flexibilidad. Pueden enrollarse en tambores y poleas más pequeñas sin dañarse. La principal ventaja del cable con alma de alambre (Acero) consiste en su mayor resistencia. El alma de acero se utiliza para las aplicaciones donde el cable está sujeto a aplastamiento o cuando el cable trabaja en lugares donde existen temperaturas elevadas que ocasionen que el alma de fibra se dañe con el calor y le proporciona una resistencia adicional a al ruptura de aproximadamente un 8 %. Es mucho más rígido que el cable con alma de fibra y por ello su uso esta restringido a operaciones de perforación profunda en las que el equipo es grande y no se usan tambores y poleas de pequeño diámetro. Un cable de tramada regular derecha, de 6 x 19 con alma de fibra, queda bien identificado. Los términos tramada regular derecha describen el torcido de los torones y de los alambres en cada toron, el numero 6 indica el numero de torones usados para fabricar el cable, el numero 19 se refiere al numero de alambres para formar cada toron y se dice que el alma es de fibra. En algunos diseños de cables los alambres usados para formar un toron pueden tener diferentes diámetros. Para aumentar la resistencia y la vida útil de cables, algunos diseños de estos usan un alambre más delgado para llenar el espacio que normalmente en los torones no tiene alambre. Este alambre de relleno, cuando se usa se designar generalmente en la descripción, con el termino relleno o sellados (Filler) La figura ilustra algunos diseños de cable. La longitud no depende de la profundidad del pozo sino de la altura del castillo y el numero de vueltas que existe en las poleas del caballete portapoleas (Crown Block) y en la polea viajera. Aunque la línea es relativamente corta, los esfuerzos a los que se somete son muy grandes especialmente cuando se considera que las poleas alrededor de las cuales pasa son de diámetro pequeño originando unos dobles severos, así como grandes esfuerzos de tensión en la línea. Una falla del cable de perforación, pueda causar costosas operaciones de pesca, de desviación y aun abandono del pozo, por lo tanto, es también esencial mantener el cableen perfectas condiciones mientras se este usando. El cable de perforación no puede reponerse, sin embargo, hasta que su condición sea tal, que ya no se considere seguro, porque es un reglon caro en el mantenimiento general y en los costos de perforación. El cable de perforación que se usa en la operación rotativa debe colocarse siempre encima del nivel de suelo. Especificaciones de los cables de acero La consideración previa para fabricar cables de acero es la selección del acero. Los cables de acero están hechos de acero con alto contenido de carbono estirado en frio. El Instituto Americano de Petróleo (API) ha establecido las siguientes clases de material para su construcción. a) Acero de arado extramejorado-Extra improved Plow Steel (EIPS) b) Acero de arado mejorado -Improved Plow Steel (IPS) c) Acero de arado Plow Steel (PS) d) Acero galvanizado e) Acero galvanizado en una etapa intermedia de operación de preparado.



28

Los dos primeros grados de alta resistencia son los mas usados para líneas de perforación debido a la severidad del servicio que tiene que prestar. Cuando los torones se colocan juntos para formar el cable se hace en forma helicoidal, dentro de un proceso llamado preformado. Esto quiere decir que a los torones y a los alambres se les da previamente la forma que tendrán en el cable terminado, de manera que al cortar un cable o romperse los alambres y los torones, todos ellos permanecen en su lugar. La operación del preformado en los cables, da a esta mayor estabilidad al eliminar algunos esfuerzos internos entre los alambres al mantenerlos en su posición original en el cable. Hay que considerar que durante el uso y que cuando el cable está sujeto a desgaste intenso, los alambres de un cable no preformado al romperse tienden a sobresalir del cable, mientras que en un cable no preformado los alambres permanecerán en su posición sin saltarse hacia el exterior. La práctica típica en la aplicación de los cables de acero al servicio de los campos petroleros esta indicada en las especificaciones para los cables de acero y propiedades. Abreviaturas Principales: 1) PF: Pré-formado 2) NPF: No pré-formado 3) LL ( Left Lay): Torcido (Trama) izquierdo 4) RL (Rigth Lay): Torcido derecho 5) IWRC (Independent Wire Rope Core): Alma de Acero 6) FC (Fiber core) : Alma de fibra 7) RRL (Right Regular Lay): Torcido Regular Derecho 8) RLL (Right Lang Lay): Torcido Lang derecho 9) Filler Wire (FW): Las capas internas están rellenadas con alambres de menor

diámetro). 10) Warrington (W): La capa externa o interna (combinaciones) tiene alambres alternados

de diferentes diámetros 11) Seale (S): Todas las capas contienen el mismo número de alambres, generalmente de

diámetros diferentes (el externo es mayor). Denominación de los cables de Acero 1” x 5000 6 x 19 S PRF RRL IPS IWRC Diámetro Longitud de línea Número de torones Número de alambres por toron Núcleo o alma de acero. Sellado Preformado Acero de Arado mejorado Torcido Regular Derecho



29

Factor de Diseño Se debe determinar el factor de diseño por la formula que a continuación se indica: Factor de diseño = B / W en donde: B: Resistencia nominal a la ruptura Lbs W: Carga estática total calculada Lbs Cuando se opera un cable de acero cerca de su factor de diseño debe tenerse cuidado que el cable y el equipo conexo estén en buenas condiciones de operación. En todo momento el personal operador deberá tener un asiduo cuidado para reducir al mínimo los golpes o sacudidas, impactos y las cargas de aceleración y desaceleración. Las operaciones satisfactorias de campo indican que los siguientes factores de diseño deberán considerarse como mínimos. Mínimo Factor de Diseño Cable para bajar la vela hidrostática 3 para limpiar arena Cable de acero para perforación rotativa 3 Servicio de levantamiento diferente a la 3 Perforación rotativa Línea de terminación / Workover 2 Cuando se baja tubería de revestimiento 2 Jalar la tubería atascada y operaciones 3 Similares no frecuentes Línea de subida y bajada de mástil 2.5 Eventual elevación del personal 12 Consejo del fabricante 5 Es evidente que el factor de diseño se incrementa en función del riesgo operativo. La vida del cable de perforación varía con el factor de diseño, por eso mayor vida del cable se puede esperar generalmente cuando se usan factores de diseños relativamente altos. Angulo de Vuelo Es el ángulo que se forma entre el cable y el plano perpendicular al eje de la polea más rápida. Cuando el cable se conduce desde el tambor hasta la polea mas veloz, éste es paralelo a la ranura en u punto del tambor, generalmente al centro de éste. Como el cable se desplaza de este punto hacia ambos lados se crea un ángulo, el que produce un desgaste en el costado del cable, lo que da origen a un cable mal enrolado. Este ángulo enllamado ángulo de vuelo.



30

El ángulo de vuelo siempre presente, deberá ser mantenido al mínimo. La experiencia indica que se le puede llevar a menos de 1 ½º para tambores de superficie lisa y a menos de 2º para tambores ranurados. Cualquier otro ángulo mayor produce desgaste innecesario en los costados de la ranura. Los ángulos de vuelo pobres no solamente causan excesivos desgaste por abrasión, sino que también producen excesiva torsión en la línea. Para comprobar el ángulo de vuelo se puede utilizar la siguiente tabla: Relación o Tang W = A / B Angulo de vuelo en grados 0.09 ½ 0.013 ¾ 0.017 1 0.022 1 ¼ 0.031 1 ¾ 0.035 2 El ángulo de vuelo es el ángulo incluida entre una línea que representa el desplazamiento del cable a través del tambor y una línea trazada a través de la línea de centro de la primera polea de la corona perpendicular al eje del tambor. Los ángulos de vuelo permisibles se determinan como sigue: A = Distancia de desplazamiento del tambor y el extremo Del mismo. B = Distancia del tambor a la primera polea de la corona. W = Angulo de vuelo. Eje del tambor 1.-Para tambores lisos, min. = 0.30´ máx. = 1º30’ 2.- Para tambores rasurados, min. =0.30’ máx. = 2º Esto demuestra la relación entre las dos dimensiones críticas utilizadas en el cálculo del ángulo de vuelo. Trabajo que realizan los cables en toneladas-milla Como no se puede usar un cable hasta que se destruya, se requiere de un procedimiento para determinar cuando hay que cambiarlo. Por supuesto la vigilancia constante es indispensable para localizar inmediatamente los puntos débiles. Probablemente, el mejor método inventado hasta ahora para estimar el servicio de un cable, es el uso de la tonelada-milla del mismo (1 milla = 1.6 Km). La tonelada-milla se refiere al levantamiento de un peso de una tonelada corta (2000 lbs) a la distancia de 1 milla (5280 pies). Aun, cuando se comprende que el número de toneladas-milla de trabajo que un cable ha ejecutado no es una indicación absoluta de su vida, es en cualquier forma un procedimiento que se emplea para calcular la vida aproximada del cable. Comúnmente los esfuerzos severos y condiciones que aceleran el

B

A

W



31

desgaste del cable, hacen variar la vida útil del mismo. Por ello la inspección visual continua es muy necesaria. El trabajo principal del cable de perforación se concreta a cuatro operaciones especificadas. 1) Perforación o hacer pozos 2) viajes redondos para reponer las brocas gastadas 3) Bajar tubería de revestimiento 4) Operaciones diversas como pesca y toma de testigos. Una gran proporción del trabajo desempeñado por el cable de perforación hay en las operaciones de viaje redondo. Trabajo realizado por el cable en Operaciones de viaje Redondo (Round Trip) El ciclo de operaciones desarrolladas durante un viaje redondo con la tubería de perforación se describe brevemente a continuación: 1.- Después de perforar el tubo (longitud promedio 30’) que va a dar la profundidad del cambio de broca, se levanta la sarta de perforación la longitud del vástago (kelly). El cable levanta el peso de la sarta de perforación, el vástago y el conjunto motón viajero-gancho-swivel.

APAREJO

GANCHO

SWIVEL

VASTAGO

KELLY BUSHING (BUJE MAESTRO)

MESA ROTARIA

BROCA

BHA

DRILL PIPE



32



33

dos /tres



34

2.- Se retira el vástago y se baja al hueco inclinado (Rat hole), se levanta con el cable el peso considerado en esta operación que es solo el del vástago y el del motón viajero-gancho-swivel

RAT HOLE FUNDA DE KELLY

BRAZOS

ELEVADORA

CUÑAS



35

3.- La tubería de perforación se levanta la distancia de una barra (compuesta de 2 o 3 tubos), esta barra se desconecta y se apoya en los peines de la repisa del engrampador. Se levanta con el cable todo el peso de la tubería de perforación y el del motón viajero-gancho-elevadora.



36

4.- El conjunto del motón-gancho-elevadora se baja hasta el piso del castillo (mesa rotaria) y se fija la tubería de perforación. (Engancha con la elevadora en la conexión del tubo) para iniciar otra elevación. Se maneja con el cable el peso del motón-gacho- elevadora 5.-Se repiten los pasos 3 y 4 hasta que toda la tubería de perforación se ha sacado del pozo. Al bajar la tubería de perforación en el pozo el procedimiento previamente descrito se repite de modo inverso sin embargo, los pesos manejados y las distancias recorridas serán idénticas. Un análisis de los pasos 1 al 5 muestra que el conjunto motón viajero y elevadora se mueve una distancia aproximadamente igual al doble del largo de una barra al sacar la tubería de perforación del pozo y también una distancia de mas o menos el doble del largo de una barra al ingresar la tubería al pozo. Por lo tanto para el viaje redondo el trabajo hecho por el cable al mover el conjunto del motón viajero-gancho-elevadora será igual al peso de este último multiplicado por cuatro veces la profundidad del pozo. El trabajo del cable en toneladas –millas al levantar y bajar el conjunto de motón-gancho-elevadora en una operación completa de viaje redondo es: Tb = 4 D x M (1) 5280 x 2000 Donde Tb: Trabajo en ton-milla para mover el conjunto D: Profundidad del pozo



37

M: peso total del conjunto motón-gancho-elevadora. Al sacar la tubería de perforación del pozo, se hacen dos suposiciones par desarrollar una formula sencilla para calcular el trabajo del cable, estas suposiciones son:

1. El vástago se supone que tenga un peso equivalente a una barra de tubería de perforación.

2. La tubería de perforación se supone que llegue al fondo del pozo. Un factor de corrección se incluye para compensar el peso adicional de los cuellos lastrabarrenas.

El trabajo hecho por el cable al sacar la tubería del pozo, es igual a la suma de los trabajos requeridos para sacar cada barra del pozo. Matemáticamente se puede expresar como sigue: Tt = Ls x n x Ws + Ls x (n-1) x Ws + Ls x (n-2) x Ws + Ls x (n-3) x Ws .......... (2) 5280 x 2000 Donde: Tt : Trabajo en toneladas-milla al sacar la tubería de perforación del pozo Ls : Longitud de una barra de tubería de perforación, pies Ws: Peso de una barra de tubería de perforación lbs n : Número total de barras en el pozo Wavg = ( n Ws + (n-1) Ws + (n-2) Ws +………) n La expresión también puede expresarse como: Tt= Ls x n x W avg (3) 5280 x 2000 Donde: Wavg : Peso promedio levantado lbs Sin embargo Ls x n = D , y un examen cuidadoso de la ecuación muestra que el promedio de los pesos levantados es igual a la mitad de la suma del peso inicial de carga más el peso final de carga. El peso inicial de carga es el peso efectivo de la columna de perforación completa, corregido por flotabilidad; y el piso final de carga es el peso efectivo de una barra de tubería también corregido por flotabilidad. Por lo tanto el peso promedio levantado es: Wavg = Ws ( n + (n-1) + (n-2) +..........1) = Ws x n (n+1) n n x 2 Wavg = ½ (Ws + n x Ws) (4) Por conveniencia, las longitudes de tubería de perforación generalmente se expresará en lb/pie , la ecuación resultará: Wavg = ½ (Ls x Wm +Ls x n x Wm) (5) En donde:



38

Wm = Peso efectivo por pie de tubería corregido por flotabilidad en el lodo de perforación

en lb/pie. Suponiendo que las pérdidas por fricción entrando al pozo son iguales a las que se tienen saliendo del mismo, el trabajo del cable desempeñado al ingresar la tubería al pozo puede encontrarse con la siguiente ecuación: Tt = ½ (Ls x Wm + Ls x n x Wm ) x D (6) El trabajo total del cable efectuado por la manipulación de la tubería de perforación en la operación de viaje redondo será igual a la ecuación anterior multiplicada por dos. Tp = (Ls x Wm + Ls x n x Wm ) x D = D x Wm x (Ls + D) (7) 5280 x 2000 5280 x 2000 Como se ha dicho por conveniencia se supone que la tubería llega al fondo del pozo. Como el peso unitario de la broca y los cuellos lastrabarrenas (botellas) son mayores que el peso unitario de la tubería de perforación, el trabajo adicional ejecutado por el cable en sacar y bajar este peso adicional es igual a dicho peso multiplicado por la distancia recorrida. El trabajo adicional desempeñado por el cable en una operación de viaje redondo es: Te = 2 x C x D (8) 5280 x 2000 Te: Trabajo en ton-milla desempeñado al mover el peso excedente del conjunto broca y

cuellos lastrabarrenas. C : Exceso de peso del conjunto broca-cuellos lastrabarrenas sobre la tubería de

perforación. D : Profundidad del pozo en pies. El trabajo total hecho por el cable al realizar el viaje redondo es igual a la suma algebraica del trabajo hecho al mover 1) El conjunto del motón-gancho-elevadora 2) Tubería de perforación 3) El peso adicional del conjunto lastrabarrenas. En muchos casos se puede desarrollar una ecuación sencilla combinando las operaciones anteriores. Entonces estas ecuaciones pueden combinarse como sigue: Tr = 4 x D x M + D x Wm x (Ls +D) + 2 x C x D (9) 5280 x 2000 5280 x 2000 5280 x 2000 En conclusion: Tr = D x (Ls + D) x Wm + D x (M + 0.5 x C) (10) 10’560,000 2’640,000



39

Ejemplo: Si la profundidad del pozo es 7218 pies, la longitud de de la barra es de 90 pies, diámetro de la tubería de 5”, el peso efectivo en el lodo de la tubería es 19.5 lb /pie por el factor de flotación (1- 0.015 x D lodo ) = 19.5 x ( 1 - 0.015 x 11.5 ) = 16.13 lb/gl, peso del conjunto motón-gancho-elevadora es de 15800 lbs, la longitud de los cuellos lastrabarrenas es 685 pies y el peso lineal 85 lb/pie. Cual es el trabajo en ton-milla realizado por el cable para cambiar una broca del fondo del pozo. Tr = 7218 x (90 +7218) x 16.13 + 7218x (15800 + 0.5 x 685x (85 – 19.5) x (1-0.015 x 11.5) 10’560,000 2’640,000 Tr= 80.57 + 93.92 = 174.49 Ton-milla Trabajo realizado por el cable en la operación de Perforación Para establecer el número de toneladas-milla de trabajo que el cable ha hecho durante el curso de las operaciones normales de perforación, es necesario cuantificar el ciclo de operación que comprende la perforación de una distancia equivalente a la longitud del vástago (kelly). Empezando con el vástago en la posición baja las operaciones del ciclo son como sigue: 1. Después de perforar el tubo, levantar la tubería de perforación la longitud del vástago más unos pies adicionales El peso levantado por el cable es el de toda la tubería mas el motón-gancho-swivel.



40



41



42

2. Rimar o Escariar el largo del vástago. El peso manejado por el cable es igual al peso de toda la columna de perforación más el motón-gancho-swivel

3. Alzar la tubería de perforación la longitud del vástago. El peso que maneja el cable es el de la tubería de perforar más el motón-gancho-swivel



43

4. Aflojar el vástago y ubicarlo en el hueco inclinado, hacer la conexión con el tubo de perforación que se encuentra en el hueco inclinado (Mouse hole). El peso manejado al ubicar el vástago en el hueco inclinado es el del vástago mas el del motón-gancho swivel.



44

5. Levantar el vástago conectado con el tubo. El peso en este caso es el de la unión

con el tramo de tubería y el del motón-gancho-swivel.



45

6. hacer la conexión del tramo levantado y la conexión del tubo de perforar que se encuentra sentado en la mesa rotaria, bajar el nuevo tramo de tubería agregado al pozo con el vástago conectado. El cable levanta el peso de toda la tubería de perforación más del motón-gancho-swivel.



46

7. Perforar la longitud del vástago. El cable maneja el peso de toda la tubería y el motón-gancho- swivel, menos el peso soportado por la broca.



47

Analizando el ciclo de la operación se ve que para cualquier pozo los pasos 1 y 2 serán iguales a un viaje redondo de la tubería de perforación. El paso 3 serán también iguale a un medio viaje redondo. El paso 4 y 5 se refieren a pasos pequeños que son insignificantes comparados con los otros pasos del ciclo especialmente en pozos profundos. Los pasos 6 y 7 serán iguales a un viaje redondo de la tubería de perforación Por lo tanto el trabajo ejecutado por el cable de perforación al perforar el pozo completo es en realidad igual aproximadamente a 2 ½ viajes redondos al fondo. Debe hacerse la aclaración de que el trabajo en los paso 4 y 5 pueden constituir el mayor porcentaje del trabajo del cable cuando los pozos que están perforando son pocos profundos. Para que se tome encuentra este trabajo del cable, la práctica 9B recomendada por el API indica que el trabajo desempeñado por el cable en la perforación debe considerarse que es tres veces el trabajo en un viaje redondo a la profundidad total. El que, en efecto supone que el trabajo hecho en los pasos 4 y 5 es igual a medio viaje redondo con la tubería de perforación.

Paso Característica

Observación

1 Levantar la sarta de perforación, la longitud del vástago una vez perforado el tubo, por cada tubo perforado , a la profundidad total

Medio viaje redondo a la profundidad total

2 Bajar Rimando la sarta de perforación (Bajar rotando y circulando) la longitud del vástago por cada tubo perforado, a la profundidad total

Medio viaje redondo (bajando), a la profundidad total.

3 Levantar la sarta de perforación la longitud del vástago para adicionar un tubo nuevo a la sarta, por cada tubo perforado.

Medio viaje redondo

4 y 5 Hacer la conexión del vástago al tubo nuevo y ubicarlo para enroscar a la sarta, por cada tubo perforado

Medio viaje redondo

6 Realizar la conexión del nuevo tubo a la sarta y bajar la longitud del vástago, por cada tubo perforado.

Medio viaje redondo (bajando) a la profundidad total

7 Perforar la longitud del vástago, por cada tubo adicionado a la sarta.

Medio viaje redondo

Expresando en forma de ecuación, el trabajo total hecho por el cable al perforar un pozo es aproximadamente: Tp = 3 TTD (11) En donde: Tp: Toneladas-milla perforadas para todo el pozo



48

TTD: Viaje redondo en ton-millas a la profundidad total El trabajo realizado por el cable, al perforar se encuentra con la siguiente ecuación: Tpr = 3 ( Tr 2 – Tr 1) (12) Donde: Tpr : Ton-milla de perforación Tr 1 : Ton-milla por viaje redondo a al profundidad total 1 Tr 2 : Ton-milla por viaje redondo a al profundidad total 2 Sumando las ton-milla de perforación entre viajes redondos, con la ecuación (12) la suma será igual a las ton-milla de perforación para todo el pozo. Esto es evidente analizando la siguiente ecuación. Tpr = 3 (Tn – Tn-1) Tp = 3 T1 + 3 (T2-T1) + 3 (T3-T2) + 3(T4-T3) +………….3 (TTD-TTD-1 ) (13) T1 :Ton-milla durante el primer viaje Redondo en el curso de la perforación del pozo. TTD:Ton-milla de trabajo efectuado en un viaje redondo a la profundidad total. En la Ec (13) todos los términos del lado derecho de la Ec. Excepto 3 TTD se cancelarán. En terrenos de roca dura, puede no necesitarse rimar el pozo después de haber perforado la longitud del vástago. En este caso los pasos 2 y 3, en el ciclo de operaciones previamente mostrado se eliminan. Así el equivalente de trabajo del cable de un viaje redondo completo será eliminado y el trabajo del cable ejecutado en la perforación será: Tp = 2 TTD (14)

Y Tpr = 2 (Tn –Tn-1) (15) Ejemplo: Si se perforo un pozo entre 7218 pies a 8451 pies T1 = 174.49 Ton-milla T2 = 8451 (90+8451) x 16.13 + 8451 (15800+ 0.5 x 685 (85-19.5) x 0.827) = 10’560,0000 2’640,000 Tpr = 3 (220.21 – 174.49) = 137.16 Ton-milla En el caso que en el BHA (Conjunto de fondo) se utilize Heavy Weight, en el trabajo total realizado tanto en la perforación como en el viaje redondo utilizar el factor de exceso de C considerando el peso y la longitud de los Heavy weight como si fueran cuellos lastrabarrenas.



49

Trabajo realizado por el cable al bajar Tubería de Revestimiento El ciclo de operaciones que se lleva a acabo al correr la tubería de revestimiento es idéntico a las operaciones desempeñadas al ingresar la tubería de perforación al pozo. Por lo tanto el trabajo en Toneladas-millas ejecutadas al correr la tubería de revestimiento es igual a la mitad el trabajo del cable durante una operación de viaje redondo. Como no hay peso adicional debido a los cuellos lastrabarrenas (botellas), la ecuación (10) se modifica: Ttr = ½ Wcm (Lsc +D) x D + 4DM (16) 10’560,000 Donde: Ttr : Trabajo del cable en Ton-millas hecho al bajar tubería de revestimiento. Wcm: Peso efectivo por pie de tubería de revestimiento en el lodo lb/pie Lsc: Longitud de la tubería de revestimiento. Pies La Ec (16) es correcta cuando se baja tubería de revestimiento de un solo peso, cuando se usan combinaciones de tubería de revestimiento por ejemplo, tubería con el mismo diámetro exterior, pero con pesos unitarios diferentes, esta ecuación se vuelve algo tediosos para manejarse y se hace menos claro el significado de cada uno de sus términos. Sin embargo, si se analiza desde el punto de vista de la distancia que el centro de gravedad de la tubería debe moverse, la solución del problema es relativamente simple, porque se determina fácilmente el centro de gravedad de cada sección de la tubería de revestimiento con el mismo peso. Cuando se baja la tubería de revestimiento de tres pesos diferentes en un pozo, el trabajo total hecho por el cable al bajar la tubería es la suma de los trabajos requeridos para correr cada segmento. Ts = TA +TB+TC

Donde: TA: Trabajo en ton-millas para bajar la sección A TB: Trabajo en ton-millas para bajar la sección B TC: Trabajo en ton-millas par bajar la sección C LA: Longitud de la sección A, pies LB: Longitud de la sección B, en pies LC: Longitud de la sección C, en pies El trabajo total del cable será entonces: Ts= (1/2 LA +1/2 Lcs) Wcm LA + (LA + ½ LB + ½ Lcs) Wcm LB + (LA+LB+1/2LC+1/2Lcs) WcmLC +2DM

10’560,000

Trabajo realizado por el cable en la extracción de Testigos (Coreo-núcleos) El trabajo realizado por el cable es prácticamente idéntico al que hace el cable de perforación, y como en este caso, el trabajo del cable para sacar testigos puede expresarse conveniente en términos de trabajo por viaje redondo: Un ejemplo típico de operaciones de sacar testigos es como sigue:

1. Con el saca testigos en el fondo, se perfora la longitud del vástago. 2. Se alza la longitud del vástago. Y se desconecta de la sarta 3. Se conecta vástago al nuevo tubo en el hueco de ratón (Mouse hole).



50

4. Se alza el vástago con la unión del tubo de perforación adicionada y se conecta a la sarta.

5. Se levanta la sarta, y se baja la longitud del vástago. 6. Se perfora la longitud del vástago hasta que se halla obtenido la muestra deseada

hasta la longitud total. Un análisis de las operaciones del ciclo de sacar testigos muestro que los pasos 1 y 2 corresponden a un viaje redondo, el paso 5 corresponde a medio viaje redondo y el paso 3 y 4 corresponden a medio viaje redondo, el trabajo total del cable será : Tsc = 2 Tr Puesto que el pozo se muestre en un intervalo determinado puede calcularse como: Tsc = 2 (Tr1 – Tr2)

Donde: Tr1: Trabajo en ton-millas para un viaje redondo a la profundidad 1, donde empezó a sacarse el testigo. Tr2: Trabajo en ton-millas para un viaje redondo a la profundidad 2, donde se terminó de sacar el testigo. Valuación de servicio del cable Determinar la vida útil de un cable puede ser muy difícil porque no se ha determinado hasta ahora una forma de cuantificar la magnitud real de los esfuerzos a los que se ha sometido el cable. Como ya se dijo, hasta el presente el mejor método encontrado para valorar el uso del cable es el de toneladas millas de servicio. La suma de las toneladas millas de trabajo ejecutado en la perforación, sacar testigos, viajes redondos y bajando la tubería de revestimiento nos da el trabajo total del cable. El principal objetivo de llevar un registro total de toneladas-milla del trabajo del cable es permitir la utilización máxima del mismo. Algunas partes del cable están sujetas a mayor desgaste que otras. Probablemente el punto de desgaste mas severo en un cable de perforación es el punto donde la línea muerta pasa sobre la primera polea de la corona. Esta polea no da vuelta y por lo tanto todos los esfuerzos aplicados a la línea durante todas las operaciones se están ejerciendo en este punto. Para aumentar la vida efectiva del cable y reducir el costo de los cables de perforación, se deberá disponer de varios cientos de pies más que la longitud real requerida. Esta longitud adicional se enrolla en el tambor del malacate unos pocos pies cada vez, de modo que cambien los puntos de desgaste máximo. El momento oportuno para cambiar el punto de desgaste máximo es difícil, si no imposible de determinar, el API ha desarrollado varios métodos para este objeto y las técnicas están tratadas en el Boletín 9B del API de Prácticas, que mas adelante se comentarán. Longitud del cable de un tambor A menudo puede ser necesario calcular la capacidad de un tambor para contener el cable o la capacidad de una capa especifica de cable alrededor del tambor. La capacidad de la primera capa alrededor del tambor será igual a la longitud de la línea usada en un enrollado del mismo, multiplicado por el número de veces que el cable puede enrollarse alrededor del tambor. El diámetro real de la primera capa es igual al diámetro del tambor más el diámetro del cable. La capacidad en pies de la primer capa en el tambor será:



51

L1 = π ( D + d) w (1)

12 d Donde: L1 : Capacidad del cable de la primera capa, pies D: Diámetro del, tambor, pulg. d: Diámetro del cable, pulg B: Ancho del tambor, pulg. De la ecuación (1) el término π (D +d) es la circunferencia real alrededor de la cual se enrolla la primera capa y el término w/d es el número de vueltas que pueden colocarse en una capa del tambor. La capacidad de la segunda capa es: L2 = π (D + 3d) B (2)

12 d Igualmente, la capacidad de la tercera capa es: L3 = π (D + 5d) B (3)

12 d La capacidad de la enésima capa es: Ln = π (D + (2n-1) x d) B (4)

12 d En donde: n = Número total de capas en el tambor. La suma total de las capacidades de cada capa nos da la capacidad del tambor. Combinando las ecuaciones (1) a (4) resulta:

LT = π (n D+ n2

x d) B (5) 12 d

Considerando que n = A (6) d Donde: A = Profundidad de la pestaña en pulg. Combinando (5) y (6) LT = π (D+ A) B A (7)

12 d2



52

H

B

D

A A

Y

La longitud del cable que puede ser enrollado en el tambor será igual: LT = ( A + D) x A x B x K K = Factor del cable según el diámetro. Donde: A = H - D 2 La longitud del cable incompletamente lleno en un drum esta dado por la siguiente formula: Donde: A’ = H - D - 2 Y 2 Diámetro del cable Factor K Diámetro del cable Factor K ¼ 3.29 1 0.239 ½ 0.925 1 ¼ 0.181 ¾ 0.428 1 3/8 0.127 Ejemplo: Malacate Oil well E-860 H = 45” D = 28” B = 52” d = 1 3/8” Y= 4” A = ( 45 -28) = 8.5 LT = ( 8.5 + 28) x 8.5 x 52 x 0.127 = 2049 pies 2 A’ = ( 45- 28 - 2 x 4) = 4.5 L = ( 4.5 + 28) x 4.5 x 52 x 0.127 = 966 pies 2



53

Programa de corridas y cortes en los cables. Por muchos años ha quedado como un hecho bien establecido que un corte en el extremo del cable que termina en el tambor del malacate incrementa el servicio del cable. Muchos cables han sido descartados, debido a la rotura de los alambres en una sección pequeña, mientras que el resto del cable armado estaba en buenas condiciones aparentemente. Esto constituye una pérdida de cable, en buen estado, que a su vez significa altos costos operativos. El objetivo de un corte sistemático es recibir aumento de servicio y más seguridad. Esto se logra extendiendo el desgaste sobre el cable a través de su longitud en lugar de acumularlo en un sitio. El propósito de calcular la cantidad de trabajo hecho por el cable es mostrar un método exacto para determinar cuando y cuanto cable se correrá y cotara. La extensión del desgaste a través de la longitud puede hacerse cortando la longitud adecuad en el tiempo apropiado. El largo adecuado a cortarse es parte de la solución de una buena práctica de corte. Puntos críticos de desgaste del cable En el sistema de armado del cable hay numerosas áreas donde el cable recibe incremento de desgaste. Estos lugares son: 1) Puntos de cruce sobre el tambor del malacate, 2) Puntos de desgaste critico. 1) Puntos de cruce sobre el tambor del malacate:

El punto de cruce sobre el tambor del malacate, es el punto del tambor donde cada vuelta de la segunda capa del cable cruza sobre cada vuelta de la primera capa del cable. Naturalmente la tercera capa cruza sobre la segunda capa. Cuando se levantan cargas pesadas de tubería de perforación se encuentra severo aplastamiento y desgaste sobre el tambor del malacate en donde el cable cruza por encima. Cortando aproximadamente el largo prescrito trasladando esa distancia al tambor en número de vueltas dependiendo del diámetro del tambor, se mueve el punto de cruce del cable sobre el tambor del malacate. 2) Puntos de desgastes críticos: La carga más pesada sobre el cable de acero se produce cuando se sacan las cuñas para bajar o salir del pozo. La posición relativa del cable de acero con respecto al motón viajero o al bloque de poleas en la corona en la posición arriba o abajo es siempre la misma sin ningún extremo del cable de acero se mueve. Consecuentemente, ocurre severo desgaste en el punto donde el cable esta en contacto con las poleas cuando se aplica en el sistema una carga súbita de tubería. Estos puntos están mencionados como puntos de desgaste crítico. Cortando el cable de acero en el extremo del tambor, esos puntos de desgaste severo se mueven, sin embargo, el cable de acero no deberá ser movido una distancia tal que coloque un punto de desgaste crítico en otra posición de desgaste crítico. El cable en contacto con el motón viajero y las poleas de la corona en la posición de izaje deberá moverse dentro del área sin desperfectos cortando la longitud correcta. Haciendo esto, el desgaste será mas uniformemente distribuido a lo largo de la longitud y no acumulado en un solo lugar originando un corte largo.



54

Programa de corte de cable Los puntos de desgaste crítico dependen de la altura del castillo. Esto se debe al hecho de que la distancia de la línea del centro del bloque de corona está relacionada directamente a la altura del castillo. La diferencia entre esta distancia en las posiciones arriba y abajo depende de la longitud de las barras de perforación. En la Tabla siguiente se muestra la longitud aproximada para cortar en un buen programa de corte. Se ha considerado los siguientes factores para determinar las longitudes de los cortes:

a) Puntos de cruce en el tambor b) Puntos de desgastes críticos

En la tabla están listadas las alturas del castillo sobre la primera línea longitudinal. Comparando la altura del castillo con el diámetro del tambor se determina la vuelta más próxima a cortarse. Se ha ilustrado la explicación de la longitud adecuada que deberá cortarse. Para completar un buen programa de corte, el tiempo apropiado para efectuar el corte deberá determinarse. Primero se deberá establecerse, como se mide el trabajo cumplido por la línea. Si el trabajo se mide por el número de pozos perforados, no se hará una evaluación justa, debido a las diferentes condiciones de perforación o a las diferentes situaciones encontradas en cada pozo. En la práctica todo lo que debe considerarse es el trabajo hecho por el cable en levantar y bajar las cargas aplicadas, en hacer viajes redondos y en las operaciones de perforación, sacando núcleos y bajando tubería de revestimiento. En la ejecución de cada una de estas operaciones el cable está moviendo una carga a una distancia. Por esto, una medida del trabajo se expresará en esta operación en toneladas-milla Manteniendo un registro del cable en toneladas-milla, puede derivarse un adecuado intervalo de tiempo entre cortes. La siguiente tabla 1 recomienda el punto de partida inicial para usarse, seguido de un programa de servicio de cortes. Todos los equipos de perforación usan diferentemente, cables de perforación, por esto la tabla esta constituida con valores que deberán ser cumplidos. Por ejemplo para un cable de 1 3/8” que es usado en un malacate NATIONAL 130 que tiene un diámetro del tambor de 30”, y el equipo no tiene registro de cortes de cable, la tabla 1 sugiere como objetivo realizar para iniciar el programa de corte 19 toneladas millas por pie de corte, de esta manera podemos calcular la longitud de corte Longitud de corte = Toneladas millas desde el ultimo corte / 19 Si la altura del castillo es de 147’ la tabla recomienda realizar un corte equivalente a 12 vueltas en el tambor lo que equivale a L = L = π (30+1.375) x 12 = 98.56 pies 12 La longitud de corte será 99 pies, Por lo tanto el numero de tonelada millas de corte será Ton-Millas = 99 x 19 = 1881 Ton-millas



55



56

Factor de Servicio Se ha determinado que el cable de acero se desgasta más que en igual proporción cuando se opera con diferentes factores de servicio. Por esto, se debe esperar mas servicio cuando se está operando ligero y menos servicio cuando es riguroso. La curva relativa de servicio del cable se muestra en el grafico N° 1. Esta curva se trazo con datos experimentales obtenidos de la máquina para prueba de fatiga del cable en el laboratorio de cables de Union Steel. Se probaron cables de acero del mismo carretel sobre poleas de diferentes diámetros con factores de servicio comprendidos de tres a nueve inclusive. Estas pruebas consistieron primeramente en doblamiento continuo sobre las poleas. En la perforación con equipos de perforación rotativa, el aplastamiento en el tambor y los cruces afectan el servicio del cable cuando se está operando con bajos factores de servicio. A continuación se dan las fórmulas par determinar la tracción del cable para levantar pesos durante una operación rotativa. El factor de servicio es la fuerza de ruptura del cable de acero en uso obtenido del catálogo dividida por la tracción de la línea para levantar cargas (línea rápida). A continuación se dan las correspondientes fórmulas: Factor de Servicio = Fuerza de ruptura del cable Fuerza de tracción de la línea rápida Fza de tracción de la línea rápida = W gancho n x E Por otra parte, cuando un cable se arma en un polipasto, la carga en la línea es mayor que la carga total dividida por el número de partes de la línea, debido a la perdida causada por la fricción en las poleas y el doblado del cable alrededor de las poleas. El factor de eficiencia de varias partes de la línea para poleas con cojinetes de bolas es como sigue:

E = 1.04n

-1

1.04n

x n x (1.04 - 1) Donde n = Número de líneas hacia arriba E= Factor de eficiencia. K = 1.04 para rodajes de rodillos y 1.09 para rodajes planos En muchos campos los operadores desean emplear una práctica de deslizamiento junto con una práctica de corte. El deslizamiento del cable de acero permite entrar al sistema de línea adicional y aumentar el cable enrollado sobre el tambor. Por esto un buen programa de deslizamiento requiere un buen enrollado sobre el tambor. Cuando se desliza, los puntos de desgaste primario se mueven dentro del sistema pero los puntos de cruce en el tambor no se alternan hasta que se hace el corte. Esta ha sido la más exitosa en áreas de perforación dura y de vibración excesiva.



57

Grafico N° 1

Ejemplo: Altura del mástil: 138’ Diámetro del cable 1 ¼ Dificultades de perforación: Duro Diámetro del Drum: 28” Factor de Seguridad: 3 Para un Factor de seguridad de 5 seleccionando el valor adecuado de la tabla para un cable de 1 ¼ será 1100 ton-millas. Para una altura de 138’, la longitud de corte seria entre 75’ y 85’, dependiendo del diámetro del drum que es de 28” son 11 vueltas. Aplicando la formula de la longitud del cable en el tambor para la primera capa L = π ( 28+1.25) x 11 = 84.23 pies 12 Lo cual nos indica que para un programa de corte se deben cortar 84 pies de cable. Para un factor de seguridad de 3 el factor de corrección es 0.58 lo cual nos da un corte cada 638 ton-millas



58

Otro método cuando se desea calcular cada cuantas toneladas-millas se realiza el corte de cable y no se tiene ninguna información podemos utilizar la tabla 1 la cual nos indica el objetivo de corte para el diámetro del tambor de 28” y un cable de 1 ¼ es 15 Ton-milla por pie de corte de cable lo cual nos resulta : Ton-milla = 15 ton-millas x 84 pies = 1260 Ton-millas Pie



59



60



61

capitulo iii2

Documents