perforacion

By Oscar Cortegana

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Programa de Adiestramiento

1.1 Introducción 1.1.1 Definición. Es la operación en la cual se "fabrica" un hueco en la corteza

terrestre hasta una profundidad la cual atraviesa una zona de interés comercial deseada haciendo uso de técnicas altamente especializadas teniendo en cuenta la seguridad y la protección del medio ambiente

Objetivos. Proporcionar un ducto de salida a los fluidos que contienen las formaciones .

Estas formaciones deben satisfacer ciertas condiciones como tener fluidos comercialmente valiosos porosidad y permeabilidad y además poseer un mecanismo de movimiento de fluido que haga más barato su extracción.

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1.1.2 Partes principales de un pozo Petrolero. Varían de acuerdo a la etapa por la cual se encuentra el pozo.

Estas etapas son: a) perforación

b) Producción

EN PERFORACION EN PRODUCCION

Reves tim iento o csg

T uberia de perforaciono D rill Pipe

Anular

Hueco Abierto

Broca

Fluidode Perforacion

Sarta de produccion

Revestim iento de Produccion

Cem ento

Zona de intereesPay zone oPay zone o

Zona de Interes

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La perforación dentro de la industria del petróleo. Exploración. Estudios sismológicos, estudios geológicos y perforación. Producción. Perforación producción, servicio y reparación de pozos. Transporte. Diferentes formas de transporte del crudo y su almacenamiento. El transporte

puede ser por barcos barcazas, camiones oleoductos etc. Refinación. Comercialización o Mercadeo. Clasificación de la perforación. De acuerdo al estado del campo en el que se va ha perforar podemos decir que existen dos clases de perforación :

Perforación Exploratoria : a. convencionales b. Slim holes

Perforación de desarrollo :

a. Verticales b. Direccionales c. Horizontales

Verticales Horizontal

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1.1.4 Unidades de medidas. (Longitud, masa, y tiempo)

Sistema Inglés práctico :

Peso : lb. ton-cortas Longitud : Millas, Pies, Pulgadas Tiempo : Día, Hora, minuto, segundos Velocidad : Milla / hora, Pie/min, pie/seg Volumen : Bls, cu ft, gal, Caudal : gal/ min, BPM, BPH, BPD. Presion: psi Potencia : Hp

Sistema métrico.

Peso : gr., Kg., Ton Longitud : mm, cm, m, Km. Tiempo : Día, Hora, minuto, segundos Velocidad : m / seg. m /hora, Km. /hora Volumen : cc, litro, m3, Caudal : litro/min m3 / min, m3 /hora m3/ dia. Presión: pascal, Kpascal, Potencia : Watts

1.1.5 Historia de la perforación.

No han sido registrados el lugar y el tiempo en el que se perforó el primer pozo. Se

dice que los chinos antes del año 1700 (a.c) perforaron más de 10,000 pozos para la

producción de salmuera a profundidades de más de 1500 pies utilizando el método de

perforación a cable. Todo el equipo era prácticamente de madera y bambú.

El primer pozo que se perforó en América (EEUU) fue en 1806 cerca a Charlestón

para la producción de salmuera utilizando el método de perforación a cable. El movimiento

de percusión era producido por dos o tres hombres que accionaban un balancín.

El primer pozo que se perforó con el objeto de producir petróleo fue en el año 1859

cerca de Titusville, Pensylvania una profundidad de 65 pies bajo la dirección del coronel

Edwin L. Drake. El sistema empleado fue la perforación a cable.

La perforación rotativa fue inicialmente empleado en 1863 por un ingeniero civil

francés de nombre Aescart Leschot. Al principio su aplicación fue en la perforación de pozos

de agua . En EEUU se patentó su empleo a principios de 1866.

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En 1900 dos contratistas de perforación de pozos de agua M.C. and C.E. Baker

trasladaron su equipo de perforación de South Dakota a Corcicana, Texas donde

encontraron uso para la perforación de las rocas suaves de esa área.

En el año 1901 el capitán A.F. Lucas, perforó el primer pozo de petróleo en el campo

Spindletop, Beaumont, Texas empleando el sistema de perforación rotativa. La profundidad

alcanzada fue de 1020 pies con una producción que superaba los 50,000 BPD. A este

descubrimiento se le atribuye el crédito de la iniciación de la industria del petróleo en los

EEUU y la difusión del sistema de perforación rotativa. Asimismo fue el pozo donde se tuvo

el primer reventón. Después de 10 años de este acontecimiento comenzaron a emplearse

los equipos de perforación rotativa en el caribe, Sudamérica, Rumania, Rusia.

En el periodo de 1914-1918 el 90 % de todos los pozos perforados en EEUU fueron

hechos empleándose el sistema de perforación a cable.

El uso exitoso de la perforación rotativa trajo como consecuencia su generalización al

principio de la década de los años 1920.

Evolución de la perforación desde los métodos mas rudimentarios hasta los mas modernos.

Los primeros perforadores chinos utilizaron herramientas de perforación a cable y

prácticamente todo el equipo utilizado: cable, forros y castillo, estaban hechos de madera ,

empleándose extensamente el bambú por su elasticidad. La broca era una herramienta

metálica (300 lbs) y estaba suspendida por un cable de bejuco. La fuerza la proporcionaba

los hombres que corrían y saltaban uno tras otro sobre una plataforma corta amarrada al

castillo subiéndola y dejándola caer alternativamente. ROP : 2 pies por día.

En 1806 cuando se perforó el primer pozo en Charleston se hace modificaciones al

equipo de perforación a cable. El equipo de perforación estuvo formado por una vara larga

de 20 pies de longitud, montada sobre una barra ahorquillada y asegurada al suelo por un

extremo . Atado al otro extremo libre de la vara larga estaba el cable de perforación en cuyo

extremo más bajo se aseguraba la broca de 2 1/2" de diámetro. El movimiento de percusión

era producido por dos o tres hombres que accionaban un estribo asegurado en el extremo

libre de la vara larga.

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Los primeros operadores de estos lentos y laboriosos equipos de perforación a mano

pronto comenzaron a idear medios mecánicos para la aplicación de fuerza, exigidos por el

mayor número y la mayor profundidad a la que tenia que perforarse. Es entonces que la

máquina de vapor comienza a usarse; el balancín reemplaza a la pértiga o vara larga; el

cable de acero sustituye al cable de manila, y se llevan a efecto otras mejoras. Así se fueron

agregando elementos nuevos conforme se impusieron nuevos trabajos, hasta que finalmente

se desarrollo el equipo moderno de perforación a cable que se le denominó " El equipo de

perforación a cable estándar Americano ".

Perforación a Cable. La perforación se realiza por la acción de golpeteo de una broca de

acero a la cual alternativamente se levanta mediante un cable de acero y se la deja caer,

descargando sucesivos golpes al fondo del pozo triturando de esta manera la roca.

Perforación rotativa. Este tipo de perforación se realiza por la acción rotativa de una broca

de acero cortante que está fuertemente enroscada al extremo inferior de una columna de

tubos, cuya longitud se aumenta a medida que se profundiza el hueco, agregando nuevos

tubos al extremo superior de la columna.

Durante la perforación rotativa la desintegración de la roca ocurre a consecuencia de

la influencia simultanea de la carga y el momento torsional sobre la broca. Bajo la acción de

la carga, la broca se introduce en la roca hundiéndola bajo la influencia del momento

torsional. Existen dos métodos de perforación rotativa :

A. Rotores.- Esta forma de perforar incluye básicamente a toda la sarta es decir que

la perforación básicamente necesita de que toda la sarta rote. Para esto es

necesario una gran potencia de motores la que es transmitida de diferente manera

a la sarta.

a. Mesa rotativa. La potencia de los motores es transmitida a través del

malacate hacia el rotor que es un mecanismo giratorio especial instalado en

la boca del pozo en el centro de la torre.

b. Power Swivel. Esta se basa en la energía que tiene los fluidos en

movimiento que al pasar por restricciones en el tope de la sarta de

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perforación hace que se transforme esta energía de flujo en energía

torsional, haciendo de esta manera rotar toda la sarta.

c. Top Drive. Este equipo esta instalado en el gancho del mástil conectado en

el tope de la sarta y consta de motores eléctricos de gran potencia que

actúan directamente en la sarta para hacerla rotar. Su efectividad ha sido

probada en pozos con muchos problemas de atascamientos.

B. Motores de Fondo. Solamente gira la broca por acción de un motor hidráulico

constituido por un rotor y un restrictor utilizando la energía del flujo de fluidos

evitando o minimizando el movimiento de la sarta de perforación.

Los cortes o detritos son levantados del pozo por el fluido de perforación el cual

circula continuamente hacia abajo de la sarta de perforación, pasa a través de los orificios de

la broca y luego hacia arriba por el espacio anular entre la tubería de perforación y el pozo

mismo; en superficie el fluido es separado de los detritos y la parte líquida es nuevamente

bombeada hacia el pozo.

El sistema de perforación rotativa se generalizó a principios de la década de los años

1920 pero el uso de tecnología de perforación ha sido acelerado durante la década de 1970.

Los progresos alcanzados en los diseños mecánicos y en la metalurgia han permitido la

construcción de equipos de perforación sofisticados con los cuales han sido posibles

exceder los 30,000 pies de profundidad; es común que los equipos tengan mas de 3000 HP

en el malacate y motores adecuados; la mayor parte tiene tres bombas de lodo dos de los

cuales tiene mas de 1000 HP cada uno mientras que algunos de estos equipos pesados

usan mecanismos de impulsión directa, muchos otros emplean generadores impulsados por

motores de combustión interna y motores de corriente directa. Con respecto a las cabrias

mástiles torres o castillos , en el año 1930 se empiezan a utilizar el acero para su

fabricación, así como los soportes o sub. estructuras de los mismos.

Es así como el gran desplazamiento de los equipos rotativos hacia la portabilidad fue

en 1932 . Los equipos de perforación costa afuera están diseñados sin excepción para

trabajos sumamente profundos ya que la compra y la operación propiamente dicha es una

parte pequeña del costo total del trabajo sobre el agua. Los equipos móviles de perforación

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costa afuera son los más portátiles de todos los equipos de perforación, son completamente

independientes.

Las barrenas, mechas trépanos o brocas también evolucionaron notablemente.

Inicialmente se usaron con cuchillas que tenían forma de "cola de pescado " por lo que

tomaron tal denominación. Estas barrenas eran eficaces en formaciones blandas, pero se

desgastaban muy rápidamente si se empleaban en una roca más dura. Posteriormente se

modificó reemplazando las cuchillas por tres conos con dientes montados en cojinetes. Los

tres diseños principales de cojinetes en orden ascendente con respecto a su duración en

servicio son: El cojinete de rodillos no sellados, El cojinete de rodillo sellado, El cojinete

Journal.

Las brocas de dientes fresados se usan para perforar formaciones blandas y

medianamente duras. Los trépanos de insertos se emplean generalmente en formaciones

más duras, más abrasivas. La ultimas generación de brocas es conocida como brocas de

cortadores compactos de diamante policristalino (PDC) estas brocas no tienen cono, en

cambio tienen cortadores especiales, empotrados sobre una matriz de acero con

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orientaciones determinadas lo que le permite cortar las formaciones por cizallamiento

utilizando bajo peso sobre la broca ( 10000 a 18000 lbs) y alto rpm (180 a 250 rpm).

El perfeccionamiento de esta nueva generación de brocas generó diversos tipos entre las

cuales podemos mencionar las TSP (Diamantes Policristalinos térmicamente estables, las

PDC de cortadores gigantes o King Cutters Bit, Las broca tipo batidoras o Egg bitter, y las

brocas Anti-vibración o Antiwhirl.

Algunos pozos Históricos

1. Pozo perforado en Titusville Pensylvania en el año 1859 (Pozo Drake), alcanzó una

profundidad de 65 pies. Se utilizó el sistema de perforación a cable.

2. Pozo perforado en el campo de spindletop, Beaumont, Texas en el año 1901 (Pozo

Lucas). Alcanzó una profundidad de 1020'. Se utilizó el método de perforación

rotativa.

3. Pozo perforado en Martha Goffram, Harrison County. Fue el más profundo perforado

con el sistema a cable. Alcanzo 7386 pies.

4. Pozo perforado en Oklahoma en la cuenca Anadarko por la compañía Lone Star

producing Co. Alcanzó una profundidad de 31,441 pies.

5. Pozo perforado en Kola (Unión Soviética). Alcanzó una profundidad de 40,000 pies.

Métodos Experimentales de la Perforación.

Existe continuas investigaciones para obtener nuevos métodos para la perforación de pozos.

Algunos de los procedimientos que han sido probados incluyen :

1. Perforación con Flama ( Flame drilling ).

2. Perforación con arco eléctrico (Electric arc drilling)

3. Perforación con chorros plasma (Plasma jet).

4. Perforación con rayos láser (Laser beam).

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5. Perforación por erosión (Erosion drilling)

La perforación erosiva parecería tener aplicaciones especiales para su uso. Los otros

procedimientos son trabajables, sin embargo el costo de generación de energía los ha hecho

No Económicos cuando se les ha comparado con métodos de uso general.

Sin embargo técnicas especiales como turbinas pozo abajo para rotar la broca, están

siendo empleados satisfactoriamente en la década presente especialmente en la perforación

de pozos horizontales empleando brocas de cortadores compactos de diamante policristalino

(PDC polycristalline diamond compacts cutter).

1.1.6 Algunas Convenciones Para la "Profundidad Cero". Existen tres principales

convenciones para la ubicación de la profundidad Cero en la perforación de un pozo:

a. Cero al nivel del suelo (ground level)

b. Cero en el buje del cuadrante (Kelly Bushing)

c. cero al nivel del mar (Sea level).

2. Generalmente los geólogos y geofísicos recomiendan las locaciones para pozos

exploratorios.

3. Los ingenieros reservoristas aportan para las locaciones de desarrollo.

4. Los ingenieros de perforación hacen los diseños preliminares del pozo y costos

estimados para cada pozo.

5. El grupo legal se asegura los derechos de perforación y producción.

6. Predominantemente la perforación la hace una compañía contratista.

El contrato puede ser de diferente tipo :

a. por pie perforado

b. Por día de utilización del equipo

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c. combinación de "a" y "b"

d. Por pozo terminado.

Una vez que se empieza el pozo la gente que se requiere esta dada por :

a. El contratista .

b. El operador.

c. Compañías de servicios.

d. Especialistas consultores.

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1.2 EQUIPO DE PERFORACIÓN ROTATIVA. Consta de las siguientes partes principales :

1.2.1 Sistema de elevación . Constituido por :

a. Torre, castillo ó mástil.(Derrick, mast)

b. Subestructura (Substruture)

c. Malacate (Drawwork)

Subestructuras Aparejo. (Block and tackle) d. Bloque de corona (Crown block)

e. Bloque viajero y gancho (Traveling block and Hook)

f. Cable de perforación o Guaya (Drilling line)

Aquí aparece los términos "hacer una conexión" (making conection) y "hacer un viaje"

( making a trip ).

1.2.2 Sistema rotatorio convencional . Esta conformado por :

a. La Unión Giratoria (Swible)

b. El cuadrante, vástago, Flecha (kelly)

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c. Buje del cuadrante, buje del vástago (kelly bushing)

d. Mesa rotaria ( Rotary table)

e. Sarta de perforación (Drilling string, drill Stem)

- Tubería de perforación (drill pipe)

- Tubería de perforación extra pesada (Hevy Wate)

- Botellas ó cuellos lastra barrena (Drill collars)

f. Mecha, barrena o Broca ( Bit )

Kelly Bushing Drill pipe

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Brocas

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1.2.3. El sistema de circulación : cuyas partes son las siguientes

a. El fluido de circulación (Drilling fluids)

b. Tanques (tanks)

c. Equipo de limpieza del fluido {fluid cleaning equipment: Shakers) zarandas,

desarenadores (D-sanders), de-sedimentador (D-silters), Centrífugas

(centrifuges }

d. Líneas de flujo (fluid lines)

e. Bombas de lodo. (Mud pumps)

1.2.4. Sistema de control de pozos. Sus partes son:

a. Preventor de reventones (BOPs)

b. Acumuladores ( Accumulators )

c. Estranguladores manuales e hidráulicos (chokes)

d. Separadores (Separators)

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1.2.5. Sistema de energía.

a. Fuente primaria. (Prime mover)

b. Transmisión de energía (trasmitions)

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1.2.6. Sistema auxiliar son :

a. Equipo de almacenamiento.(Warehouses)

b. Generadores de electricidad (Generators)

c. Compresoras de aire (Compressors )

d. Equipo para manipuleo de cargas en superficie. (winches)

1.2.7. Personal en el equipo. : Supervisor o Líder y Lodero o mud engineer

Jefe de equipo o Tool pusher

Jefe de turno o Tour pusher

Perforador o Driller.


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2.0 SISTEMA DE ELEVACION. La función del equipo de elevación es meter o sacar los implementos necesarios del agujero

tan rápido, seguro y económicamente como sea posible.

2.1. CABRIAS , MASTILES TORRES, CASTILLOS Y SUBSTRUCTURA.

2.1 MASTILES. Es una estructura que proporciona el espacio libre vertical necesario

para levantar y bajar la sarta de perforación dentro y fuera del pozo durante las operaciones

en el pozo. Debe ser de suficiente altura y resistencia para ejecutar estos servicios de una

manera segura y eficiente.

2.2.1 Partes de un Castillo o cabria convencional:

a. Poste grúa o Superior. (Gin pole). Usado para subir a su lugar el caballete porta

poleas.

b. Plataforma superior.(water table). Lugar seguro para trabajar alrededor del caballete

porta poleas

c. Caballete porta poleas o bloque de corona.(Crown block) Sostiene toda las poleas.

d. Plataforma de trabajo. (Working plataform) Colocada a una altura apropiada donde

trabaja el engrampador.

e. Piernas. (Legs).Elementos estructurales sujetos a fuerzas de compresión, hay 4

piernas, es continuo y se extiende desde la base del castillo hasta la corona o remate

superior.

f. Travesaños. (girts).Partes estructurales horizontales que unen las piernas del castillo

sujetos a esfuerzos de compresión.

g. Contravientos o Puntales. (Braces).Utilizados para fortalecer el castillo y darle más

resistencia de tensión. Son diagonales.

h. Escaleras. (Ladders). Medio de acceso a las parte superiores del castillo.


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2.1.2 TIPOS DE CASTILLOS.

Equipo de Perforacion Rotaria

TierraMarino

Con Apoyo Flotantes Convencional Movil

Semisumergible Barco Tipo Navaja Mastil Portatil

Plataforma Barcaza Jackup

Auto abastecido Atendido


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Equipos de tierra

Equipos Marinos

2.1.3 Algunas Especificaciones API para los castillos.

Se inicia en 1922 apareciendo las primeras especificaciones en 1942 donde se considera las

siguientes :

- La distancia entre los travesaños debe ser 7 pies de longitud.

- El travesaño correspondiente a la ventana debe ser más alto que los otros tres que

están a la misma altura.


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- La mínima velocidad de viento permisible es 54 mph lo cual corresponde a una carga

de 11.67 psi para castillos de 136 pies y más bajos. La mínima velocidad de viento

permisible es 75 mph la cual corresponde a una carga de 22.5 psi para castillos más

altos.

- Capacidad API de carga de la torre es igual a la suma de las cargas de las piernas del

castillo considerados aisladamente en su sección más débil por coeficiente de

seguridad. Para el API es 2.

Las especificaciones incluyen estipulaciones del material que se utilizan,

características de diseño, cargas y esfuerzos permitidos. Si bien estos valores no son

absolutos cubren rangos en los cuales los equipos tendrán un mínimo de eficiencia.

Materiales. Toman en cuenta las siguientes características :

a. Formas Planchas y barras (Shapes, plates and bars) deben estar de acuerdo al

ASTM o API, en su defecto deben estar garantizados por los fabricantes de acero. Las formas estructurales deben tener un esfuerzo de cedencia mínima

de 33000 psi o si son tubos de acero el esfuerzo mínimo de cedencia debe ser

de 35,000 psi.

b. Acero fundido. deben también cumplir ciertas especificaciones del ASTM y/o el

API.

c. Pernos y pines. También tienen que cumplir ciertas especificaciones ASTM. se

toma en cuenta su contenido de carbón y su roscado

Tamaño del castillo y dimensiones generales. ( STD 4A ).

El tamaño de las torres también están enmarcadas en el API las que son de utilidad

para la determinación de la capacidad del equipo que se instalará como de la capacidad de

apilamiento de la tubería en el castillo.


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Nomenclatura de los castillos :

A = Altura longitudinal que hay desde el fondo de la base hasta la parte

inferior de la viga que soporta la corona.

B = Distancia que hay entre las puntas de dos patas adyacentes.

C = La abertura de la ventana en el claro y paralelo a la línea central de un

lado del castillo desde la base.

D = La dimensión de uno de los lados de la plataforma superior o Water

table.

E = La luz entre la parte superior horizontal del “gin Pole” y el tope de la viga

de soporte de la corona.

1

2

3

4

5

N� de tamaño del castillo

Altura A pies inch

Base cuadrada nominal B pies inch

Base de Porta poleas de la corona D pies inch

Luz del porta polea E feet inch

10 11 12 16 18 18A 19 20 25

80 0 87 0 94 0 122 0 136 0 136 0 140 0 147 0 189 0

20 0 20 0 24 0 24 0 26 0 30 0 30 0 30 0 37 6

5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 5 6 7 6 6 6 7 6

8 0 8 0 8 0 8 0 12 0 12 0 17 0 17 0 17 0

Tolerancias : A : ± 6 inch B : ± 5 in c : ± 2 in.

La altura del castillo puede estar en función del numero de tubos por stand o por el

uso de algún equipo adicional tal como el

La mínima unidad de carga que debe soportar los castillos de 80, 87, 94 122, 136, ft

con tubería parada es 11.76 lbs/Ft² (54 mph ).


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La mínima unidad de carga que deben soportar los castillos de 140, 147 y 189 es 22.5

lbs/ft² con tubería parada y 52.9 sin tubería parada (75, 115 mph ).

De acuerdo a la altura del castillo los viajes o trips pueden ser - por el número de

tubos por vez por tramo :

1 tubo --------> singles stand (parada o pareja)

2 tubos --------> double stand (parada o pareja)

3 tubos --------> thribble stand (parada)

4 tubos --------> fourble stand (parada).

La altura del Castillo puede estar en función del número de tubos por stand por el uso de

equipos especiales como es el "Top drive" que no necesita Kelly ni mesa rotaria.

2.1.4 Criterios para el Diseño. Estas se determinan por las necesidades de la zona de

trabajo a la cual se le asignará al equipo.

Consideraciones que se deben tomar en el diseño del castillo :

1. El castillo debe diseñarse para soportar con seguridad todas las cargas que se

vayan a usar en los pozos sobre los cuales se instale . Esto es la resistencia al

colapso usado para cargas verticales. La carga muerta más grande que

soporta un castillo es la tubería de revestimiento más pesada y más larga que

se baje al pozo.

2. Considerar la carga máxima vertical que se le imponga como resultado de jalar

la tubería de perforación o revestimiento que se haya atascado en el pozo. Se

debe diseñar el castillo para soportar cargas que excedan la capacidad del

cable que se usará en el castillo o asignar un factor de seguridad por cargas de

impacto y condiciones no usuales de carga.


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3. El castillo debe diseñarse para soportar el empuje máximo del viento al cual

estará expuesto. No solamente deberá diseñarse para resistir las fuerzas del

viento que actuarán en dos lados al mismo tiempo, sino que también deberá

considerarse el hecho de que la tubería este fuera del pozo y apilado en la

torre durante periodos de vientos fuertes.

Algunos Factores que determinan la selección de los castillos.

Los castillos portátiles virtualmente han reemplazado a los tipos convencionales sobre

la base del ahorro resultante del tiempo empleado en el armado y desarmado así

como también al menor costo de transporte. Algunos de los factores que determinan

el tipo de Cabria o castillo pueden ser los siguientes :

1. Su situación. Conocimiento del lugar y disponibilidad de espacio

determinará donde va ha ser instalado en plataforma de mar o tierra.

2. Profundidad del Pozo. Este factor dictará los requerimientos de

capacidad y altura del castillo.

3. Dureza del terreno. Áreas duras profundas donde el ahorro de tiempo

en los viajes dentro del pozo cuando se utiliza un castillo alto puede ser

mayor que el costo de su movimiento.

4. Altura del Castillo. Esta regida por la frecuencia de los viajes de la

tubería de perforar dentro del pozo y el ahorro relativo de sacarlo en

barras de dos tres o cuatro tubos.

5. Cargas de compresión o colapso. Normalmente se refiere a la carga

de la tubería de revestimiento.

6. Carga o empuje del viento. La velocidad máxima del viento que se

espera en el área donde va a ser empleado.


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2.1.5 Análisis de cargas en el sistema de elevación. La función del equipo de elevación

es meter o sacar los implementos necesarios del agujero tan rápido, seguro y económico

como sea posible.

El sistema de elevación propiamente dicho esta compuesto por :

a. Cabria, mástil Torre o castillo. (Derrick) proporciona una estructura para

retirar o insertar el equipo de trabajo dentro del agujero y también para colocar

las herramientas de producción en el hueco.

b. El malacate. (Drawwork) centro de control de fuerzas del equipo. El principal

componente es el tambor de elevación en el cual se devana el cable de

perforación.


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2.1.5.1. Aparejos.

(Block and Tackle) Esta conformado por los siguientes elementos:

1. La corona, caballete porta poleas o crown block.

2. Bloque viajero ó traveling block

3. Cable de perforación (guaya) ó drilling line.

Bloque de corona Cable de perforación

Bloque Viajero y GAncho


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2.1.5.1.1 ANÁLISIS DE FUERZAS EN EL SISTEMA DE APAREJO. Funciones principales del sistema de aparejo :

a. La principal función es bajar y retirar la sarta de perforación del

agujero.(making a trip)

b. Bajar gradualmente la columna de perforación en el agujero a medida que se

profundiza la perforación.(making a connection)

c. Manipuleo de cargas o pesos grandes tales como la sarta de revestimiento o

casing (ventaja o rendimiento mecánico)

d. Colocar el equipo de perforación centrado sobre el pozo.

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 revestimiento u otros equipos.

La principal función del sistema de aparejo es proporcionar una ventaja mecánica en el

manipuleo de grandes cargas disminuyendo tanto el momento de torsión en el malacate

como las cargas que se aplican al castillo o torre.

2.1.5.1.2 Tipos de arreglos Tipo "A" : Consta de una sola polea en la corona por donde pasa el cable directamente del

malacate a la carga "W".

Fd = W + W

= 2W

Fd = Esfuerzo de compresión que soporta el

castillo.

El movimiento del cable es igual al movimiento de la carga.

W W

TIPO A


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Tipo "B" : Consta de por lo menos dos poleas en la corona y una polea en el motón

viajero. Un extremo del cable va a anclarse a una pata del castillo y la otra es

jalada por el malacate. Esto crea la terminología "Líneas hacia arriba" que son

todas las líneas que están entre poleas; y "líneas hacia abajo" que es el

numero total de líneas.

Líneas hacia arriba < Líneas hacia abajo

Numero Poleas Corona = Numero Poleas Bloque +1

El movimiento del cable es mayor que el movimiento

de la carga L = n*Lw

L = Longitud del cable

Lw = Longitud del movimiento de la carga

n = numero de líneas

W

Fd = W + 2 ----- 2

Fd = 2 W

En este caso especifico sólo tenemos ventaja

mecánica pero no disminuimos la cargas al castillo.

Se deduce que para disminuir las cargas al castillo

se debe tener por lo menos dos poleas en el bloque

viajero y tres en la corona.

W Fd = W + 2* -----

4

Fd = 1.5 W

W

W / 2 W / 2

TIPO B

W

W / 2 W / 2

TIPO B

W / 4W / 4

W


29


Tipo "C" : En este caso tenemos mínimo dos poleas en la corona y uno en

el motón viajero y un extremo esta anclado en el mismo motón

viajero y el otro es jalado por el malacate.

W

Fd = W + ----- 5

Fd = 1.2 W

Se considera el Tipo B como el sistema más práctico por lo siguiente:

a. Permite el trabajo sin interferencia del cable

b. Permite una alimentación continua de cable arroyado en un tambor

c. Permite una mejor evaluación del rendimiento del cable por lo tanto un trabajo mas

eficiente, mas económico y mas seguro de este.

Ventajas del sistema de aparejo :

a. Los caballos de fuerza necesarios pueden ser menos por que se reduce la

velocidad de hacer el trabajo ya que la potencia es función de la velocidad de

levantamiento.

b. Los requerimientos de momento de torsión de la maquinaria serán mucho

menores dependiendo del número y del arreglo de cables en el sistema de

aparejo de poleas.

El número de poleas y el arreglo del cable de perforación a través de ellos se

considera importante dependiendo de las cargas a manejar. Un fenómeno del sistema de

W / 5

W

W / 5


30


aparejo de poleas es que la carga real en la estructura que la soporta -en este caso el

castillo- puede ser considerablemente mayor que el peso real levantado.

Para una velocidad escogida de elevación, los caballos de fuerza requeridos para

sacar la tubería de perforación del agujero será máxima a la profundidad del pozo y mínima

en la superficie cuando apenas se ha iniciado la perforación. Los caballos de fuerza

requeridos para sacar la tubería de perforación del agujero se llaman a veces caballos de

fuerza al gancho por que los cálculos de potencia se hacen determinando el peso en el

gancho multiplicado por la velocidad de elevación del mismo.

Conclusiones :

a. Las cargas reales ejercidas sobre la torre pueden ser mucho mayores que la

carga a levantar.

b. A medida que aumenta el número de poleas en el sistema de aparejo se

disminuye la carga real en la torre.

c. Fijar la línea muerta sobre la polea viajera en vez de hacerlo a una pata del

castillo reduce la carga en el castillo.

2.1.5.1.3 Rendimiento mecánico del sistema de aparejo (M) También denominado "Ventaja Mecánica" y que se define como la relación existente entre la

carga soportada por el motón viajero y la carga tensión o fuerza requerida en la línea del

malacate para levantar dicha carga :

W

M = ------ Ff W = carga que soporta el bloque

Ff = Fuerza que se impone al malacate que es la tensión en la línea rápida.


31


La ventaja mecánica ideal (Mi) asume que no hay fricción por lo tanto se cumple que :

W = n * Ff

n = número de líneas en el motón viajero

Ff = tensión en la línea rápida

W = n x Fs Fs = tensión en la línea muerta

Despejando Ff y reemplazando en la ecuación anterior tenemos :

De esto se deduce que la cantidad de “M” rendimiento ó ventaja mecánica dependerá del

número de cables “n” que soporta la carga, es decir cuanto mayor sea el número de

poleas mayor será el rendimiento o ventaja mecánica del sistema.

W M = ------------- = n W/n

La carga en el cable de perforación disminuye a medida que el número de poleas

aumenta en el caballete porta poleas y el motón viajero. Esto es muy importante para

diseñar y adquirir 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 más

larga para alzar la carga con el motón viajero a una distancia dada.

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 la tubería de perforación, tubería de revestimiento y otros

equipos.

Trabajo = fuerza x distancia W = F x d

trabajo F x d Potencia = ------------ P = --------

Tiempo T


32


d

Pero : V = --- ==> Potencia = F x V T

Potencia en HP , F en lbs y V en pie/min ==>

F x V F x V HP = --------- ó HP = --------- si V en pie/seg

33000 550 Ejemplo : Se desea mover una carga de 136,200 Kg 0.3 m. en 1 seg .

W = F x d

= 136,000 x 0.3 =

W = 40,860 kg-m

Caso A: una sola línea hacia arriba. W 40,860 kg-m 40,860 kg-m/seg P = ------ = ------------------ = --------------------------- T 1 seg 76.04 kg-m/seg ------------ hp P = 537.4 hp Caso B: Dos líneas hacia arriba. 0.3 x 2 = 0.6 (Longitud que recorre la línea rápida). W 40,860 F = ----- = ---------- = F = 68,100

d 0.6

m 1 P = 68,100 x 0.6 ----- x ---------

seg 76.04

P = 537 hp.


33


Entonces la energía gastada o el trabajo ejecutado NO CAMBIA.

Lo que se hace es reducir la fuerza o momento de torsión.

La potencia de entrada (Pi) al sistema de izamiento esta dado en el malacate :

Pi = Ff x Vf Vf = velocidad de la línea rápida.

La potencia de salida (Pg) está dada por la potencia útil en el gancho:

Ph = Pg = W x Vg Vg = velocidad del motón viajero

Desde que el movimiento en la línea rápida tiende a acortar cada línea entre el bloque

y la corona por (1/n) veces entonces :

Vf Vg = ---- ==> Vf = n x Vg n Entonces la eficiencia mecánica (e) está dado por : Potencia de salida ó usada por el gancho (Pg)

e = -------------------------------------------------------------------------- Potencia de entrada ó entregada por el malacate(Pi).

Pg W x Vg e = ---- = ----------- Pi Ff x Vf

Vf si el sistema es ideal ==> W = n x Ff y Vg = ---

n

n x Ff x Vf/n e = ------------------- = 1

Ff x Vf


34


Si el sistema no es ideal es decir consideramos la eficiencia entonces: Ff > Fs

Pg W x Vg W x Vf/n W e = ----- = ------------ = --------------- = ----------

Pi Ff x Vf Ff x Vf Ff x n W Ff = ------------ e x n Esta fórmula puede usarse para seleccionar el tamaño del cable, pero es mejor usar además

un factor de seguridad para cubrir los riesgos por desgaste y condiciones de impacto.

Para determinar la eficiencia del sistema de aparejo aplicamos la siguiente fórmula : ( kn - 1) e = ---------------- ks n (k - 1)

n = número de líneas que soportan la carga (líneas hacia arriba)

s = número de poleas móviles o que giran.

k = 1.09 Para poleas con rodajes tipo chumaceras

k = 1.04 Para poleas con rodajes de bolillas.

2.6 CARGAS QUE SOPORTAN LOS CASTILLOS, CAPACIDAD Y FACTOR DE EFICIENCIA.

Las cargas que soportan los castillos son de dos tipos :

a. Cargas compresivas.

b. Cargas del viento.


35


2.1.5.2.1.1 Cargas compresivas. (CARGA REAL O TOTAL SOBRE EL CASTLLO : Fd)

Corresponde a la carga máxima que soporta un castillo cuando se baja la tubería de

revestimiento al pozo o el esfuerzo vertical severo debido a las operaciones de pesca.

La carga total compresiva sobre el castillo (Fd) es mayor que el expuesto al block y el

gancho, esta dado por la relación :

Fd = W + Ff + Fs

Si tenemos un sistema ideal ==> Ff = Fs

W W ==> Fd = W + --- + ---

n n

(n+2) Fd = ------- x W ( ideal )

n

Si la carga "W" esta siendo jalada con la línea rápida, la fricción en las poleas están

resistiendo el movimiento de la línea rápida , luego la tensión en la línea se incrementa de

W/n en la primera polea a W/(e*n) en la última polea. Luego tenemos:

W W 1 + e + en

Fd = W + --- + --- = ---------------- x W

en n en

1 + e + en Fd = ---------------- x W ( con fricción )

en

donde : Fd = Carga compresiva real ó total sobre el castillo.

n = Número de líneas a través de la polea viajera.

Líneas hacia arriba que Sostienen la carga W.

W = Carga en el gancho.

e = eficiencia del sistema de aparejo.


36


De aquí se deduce que la carga sobre el castillo es siempre mayor que la carga sobre

el gancho por el factor (n+2)/n cuando es ideal y {(1 + e + en )/en} con fricción , debido a las

dos líneas adicionales ( malacate y ancla ) que ejercen tracciones adicionales hacia abajo.

2.1.5.2.1.2. Distribución de cargas en el castillo

La carga total en el castillo no esta distribuido igualmente en las cuatro patas ya que

el malacate esta situado en un lado de la mesa, la tensión esta distribuido en dos de

las cuatro patas. La línea muerta también afecta solo a la pata a la cual esta anclada.

┌─────────────────────┐ │A ▄ B │ │ │ │ ▄ ▄ ▄ ▄ │ ▄ ▄ ▄ ▄ │ │ │ │ │ │ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ ▄ │ │D └──────────┘ C │ └─────────────────────┘

Para este arreglo las patas "C" y "D" se dividen la carga impuesta en la línea rápida y

la pata "A" soportará la carga de la línea muerta. La distribución de las cargas en el castillo

se halla con el siguiente cuadro :

Carga en cada pata __________________________________________

Fuente de la Carga carga Total A B C D ___________ _______ ____ ____ ____ ____ Carga Gancho W W/4 W/4 W/4 W/4 Línea Rápida W/en W/2en W/2en Línea Muerta W/n W/n _________________________________________________________________ (n + 4) en + 2 en + 2 ---------xW W/4 ----------x W ----------x W

4n 4en 4en


37


De este cuadro podemos definir los siguientes conceptos :

CARGA MAXIMA EQUIVALENTE DEL CASTILLO (Fde) : conocido también como

capacidad nominal bruta (CNB) y se define como la carga supuesta que debe soportar el

castillo si todas las patas soportaran la misma carga máxima que se calcula, al hacer una

distribución de esfuerzos en el castillo. Matemáticamente es cuatro veces la carga máxima aplicada a una pata. en el caso que estamos viendo sería a la pata "A".

(n + 4 )

Fde = 4 x --------- x W 4n (n + 4 )

Fde = ----------- x W n

Se toma la pata que soporta el mayor esfuerzo ya que esta es la que tiene

mayores probabilidades de fallar y si una pata falla entonces todo el castillo falla.

2.1.5.2.1.3. FACTOR DE EFICIENCIA DEL CASTILLO ( Ed ):

Es la relación entre la carga real o total del castillo y la carga máxima equivalente.

Carga real Ed = ------------------------------------ Carga Máxima equivalente.


38


Para el caso anterior en el que tenemos la línea muerta anclada en la forma más eficiente tenemos :

1 + e + en --------------- x W en Ed = -------------------------------------

(n + 4) ---------- x W n 1 + e + en Ed = ---------------- ( n + 4 )e


39


2.6.1.1 EFECTO DEL EMPUJE HIDROSTATICO EN LAS CARGAS.

El principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido parcial o

totalmente en un líquido recibe una fuerza vertical de abajo hacia arriba denominado

"empuje hidrostático cuyo valor es igual al peso del líquido desalojado

Wh = Wa * BF

donde Wh = peso neto de la carga en el líquido (sarta de perforación

sumergido en el lodo)

Wa = Peso de la carga en el aire (sarta de perforación en el aire)

BF = Factor de flotabilidad (Buoyancy factor)

DEMOSTRACIÓN :

Las fuerzas horizontales se anulan por ser

iguales y de sentido contrario. El empuje viene

a ser la resultante de Fs y F1.

En la parte superior :

P1 = h1 x ρL => Fs = P1 x A

= h1 x ρL x A...(1)

En la parte inferior :

P2 = h2 x ρL => Fi = P2 x A

= h2 x ρL* A...(2)

El empuje será (2)-(1)

E = Fi - Fs = (h2 - h1) x ρL x A .......(3)

como (h2-h1) = h ------> Vc= A x h ....(4)

h1 h2

h

ρ

Fg

F1


40


(4) en (3) -------------> E = ρL x h x A = ρL x Vc

E = ρL * Vc

WLd como ρL = --------- = WLd = ρL x VLd

VLd pero VLd = Vc ==> E = WLd L.q.q.d. 2.1.5.2.1.5. Cargas del viento. El viento ejerce presión sobre dos caras del tronco de pirámide que constituye la torre

de perforación, es decir la superficie exterior de un lado del castillo o la superficie

interior del lado opuesto. La fuerza horizontal ejercida por el viento sobre el castillo y la

tubería de perforación se equilibra con el diseño piramidal del castillo anclando los pies

derechos de la torre a sus cimientos y usando tirantes o retenes en cada uno de los

pies derechos del castillo. Las cargas del viento se calculan por la fórmula que sigue :

P = 0.004 * V²

donde : V = velocidad del viento mph.

P = carga del viento lbs/ft²

La mínima unidad de carga que debe soportar los castillos de 80, 87, 94, 122,

136, ft con tubería parada es 11.76 lbs/Ft² (54 mph).

La mínima unidad de carga que deben soportar los castillos de 140, 147 y 189

es 22.5 lbs/ft² con tubería parada y 52.9 sin tubería parada (75, 115 MPH ).


41


Carga diagonal del viento. Para considerar la contingencia de una carga del

viento diagonal, la pata unida y anclada debe diseñarse para resistir cargas 1.414

veces las fuerzas calculadas cuando el viento es perpendicular a un lado.

Componente horizontal del peso de la tubería parada.

αααα

Punto de aplicación de la carga de tubería parada. La carga del viento en la

tubería parada y el componente horizontal del peso de la tubería deben asumirse que

es aplicado normal a los dedos de la plataforma ( y a la plataforma intermedia o "belly

board" para torres de 189 ft ). La distancia desde el lado adyacente del castillo al punto

de aplicación de estas cargas será :

altura del Punto de distancia al

Castillo Aplicación Lado adyacente

Ft pulg.

136 y menos Dedos de la plataforma 36

140 & 147 dedos de la plataforma 48

189 dedos de la plataforma 48

189 Plataforma intermedia 72

V

H


42


El área de carga del viento de la tubería parada está basada en la suposición de

una determinada altura de los stands o paradas, número de stands y arreglo de los

stands.

Cargas del viento de la tubería Parada. Las cargas del viento en la tubería

parada en el punto de origen esta basado en el área de la tubería parada multiplicado

por una unidad mínima especificada de carga del viento.

W1 = W sen α

W sen α

α

La componente del peso W1 que actúa sobre la repisa es la que se toma en cuenta

La carga del viento W2 es aquella que ejerce el viento cuando la tubería esta apilada

en el castillo y cuya resultante se encuentra en el centro o punto medio.

Fuerza del viento

Drill pipe


43


Σ MA = 0

Rcc Rcc x b - (W1 x a + W2 x a ) = 0

b W1 Rcc x b = (W1 + W2) a

W2

a a Rcc = (W1 + W2) x ------ b

Esto es la resultante de las cargas combinadas del viento y cuando la

tubería esta parada

Ejemplo :

Altura del Castillo o Cabría = 136 ft

Dimensiones 5' 8" ancho y 90' altura.

( 5 + 8/12)x90 = 510 ft².

Como vimos anteriormente la mínima unidad de carga del viento para 80, 87, 94, 122, y

136, para tubería parada es de 11.76 psf.

By Oscar Cortegana


44


Luego :

510 ft²x 11.76psf = 6000 lbs.

Componente horizontal del peso de la tubería parada. Está basado en el número total

de pies de drill pipe parado, el peso unitario, y un ángulo de inclinación de 2½ grados. El

peso se asume que actúa en el centro de gravedad de la tubería parada a una altura encima

del piso igual a la mitad de la longitud del stand medida paralela a la inclinación.

El peso de la tubería es el peso nominal incluyendo el peso de las conexiones.

Ejemplo:

Castillo de 136 ft

8900 pies de tubería de perforar de 5"

El componente horizontal en el punto de origen en libras igual al número de pies de drill pipe

parado multiplicado por su peso por pie ( 22.5 ) y por el seno de 2½�.

8900ft x 22.5 lbs/pie x sen 2.5 = 8735 lbs.

Resultante de las cargas combinadas.

Está basada en las cargas en el punto de origen trasladada al punto opuesto de soporte en

el castillo.

Ejemplo :

Castillo de 136 ft y drill pipe de 5".

Wf = Resultante de las cargas combinadas en los dedos de la plataforma del componente

horizontal del peso de la tubería y la carga del viento en la tubería parada. Aplicando

momentos de una fuerza tenemos :

By Oscar Cortegana


45


= (W1 + W2) a/b

= (8735 + 6000) 45/83

= 7989 lbs.

W1 = Componente horizontal del peso muerto de la tubería en el punto de origen.

W2 = Carga del viento en la tubería parada en el punto de origen.

a = La mitad de la longitud de la tubería parada

b = Altura de los dedos de la plataforma desde la mesa de trabajo

SUBESTRUCTURA.

Es el soporte sobre el cual descansa el castillo. Esta debe tener suficiente resistencia para

soportar las cargas anticipadas con factores de seguridad adecuados.

Su altura debe ser lo suficiente como para instalar y facilitar el acceso de los preventores de

reventones ( BOPs : Blow Out preventers stack).

El API ha adoptado tres tipos de subestructura, sin embargo existen numerosos diseños

particulares. El tipo de las subestructuras está gobernado frecuentemente por las

condiciones del suelo en el área de su aplicación.

Para las estructuras atirantadas ó envigadas (4 puntos de soporte) las esquinas de las

columnas deben ser diseñadas para las dos condiciones de carga siguiente :

a. Carga del castillo y peso de la tubería de perforación, actuando simultáneamente.

b. Peso de la tubería de revestimiento y peso de la tubería de perforación parada y

actuando simultáneamente.

perforacion

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