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tecnología y desarrollo para la perforación de pozos de petróleo

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Indice
1. Introducción
2. Desarrollo
3. Investigaciones teóricas sobre las composiciones inferiores de perforación.
4. Diseño de dispositivos para la perforación inclinada en ramilletes.
5. Perfeccionamiento de la tecnología para la perforación de los pozos inclinados - dirigidos en cuba.
6. Conclusiones y recomendaciones
7. Bibliografía

1. Introducción

Cuba produce petróleo desde hace muchos años de un puñado de campos costadentro situados sobre la costa norte. De estos, el país extrae alrededor de 20000 b/d, a tiempo que su demanda interna es de 228000 b/d. En la isla se han perforado mas de 1800 pozos y se han descubierto 22 yacimientos de petróleo de los cuales muchos están actualmente en producción. El problema principal para localizar reservas producibles ha sido, hasta ahora, la complejidad de la Geología Cubana, que se divide en dos provincias: La mayormente sedimentaria del norte y la del sur, que forma parte de la placa continental del caribe. El potencial hidrocarburífero de Cuba es muy atractivo, afirmó recientemente un vocero de Cupet, aun así solo el 5% del territorio prospectivo se ha explorado adecuadamente [130].

Prueba que en Cuba si pueden existir sustanciales reservas son los yacimientos Varadero y Boca de Jaruco - Vía Blanca. Varadero descubierto desde hace varios años, está situado dentro de los confines de la famosa playa turística localizada al oriente de la Habana. El campo tiene reservas "in situ" de mas de 1100 millones de barriles, si bien adolece de un problema: Los horizontes más grandes son de petróleo extrapesado, difícil de producirlo. El campo tiene varios reservorios petrolíferos, seis de la parte norte, todos de la formación Placetas y uno en la porción sur. La explotación de estos yacimientos, por su proximidad al mar se realiza con pozos direccionales. El campo de Boca Jaruco - Vía Blanca tiene reservas "in situ" de 1023 millones de barriles de petróleo en 11 horizontes de la formación Placetas [130].

Las investigaciones relacionadas con la perforación y extracción de petróleo comenzaron en 1982 por el Centro de Investigaciones Geológicas (C.I.G). Con el Problema Principal Estatal (P.P.E-034). "Extracción y Refinación de Crudos Nacionales". El tema 034-07 "Perforación de pozos inclinados-dirigídos (perforación direccional) formaba parte del Problema Principal Estatal anteriormente mencionado". En este trabajo por primera vez se realizó un análisis de las composiciones utilizadas en la perforación de los pozos inclinados en la zona petrolífera central.

A medida que se desarrolla la prospección geológica, la perforación en zonas costeras y plataforma insular, se hace necesario un aumento en la perforación de pozos direccionales para lograr la extracción de petróleo de los yacimientos ubicados en estas zonas. Con el descubrimiento de los yacimientos de Boca de Jaruco y Varadero, surge en Cuba la necesidad de perforar pozos direccionales de grandes desplazamientos para investigar y descubrir las posibilidades gasopetrolíferas de las zonas marinas de estos yacimientos así como, para la red de explotación de los mismos.

Por todo lo expuesto con anterioridad, es de gran actualidad la necesidad de mejorar los indicadores técnico-económicos de la perforación, fundamentalmente lograr mayores velocidades comerciales, ya que los yacimientos mencionados con anterioridad comienzan la fase de explotación, por lo que crecerá de forma considerable la necesidad de la perforación direccional en estas zonas gasopetrolíferas.

Identificación del problema.

Durante la perforación de estos pozos se han estado confrontando problemas tanto técnicos como tecnológicos que ocasionan grandes pérdidas de tiempo, considerables afectaciones económicas y materiales a la economía del país.

Los problemas que se presentan en el proceso de perforación de los pozos inclinados están relacionados directamente con los siguientes factores:

  • La calidad del perfil proyecto.
  • Las composiciones inferiores de la columna mecánica de perforación utilizados en la perforación del intervalo de aumento, estabilización y caída del ángulo.
  • Los dispositivos utilizados para el control de la trayectoria espacial del pozo.

El uso de varios dispositivos orientadores en las composiciones mecánicas ocasiona grandes pérdidas de tiempo en maniobras de la herramienta, envejece la cámara del pozo por lo que aumenta considerablemente las posibilidades de averías al surgir canales en las paredes del mismo.

  • Averías en el proceso de perforación que ocasionan la pérdida de millones de pesos al país anualmente.
  • El control técnico exacto sobre la posición espacial del pozo en el proceso de perforación.

2. Desarrollo

Fundamentaron de la investigación; reseña bibliográfica sobre el tema
Breve reseña histórica de la perforación inclinada.
La perforación de pozos de petróleo inclinados-dirigídos comenzó en el país a finales de la década del 70, con el descubrimiento de campos gasopetrolíferos en zonas costeras y turísticas donde se perforaron pozos de poco desplazamiento de la vertical. En los últimos años se ha incrementado la perforación de estos pozos para explotar las reservas de petróleo y gas de la plataforma insular. En la actualidad se comienza la perforación de pozos inclinados - dirigidos desde plataformas marinas como la que se instala en la Bahía de Cárdenas o de isletas artificiales construidas especialmente para la perforación de estos pozos.

Es un objetivo de del presente trabajo la realización de un análisis de la perforación de los pozos inclinados - dirigidos perforados en Cuba en los últimos veinte años. Por un problema de seguridad la referencia a estos pozos se realizará no por sus números reales en la producción, sino por letras del abecedario.

Perfil espacial proyecto de los pozos.
En la experiencia cubana no existe coincidencia entre el perfil real obtenido con las composiciones inferiores utilizadas en la perforación de los pozos inclinados y el perfil proyecto de estos. La selección del perfil y las condiciones para su utilización frecuentemente se seleccionan subjetivamente, sin la suficiente base científica.

La información que surge en el proceso de perforación se analiza en la actualidad manualmente, esto impide que pueda ser analizada la información de varios pozos a la vez y disminuye la exactitud en los cálculos, aumentando la posibilidad de toma de decisiones erróneas que implican graves averías en el proceso de perforación.

Un problema actual en la perforación de los pozos inclinados - dirigidos es la correcta selección y cálculo del perfil para lograr una coincidencia total o aproximada del perfil proyecto y el real obtenido en la práctica en el proceso de desvío del pozo. En este proceso influyen muchos factores como son: régimen de perforación; desgaste de los componentes de la composición inferior; variación natural del acimut, el ángulo y otros.

En el trabajo del autor [153] se introdujo la metodología de cálculo del prof. Gulizadé de forma automatizada, se logró mayor exactitud teniendo en cuenta la influencia del ángulo de inclinación de las rocas con respecto a la cámara del pozo.

La literatura consultada indica que en él cálculo del perfil proyecto debe tenerse en cuenta diferentes factores que están en dependencia de las condiciones geológicas, técnicas y tecnológicas de cada zona gasopetrolíferas[38,143], por lo que es necesario realizar estudios con mayor profundidad para lograr una adecuada correspondencia entre el perfil real y el proyecto, sobre todo en la perforación de ramilletes de pozos inclinados - dirigidos.

Perforación del intervalo vertical.
Construcción del pozo.
La perforación del intervalo vertical se realiza a diferentes profundidades en dependencia de las zonas gasopetrolíferas. En la zona central la profundidad del intervalo vertical oscila entre 350 y 800 m y en las zonas occidentales en los últimos años se ha reducido la profundidad de este intervalo para lograr mayor desplazamiento de la vertical.

El intervalo vertical es perforado con barrenas de diferentes diámetros como son: Barrena diámetro 495 mm y 445 mm principalmente. En el encamisado del intervalo vertical se utilizan camisas conductoras o tranque de agua de diámetro 351 mm y 325 mm con mayor frecuencia.

Composiciones empleadas en la perforación del intervalo vertical.
En el trabajo [40, 110] se demuestra que al actuar la barrena sobre la formación del caño del pozo, al existir diferentes durezas, surge una fuerza de resistencia no igual en magnitud, la cual esta en dependencia de la dureza de las rocas perforadas. Además, sobre la barrena actúa la fuerza resultante de la flexión de la tubería de perforación al utilizarse composiciones poco rígidas.

La desviación puede ser evitada con el cambio de dimensiones de la composición inferior la cual tiene gran influencia en la velocidad y calidad de la perforación de este intervalo. Las composiciones para perforar este intervalo por el método de perforación a rotaria en las áreas petrolíferas tradicionalmente están compuestas por diferentes elementos geométricos que son variados constantemente.

Como se puede apreciar para lograr una buena verticalidad de este intervalo, es necesario una correcta selección de las diferentes composiciones, los diámetros y distancias de ubicación de los calibradores y centralizadores en correspondencia con las condiciones geológicas de las zonas gasopetrolíferas.

Perforación del intervalo de aumento del ángulo.
En la perforación de los pozos inclinados - dirigidos, la perforación del intervalo de aumento de ángulo es una de las operaciones principales, de la cual depende el éxito de la perforación del pozo hasta la profundidad y desplazamientos proyectados. En el éxito de esta operación influyen gran cantidad de factores que se analizarán en su totalidad.

Construcción del pozo.
Se utilizaron principalmente barrenas de diferentes diámetros: 320 mm, 295 mm, 269 mm y 394 mm; por lo general se comienza a desviar después de bajada la camisa conductora hasta una profundidad promedio de 230 - 460 m, no siempre coincidiendo con la profundidad a la cual fue proyectada.

Composiciones inferiores utilizadas para aumentar el ángulo de desviación y rectificación del acimut del pozo.
La longitud del intervalo de desvío, según el análisis realizado a los proyectos de los pozos perforados, oscila entre 200 y 400 m, no obstante en la práctica esta longitud fue mucho mayor y oscila entre los 300 y 700 m. En algunos casos se presentan longitudes mayores motivadas por la imposibilidad de aumentar ángulo y en otras por desviaciones del acimut, existiendo la necesidad de rectificar la trayectoria de la cámara del pozo.

La intensidad de aumento de ángulo con cada composición utilizada varía con su utilización en diferentes pozos, con una misma composición se obtiene en unos casos intensidades menores de 1º/10 m y en otras intensidades hasta de 1,3º/10 m. Esta variación en el aumento de ángulo está relacionada con el régimen de perforación, la litología perforada y la calidad de la orientación, así como con el ángulo de ubicación del desviador con respecto al acimut del pozo y su ángulo en el momento de la orientación.

La gran variación en la intensidad de aumento de ángulo y acimut es la causa fundamental de la formación de canales y averías, por su importancia y por la cantidad de averías que se presentan en la perforación de los pozos inclinados en Cuba, se estudian por el autor y los resultados se muestran en el trabajo.

En las composiciones desviadoras formadas por: barrena, turbo, conexión curva o turbo desviador y drill-collars de diferentes diámetros. Los diámetros de los drill-collars ubicados sobre el desviador influyen directamente en la fuerza de desviación que actúa sobre la barrena. En las composiciones utilizadas en la práctica de la perforación inclinada en las zonas petrolíferas cubanas, el largo y diámetro de los drill-collars sobre el desviador es variado constantemente y no se analiza su influencia en el proceso de desvío de los pozos

Método de orientación de los dispositivos desviadores.
En la perforación de los pozos inclinados - dirigidos, la orientación del desviador es una de las operaciones más importantes y difícil, de la cual depende la velocidad y calidad de la perforación del pozo. Los primeros pozos inclinados - dirigidos perforados hasta el año 1980 en Cuba se desviaron con diferentes dispositivos orientadores, que tienen gran cantidad de deficiencias que son analizadas en el trabajo.

Es de gran importancia actual que se logre un dispositivo mecánico que permita realizar las orientaciones de las composiciones desviadoras no solamente en el inicio de los trabajos de desviación, sino, que permita la orientación en cualquier situación del pozo, que pueda ser utilizado en cada equipo de perforación por los técnicos del pozo sin necesidad de especialistas de alta calificación y que garantice la perforación del pozo según el acimut proyecto.

Perforación del intervalo de estabilización del ángulo.
En los últimos años existe la tendencia de aumentar el intervalo de estabilización. La necesidad de perforar pozos con grandes desplazamientos de la vertical ha aumentado las exigencias técnicas de este intervalo de perforación, para lo cual es necesario una correcta selección de las composiciones inferiores de estabilización.

Construcción del pozo en este intervalo.
Según los pozos inclinados analizados, en el intervalo de estabilización se han usado mas de 250 composiciones diferentes. En este trabajo se expondrán las mas utilizadas en diferentes áreas, existen composiciones con barrenas de diámetro 394, 320, 295, 269 y 215.9 mm.
En este intervalo, en dependencia de la profundidad del mismo, se han utilizado camisas de revestimiento de diámetro 245, 219, 168, y 146 mm hasta profundidades que oscilan entre 100 y los 200 m.

La estabilización del ángulo máximo alcanzado en el tramo recto inclinado o intervalo de estabilización es de vital importancia para el éxito de la perforación del pozo y para lograr la ubicación del fondo del mismo, en el punto del espacio deseado según las exigencias de la red de explotación.

Composiciones inferiores utilizadas en este intervalo.
En Cuba, para la perforación del intervalo de estabilización se utilizan composiciones con un centralizador, fundamentalmente, en la perforación por el método a rotaria. Algunos pozos se perforaron utilizando el método de perforación a turbina, en algunos casos se ha logrado, con estas composiciones, un ligero aumento de ángulo en el intervalo de estabilización.

En el trabajo realizado por el autor conjuntamente con otros especialistas [160], se plantea que los objetivos perseguidos durante la perforación del intervalo de estabilización no siempre fueron logrados, se presentan dificultades con los centralizadores utilizados al desgastarse rápidamente los mismos, siendo prácticamente imposible conocer su diámetro después de 1 o 2 horas de trabajo. También se presentan dificultades para mantener el acimut del pozo, observándose variaciones del acimut al trabajar con composiciones rectas. En este trabajo no se estudió la causa de la variación de la intensidad de estabilización, aumento o caída del ángulo cada 100 m, obtenidos por las composiciones inferiores utilizadas, por lo que esta problemática requiere de un estudio más profundo.

En el país, los trabajos de perforación del intervalo de estabilización con el uso de centralizadores comenzaron en el año 1980. En el trabajo del autor [149], se realizaron los primeros intentos de ubicar el centralizador sobre el turbo para evitar que se soldaran las planchas en las paredes de la turboperforadora, práctica que dañó considerablemente la pared exterior de las turbinas y limita su uso a sólo una operación, aumento o estabilización del ángulo.

En el trabajo [151] del autor, se expone el diseño de los centralizadores planetarios para su posible uso como calibrador sobre la barrena, también se expone y se recomienda su utilización en el trabajo [160] realizado por diferentes especialistas cubanos.

Perforación del intervalo de caída del ángulo.
La perforación de este intervalo generalmente se realiza cuando no se desea penetrar en la capa productiva con un gran ángulo de inclinación, en este caso es necesario disminuir el ángulo máximo obtenido de forma progresiva y con poca intensidad de disminución.

Composiciones utilizadas en este intervalo.
En la perforación de este intervalo se utilizan composiciones sin centralizadores que, por la acción de su propio peso ocasionan una disminución del ángulo. También se han utilizado composiciones con centralizadores. Se observan algunas composiciones que al ubicar el centralizador a una distancia mayor de 6 m ocasionan disminución del ángulo con una intensidad de variación (I) que oscila entre I = -1, -2º/100 m. Se observan composiciones donde se ubica el centralizador hasta una distancia de 10 a 12 m. Son precisamente estas composiciones las más peligrosas y las que más influyen en la formación de averías, por lo que se estudian con posterioridad en este trabajo.

Averías en el proceso de perforación.
En el análisis de los pozos perforados en nuestros campos gasopetrolíferos se detecta la perforación de mas de un caño en gran cantidad de pozos. Las causas de la perforación de un segundo caño son diversas, las principales son:

  • Tranque de la columna de perforación que después de diferentes maniobras no fue posible liquidar, siendo necesario desenroscar la herramienta y comenzar a perforar un nuevo caño, quedándose la columna de perforación en el pozo.
  • Partidura de la columna de perforación; la causa fundamental es el excesivo momento de torsión existente en la perforación a rotaria, cuando el pozo presenta cambios bruscos de acimut y de ángulo. En estos casos por lo general, es imposible extraer la columna de perforación y es necesario perforar un nuevo caño.
  • Caída intensiva del ángulo, frecuentemente ocurre una caída intensiva y es necesario tirar tapón de cemento y perder cientos de metros perforados para comenzar un nuevo caño.
  • Cambio brusco del acimut del pozo; con gran frecuencia las operaciones de rectificación del acimut del pozo no tienen éxito, en ese caso se hace necesario tirar tapón de cemento y comenzar a desviar nuevamente en el intervalo donde el acimut se aproxime al acimut proyecto del pozo.

Método de perforación con composiciones orientadas.
En la perforación con composiciones orientadas (conexión curva, turbos autodesviadores), es difícil perforar los pozos de forma que coincidan con el perfil proyecto, tanto en el acimut proyecto como con el ángulo de inclinación deseada, es difícil evitar que en ocasiones ocurra el encuentro de las cámaras de los pozos, avería que es difícil solucionar y que con frecuencia ocasiona la pérdida de ambos pozos.

Para evitar el encuentro de las cámaras de los pozos frecuentemente se cambia la profundidad de comienzo del desvío del mismo y se utilizan composiciones orientadas formadas por conexión curva, turbo desviador OTC, turbo de tornillo con mecanismo desviador y otros.

La perforación con composiciones orientadas tiene una serie de deficiencias:

  • La orientación del dispositivo desviador en el fondo requiere la inversión de gran cantidad de tiempo en maniobras de los dispositivos geofísicos; tiempo en los registros de inclinometría de la cámara del pozo para realizar maniobras de orientación del acimut.
  • Los dispositivos existentes para la orientación de los pozos con desviadores aun presentan una serie de insuficiencias que causan la variación del acimut, lo que ocasiona grandes pérdidas de tiempo en maniobras para rectificar la trayectoria de la cámara del pozo con el gasto de gran cantidad de materiales y tiempo adicional.
  • La intensidad de variación del ángulo y el acimut en la perforación con desviador es muy intensa, esto ocasiona diferentes tipos de averías, canales y tranques de la herramienta entre otras.

El proceso de desvío de la cámara del pozo, con estas composiciones, exige un régimen de perforación especial que ocasiona la disminución de la velocidad mecánica de perforación y la cantidad de metros perforados por barrena. Por todas estas deficiencias la utilización de estas composiciones en la perforación de ramilletes de pozos inclinados, ocasiona la perforación del caño con mala calidad, frecuentes complicaciones y económicamente es poco efectiva la perforación.

Conclusiones parciales

  1. La selección correcta del perfil espacial del pozo constituye una de las etapas principales del proceso de perforación de los pozos inclinados sobre la cual se han propuesto diferentes metodología de cálculo, donde se estudia la influencia de varios factores. No existe una metodología que pueda ser generalizada a cualquier zona gasopetrolífera por las complejidades geológicas que se presentan.
  2. El perfil proyecto de la trayectoria espacial del pozo no se ajusta a las composiciones inferiores de perforación utilizadas en el proceso de desvío, estabilización y caída del ángulo, no se tienen en cuenta la influencia de la desviación natural y las condiciones geológicas de la zona petrolífera.
  3. En la perforación de ramilletes el número de pozos, la selección del perfil proyecto, los dispositivos desviadores y las composiciones inferiores deben ser seleccionados en correspondencia con la experiencia acumulada y con las exigencias de la red de explotación de cada zona petrolífera.
  4. No existe criterio definitivo de los investigadores en cuanto al dispositivo orientador a utilizar, existen varios diseños diferentes de estos dispositivos, en dependencia del ángulo de inclinación de la cámara del pozo. Es de gran importancia actual que se logre el diseño de un dispositivo mecánico que permita la orientación del desviador en cualquier ángulo del pozo y que pueda ser técnicamente utilizable en los equipos de perforación.
  5. La gran cantidad de composiciones utilizadas en las cuales se realizan variaciones de los elementos geométricos sin fundamentación teórica, sobre la base de resultados prácticos, ocasiona grandes pérdidas a la economía nacional.
  6. En el análisis y discusión de la literatura consultada, así como de la experiencia en la perforación inclinada en el país y las conclusiones del tema "Perforación de pozos inclinados-dirigidos", se demostró la necesidad de realizar investigaciones teóricas sobre las composiciones inferiores, seleccionar las mas adecuadas para cada intervalo de perforación, por lo que es necesario el diseño de nuevos dispositivos que garanticen la perforación de pozos de grandes desplazamientos utilizando principalmente el método de perforación en ramilletes.
  7. De este análisis también se desprende la necesidad de perfeccionar la tecnología de perforación que permita disminuir el costo de la perforación inclinada, mejorando los índices técnico-económicos de la perforación de estos pozos. En esta tecnología debe incluirse el control computarizado del proceso de desviación del pozo, selección y ejecución automatizada de los perfiles proyectos, así como la selección de composiciones para cada intervalo de perforación, que permita la ejecución del pozo con una significativa disminución del tiempo de perforación, averías y complicaciones en el proceso de desviación.

3. Investigaciones teóricas sobre las composiciones inferiores de perforación.
Introducción.
En el trabajo [160] se señala que una de las deficiencias fundamentales en la perforación inclinada en Cuba, es la utilización de composiciones inferiores de perforación según los resultados prácticos y la experiencia de otros países, pero sin estar fundamentadas teóricamente con los cálculos correspondientes. Al no existir estudio teórico de las composiciones, es necesario cambiar constantemente los parámetros de las mismas y experimentar en la práctica tratando de obtener los resultados esperados, esto encarece aun más el proceso de perforación y en muchos casos es la causa de complicaciones y averías.

En dependencia del ángulo al que se orienta el desviador con respecto al acimut del pozo, se logra el aumento o caída de ángulo, así como la rectificación del acimut hacia la izquierda o la derecha. Con la variación del ángulo de orientación del desviador, se rectifica la trayectoria espacial del pozo, los resultados de cada orientación dependen de gran cantidad de factores que varían con cada composición y pueden calcularse solo con medios computarizados, dada su complejidad.

En las condiciones de perforación de un gran volumen de pozos inclinados de forma simultanea utilizando el método de perforación en ramilletes es un problema de actualidad el control operativo de los mismos, donde la toma de decisiones técnicas se torna difícil y es importante conocer la relación que existe entre el ángulo, el acimut y la profundidad del pozo para proyectar el perfil espacial y seleccionar composiciones inferiores que eviten la desviación natural de los pozos.

Composiciones inferiores con desviadores.
Influencia de la longitud y diámetro de los drill-collars sobre la fuerza de desviación.
En este acápite se dan los resultados de investigaciones teóricas de la composición inferior de la columna de perforación formada por: barrena; turbo; conexión curva o turbo desviador y drill-collars de diferentes diámetros. Se calcula la fuerza de desviación que surge sobre la barrena en dependencia del diámetro de los drill-collars que se ubican sobre el desviador.
Para la solución del problema se utiliza el esquema donde se presenta la composición inferior de la composición mecánica como un sistema de barra A-E con el intervalo ABC flexionado; intervalo C1-C2 apoyado en la formación y en el intervalo C-E como una viga en voladizo.

Por la acción de la fuerza de reacción de la formación (P), en el proceso de perforación, sobre el punto (C) actúa el momento flector (M), todo el sistema se encuentra en estado de deformación elástica y el punto E se traslada a la posición E3. Por la acción de la fuerza (P) ocurre la deformación del turbo y el punto E se traslada al punto E1; como resultado del giro que se produce en el desviador a causa de la flexión, la parte derecha del sistema gira un ángulo determinado por lo que el centro de la barrena se traslada del punto E1 al punto E2. En dependencia de la compresión que permita la formación, el punto E2 se traslada al punto E3 [104].

En el cálculo de la fuerza de desviación de la barrena en las composiciones inferiores con desviador se utiliza una ecuación determinada sobre la base del cálculo de los valores de E E1, E1 E2, E2 E3, para lo cual fueron utilizadas las ecuaciones diferenciales en las secciones Xo, X y Xm.

II.1

donde:

L -Longitud del turbo, en metros.

RB -Radio de la barrena en metros.

Rd -Radio del desviador en metros.

µ - Angulo de inclinación del pozo.

EYm - Rigidez del turbo.

qm - Peso de un metro lineal del turbo.

G - Carga axial sobre la barrena.

L - Longitud de los drill-collars ubicados sobre el desviador.

q° - Peso de un metro lineal de drill-collars.

q - Peso de un metro lineal de tubería de perforación.

K - Coeficiente de resistencia de la formación, este coeficiente oscila entre 0,1 y 1,0 mm, en dependencia de la dureza de las rocas perforadas

h - Penetración máxima de la composición en la formación.

a,b- Longitud y ancho de la composición que penetra en la formación.

x - Coeficiente que representa la influencia de k, h, a y b.

EY - Rigidez de los drill-collars.

L - Distancia desde la barrena hasta el punto de contacto de la tubería con la formación.

Para el estudio de las composiciones fue necesario realizar una amplia búsqueda bibliográfica y determinar la rigidez de los turbos, drill-collars y tubería de perforación empleados en el país. Se obtuvo la dependencia funcional que ejercen diferentes factores sobre la fuerza de desviación, fueron calculados y representados los resultados en forma gráfica, para diferentes longitudes de drill-collars ubicados sobre el desviador, la dureza de la formación se midió en los laboratorios de núcleos extraídos de diferentes tipos de formación rocosa para determinar el coeficiente de resistencia de la formación. El resultado más importante es la obtención del gráfico de la variación de la fuerza de desviación en dependencia del ángulo del pozo; carga axial y parámetros geométricos de la composición mecánica que posibilita dirigir el proceso de desviación.

El cálculo de la composición inferior formada por: barrena diámetro 320 mm; turbo T12MZB-240 mm; desviador diámetro 203 mm de tres grados de inclinación; tubería de perforación de 141 mm de diámetro. Para un ángulo de inclinación del pozo de 10º y una carga axial sobre la barrena de 100 kn.

Los cálculos se realizan para drill-collars de diámetros 178, 203, 229, 254 mm. Aunque los drill-collars de 229 se comienzan a utilizar en la actualidad y los de 254 mm de diámetro aun no se utilizan en Cuba, se incluyeron en el estudio para determinar su influencia sobre la fuerza de desviación.

Según el gráfico(resultados), cuando se utilizan T.P.P de 178 mm de diámetro, la fuerza máxima de desviación se obtiene con una longitud de cuatro a siete metros. Según aumenta el diámetro de los T.P.P desde 178 a 254 mm, aumenta la fuerza de desviación, obteniéndose los valores máximos para una longitud de T.P.P que oscila entre los cinco y 10 m. Con una longitud superior a los 10 m, la fuerza de desviación disminuye con poca intensidad, prácticamente con una longitud de T.P.P superior a los 15 m se mantiene constante.
Este análisis se realiza para todas las composiciones con desviador.

Influencia del ángulo de orientación del desviador sobre la intensidad de variación del ángulo y el acimut del pozo.
Para lograr los objetivos geológicos planificados en la perforación de los pozos inclinados, es de gran importancia la correcta ubicación de la composición de desvío, para lo cual es necesario conocer la variación del ángulo y del acimut que se puede obtener con una composición mecánica determinada, en dependencia de diferentes factores.

Como es conocido, en el proceso de perforación de los pozos inclinados, la operación inicial de desvío del pozo se realiza con composiciones inferiores donde se utilizan desviadores, estos pueden ser: Conexión curva o turbo desviador. Para lograr una buena efectividad del trabajo de estas composiciones es necesario regular la magnitud y dirección de la acción del esfuerzo tangencial que surge sobre la barrena.

En condiciones geológicas y tecnológicas de perforación similares, manteniéndose constante el diámetro del pozo (diámetro de la barrena) y las medidas geométricas de la composición inferior, la magnitud de la variación del ángulo y acimut del pozo dependen solamente del ángulo a que ha sido orientado el desviador y que se conoce por ángulo de orientación (Angulo que existe entre el acimut real del pozo y el ángulo en el cual se orienta el desviador) y el ángulo de desviación del pozo en el momento de la orientación.

Determinar la variación de ángulo y de acimut a obtener en cada orientación, en dependencia del ángulo de orientación del desviador para cada composición inferior, es imprescindible para la perforación inclinada por el método de ramilletes.

En el país se utiliza actualmente el método teórico que además de ser muy general, es inexacto no se tiene en cuenta la influencia de las dimensiones geométricas de las composiciones inferiores, la magnitud del esfuerzo tangencial y las condiciones geológicas de perforación.

Es un objetivo de la presente investigación, conocer los resultados del trabajo de las composiciones inferiores de desvío que se proponen en la tecnología de perforación de los pozos inclinados-dirigidos. Con este objetivo se utiliza la metodología propuesta por el autor Gazanof U.Z.[109] adaptada a nuestras condiciones geológicas y tecnológicas.

De las formulas se puede apreciar que para determinar la variación del acimut y del ángulo en dependencia del ángulo de orientación del desviador hay que valorar la influencia de una gran cantidad de factores, tales como: diámetro de la barrena, tipo y diámetro del turbo, diámetro y ángulo del desviador, rigidez del turbo, diámetro y rigidez de los drill-collars, diámetro y rigidez de la tubería de perforación, ángulo del pozo en el momento de la orientación, carga axial sobre la barrena, longitud del turbo, peso de un metro lineal de tubería de perforación, peso de un metro lineal de drill-collars.

- Es el aumento de ángulo de desviación en un intervalo de perforación de 10 m. Se determina sobre la base de la práctica de perforación, teniendo en cuenta las condiciones geológicas y las composiciones inferiores utilizadas en la zona.

Para realizar el cálculo teniendo en cuenta la influencia de estos factores, se confeccionó un Software como sistema interactivo, encontrándose almacenados en disco todos los datos necesarios para el cálculo de las composiciones mecánicas de desvío utilizadas en el país, así como, de composiciones aun no utilizadas pero que se proponen en el presente trabajo. Los resultados del cálculo de las diferentes composiciones se obtienen en forma de tabla para su análisis en el campo directamente en el pozo, se construye el gráfico de la variación del acimut y variación del ángulo en dependencia del ángulo de ubicación del desviador que oscila desde cero hasta 360º, en correspondencia con la carga axial sobre la barrena con que se perfora, según la dureza de la formación en la zona. En el gráfico también se tiene en cuenta el ángulo del pozo en el momento de la orientación.

El cálculo se realiza fijando los elementos geométricos de cada composición inferior, variando primeramente la carga axial sobre la barrena desde G = 20,40,60,80,100,120 kn posteriormente se varía el ángulo del pozo en el momento de la orientación, = 5,10,15,20,... 50º y por último el ángulo de orientación del desviador, tomando los siguientes valores: 0º, 20º, 40º,... 360º.

En tabla se expresan los resultados del cálculo de la composición inferior integrada por: barrena diámetro 269 mm; turbo T12MZB-240; conexión curva diámetro 203 mm de tres grados; drill-collars diámetro 178 mm; tubería de perforación de 141 mm de diámetro. En el gráfico (II.1) se muestra la dependencia para un ángulo del pozo de 5º, 10º, 15º y un peso sobre la barrena de 80 y 120 kn respectivamente.

Del análisis de estos gráficos se derivan algunos criterios importantes para el control del proceso de perforación, entre otros:

- Con esta composición se obtiene muy baja intensidad de aumento de ángulo, aun cuando se orienta el desviador en el acimut del pozo (0º).
- En el intervalo de 0º a 60º ocurre la mayor variación del ángulo, sin un cambio significativo del acimut del pozo.
- La mayor intensidad de variación del acimut se obtiene, cuando se orienta la composición de desvío entre 100º y 140º manteniéndose poco cambio del ángulo, a 120º este no sufrirá variación.
- Es significativa la influencia del peso sobre la barrena y el ángulo del pozo en el momento de la orientación, por su importancia lo analizamos al final del acapite.
- Al orientarse el desviador en un ángulo de 120º a 250º, ocurre disminución del ángulo de inclinación. Cuando se orienta entre 0º y 180º, se obtiene rectificación de la trayectoria espacial hacia la izquierda del acimut del pozo y cuando se orienta entre 180º y 360º, se obtiene una rectificación a la derecha del acimut del pozo.

En la perforación del intervalo de aumento de ángulo en nuestras zonas petrolíferas, con barrenas de gran diámetro (320 y 390 mm) y turbo desviador OTS-240 mm, han existido dificultades, no lográndose intensidades de aumento de ángulo superiores a los 0.5º/10 m. Es importante conocer los resultados que se obtienen con estas composiciones en el proceso de desvío ya que la variación de las dimensiones del turbo influyen directamente sobre la fuerza de desviación de la barrena.

Estas dos composiciones son estudiadas detalladamente, se analiza la influencia del peso sobre la barrena y el ángulo en el momento de la orientación, sobre la variación del ángulo y del acimut del pozo en dependencia del ángulo de ubicación del desviador.

La intensidad de variación del acimut obtiene su mayor magnitud para un ángulo de orientación del desviador de = 90º a 150º con G=40 kn, en dependencia del ángulo del pozo. Para G=60 kn el máximo se obtiene entre = 100º a 130º y para G=80 kn, el máximo se obtiene entre =90º a 100º.

Según el método gráfico, la mayor magnitud del acimut se obtiene a los 90º de forma general, independientemente de la influencia de los factores que actúan en el proceso de desvío. Estos resultados demuestran la necesidad del cálculo de cada composición para evitar errores en la orientación del desviador que tantas pérdidas ocasionan a la economía nacional.

Procedimiento para la regulación de la fuerza que actúa sobre la barrena y la selección de los parámetros geométricos de la composición mecánica.

En la perforación inclinada, una de las principales causas de que ocurran los tranques de la herramienta, canales en la pared del pozo y otras dificultades, es el contacto de la composición inferior de la herramienta con la pared del pozo. Esto se debe fundamentalmente a la gran masa, rigidez y diámetro de la turboperforadora y los drill-collars en comparación con otros elementos de la columna y por consiguiente con mayor fuerza actúan sobre la pared del pozo.

Hasta hace un tiempo se pensaba que los centralizadores y estabilizadores al poseer un gran diámetro con respecto al del turbo y los drill-collars, despegaban la tubería de la pared inferior del pozo y evitaban la formación de canales y averías en la perforación de los pozos. En la práctica aun se mantiene este criterio en muchos lugares e inclusive en nuestro país.

La fuerza que presiona al centralizador sobre la formación, es mayor con el aumento del ángulo de inclinación del pozo, por consiguiente, en el proceso de perforación y en las maniobras de la herramienta, para efectuar el cambio de la barrena, esta fuerza influye en la formación de canales en la pared del pozo. La intensidad en la formación de canales depende de: la magnitud de la presión de contacto que actúa sobre el centralizador; la intensidad de variación del ángulo y acimut del pozo; resistencia de la formación perforada.

La determinación del esfuerzo a que están sometidos los centralizadores, dirigidos sobre la pared del pozo permite determinar la longitud optima de los centralizadores, la cantidad y el ancho de las planchetas de los mismos. Actualmente en la práctica la selección de estos parámetros se realiza de forma arbitraria, sin justificación alguna.

En una gran cantidad de composiciones utilizadas en la práctica de la perforación inclinada, en el mar Caspio, la más peligrosa fue la composición inferior donde se utilizaban un solo centralizador y principalmente, cuando este esta ubicado a mas de ocho metros de la barrena con el objetivo de disminuir, de forma intensiva, el ángulo de inclinación del pozo. En esta composición, la distancia de la barrena al centralizador y de este al punto de apoyo superior, alcanza los valores máximos. Por este motivo, sobre el centralizador actúa la fuerza máxima hacia la pared del pozo, causando canales y complicaciones en el proceso de desvío.

Para lograr la selección de composiciones mecánicas inferiores que posibiliten la perforación del intervalo de aumento de ángulo, estabilización y caída de curvatura, sin la formación de canales, es necesario un estudio profundo de los factores que influyen en el proceso de perforación, en las condiciones especificas cubanas. Se estudiaron todas las composiciones utilizadas en el país, en la perforación de estos intervalos, teniendo en cuenta las características de la formación perforada, la intensidad de variación del ángulo y del acimut en los yacimientos gasopetrolíferos.

Para realizar esta tarea fue necesario una amplia búsqueda bibliográfica, con el objetivo de conocer las características mecánicas de las turboperforadora, drill-collars y tubería de perforación utilizadas en Cuba, todos importados de diferentes países.

Fueron creados ficheros de datos donde se incluye: el peso lineal de un metro del turbo y su rigidez; peso de un metro lineal y rigidez de los drill-collars de perforación; peso de un metro lineal y rigidez de la tubería de perforación, así como otros datos necesarios de todas las composiciones inferiores utilizadas en la práctica de perforación y de otras composiciones que se proponen para ser utilizadas en el futuro, como resultado del presente trabajo.

Para la investigación de las composiciones autoorientadas se estudiaron los trabajos realizados por el Académico, Profesor Aganof C. A. (119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128), donde se obtienen ecuaciones teóricas para condiciones de rigidez variable y variación del peso de los elementos de la composición inferior, teniendo en cuenta el ángulo de inclinación del pozo. Estas ecuaciones pueden ser utilizadas tanto en la perforación a turbina como en la perforación a rotaria, cuando la rigidez del sistema es constante o variable. Fueron adaptadas a las condiciones de perforación de las áreas gasopetrolíferas cubanas, teniendo en cuenta la influencia de las características de las rocas perforadas, su dureza, ángulo de buzamiento de las mismas, resistencia a la destrucción y deformación, intensidad de aumento de ángulo y de acimut, así como las características propias de cada composición utilizada y la influencia de la desviación natural de los pozos determinada por el autor en el trabajo [154].

En cálculo se realiza para la composición inferior formada por:
- Barrena; turboperforadora o drill-collars (en el caso de perforación a rotaria); centralizadores y tubería de perforación.
La composición esta representada en forma de barras de rigidez variable sobre cuatro puntos de apoyo (A, B, C, D) ubicadas en un intervalo inclinado rectilíneo. El nivel del último apoyo es menor que los anteriores en la magnitud (f). En el punto (D) la tubería de perforación está en contacto con la pared del pozo.

La influencia de la fuerza axial sobre la barrena (G) no se tiene en cuenta ya que para composiciones inferiores con dos o más centralizadores, prácticamente es insignificante [27,67].

De los trabajos [119, 127] se obtienen las fórmulas para determinar los momentos flectores (M1 y M2) en los apoyos B y C. La distancia desde el segundo centralizador hasta el punto de contacto de los drill-collars con la formación (L3), se determina por la ecuación expresada en el trabajo [124]. Para determinar esta distancia es necesario resolver la ecuación de quinto grado donde influyen otras variables desconocidas.

Para determinar la fuerza de desviación que actúa sobre la barrena (Rb) y la fuerza de presión del primer y segundo centralizador sobre la formación (Rc1 y Rc2), se obtienen las expresiones del trabajo [126].

En todas estas expresiones las variables están interrelacionadas unas con otras, lo que dificulta la solución del problema.

II.3.1

II.3.2

donde:

II.3.3

II.3.4

II.3.5

II.3.6

donde:

Rb –Fuerza que actúa sobre la barrena.
Rc1 y Rc2- Fuerza de presión que actúa en el primero y segundo centralizador sobre la formación.
M1- Momento flector en el punto B.
M2- Momento flector en el punto C.
L1- Distancia desde el primer centralizador hasta la barrena.
L2- Distancia entre el primero y segundo centralizador.
L3- Distancia desde el segundo centralizador hasta el punto de contacto de la T.P.P. con la formación.
f - Diferencia de nivel del último apoyo.

a - Ángulo del pozo.

- Peso de 1m lineal del turbo.

- Peso de 1m lineal de la T.T.P.

-Rigidez del turbo.

- Rigidez de la T.P.P.

- Rigidez de la tubería de perforación.

- Distancia del primer centralizador a la barrena

- Distancia entre el primer y segundo centralizador

La mayor dificultad surge al determinar la distancia del segundo centralizador al punto de contacto con la formación (L3), así como al determinar los momentos flectores. Para determinar (L3) es necesario resolver la ecuación de quinto grado. Esta es difícil de resolver por métodos tradicionales, sin el uso de la computación.

Para la solución del problema se confeccionó un Software que posibilita el cálculo de cualquier composición para cada una de las siguientes posibilidades.

1. - Los centralizadores se ubican en el cuerpo de la turboperforadora.
2. - Un centralizador ubicado en el cuerpo de la turboperforadora y el otro en el cuerpo de los drill-collars.
3. - Los dos centralizadores ubicados en el cuerpo de los drill-collars.

Para cada una de estas posibilidades fueron introducidas tablas de datos necesarios para el cálculo, con todas las composiciones posibles a utilizar.

El cálculo se realiza fijando los elementos geométricos de cada composición inferior o sea diámetro de barrena, tipo y diámetro del turbo, diámetro del centralizador, diámetro de los drill-collars, tubería de perforación; se varía la distancia del primer centralizador hasta la barrena (L1) y posteriormente para cada (L1) se cambia la distancia entre el primer y segundo centralizador (L2), en un diapasón que oscila desde 2-10 m, posteriormente se calcula la fuerza que actúa sobre la barrena (Rb), la fuerza de presión del primer y segundo centralizador sobre la formación (Rc1 y Rc2) para un ángulo del pozo a h =5º, 20º y 35º respectivamente.

En el gráfico (II.9) se muestra la dependencia de Rb = f(L2); Rc1=f(L2); Rc2 = f(L2) para una distancia del primer centralizador a la barrena de L1 = 2 m (gráfico A); L1 = 3 m (gráfico B); L1 = 4 m (gráfico C) y un ángulo del pozo de a h = 5º, 20º, 35º, para la siguiente composición: barrena diámetro 394 mm; turboperforadora 3TCSH-240 mm; centralizador diámetro 394 mm; drill- collars diámetro 203 mm y tubería de perforación de 141 mm de diámetro.

Análisis de los resultados.
La fuerza de desviación sobre la barrena depende de la distancia a la que se ubica el primer y segundo centralizador, así como del ángulo del pozo. Al aumentarse la distancia del primer centralizador a la barrena, la fuerza de desviación disminuye. Para = 2 m y = 5º, el valor máximo de es de 20 kn.

Para =3 m y =5º el valor máximo de es de 14 kn y para =4 m y =5º el valor máximo de es de 8 kn. En los gráficos se observa también que la fuerza de desviación es mayor a medida que aumenta la distancia entre los centralizadores, hasta determinada magnitud y también con el aumento del ángulo del pozo en el momento de utilizarse la composición.

La fuerza de presión del primer centralizador sobre la formación depende de la distancia a la que ha sido ubicado el mismo de la barrena, de la distancia entre ambos centralizadores y del ángulo del pozo. Al aumentarse la distancia de ubicación del centralizador la fuerza de presión sobre la formación disminuye. Al aumentar la distancia entre el primer y segundo centralizador esta fuerza se hace mayor. Los valores de se incrementan considerablemente con el aumento del ángulo del pozo.

La fuerza de presión del segundo centralizador sobre la formación depende de la longitud y del ángulo del pozo. Es poco significativa la influencia de la variación de la longitud desde la barrena al primer centralizador sobre.

Al aumentar la distancia entre los centralizadores desde dos hasta seis metros, (Rc2) disminuye, permaneciendo prácticamente constante para L2 mayor de 6 m.

Conclusiones parciales.

  1. El desarrollo del procedimiento para la regulación de la fuerza de desviación que actúa sobre la barrena y la selección de los parámetros geométricos de los mismos le permiten al especialista en la producción controlar y dirigir el proceso de perforación.
  2. Las operaciones de desvío del pozo deben realizarse con composiciones rígidas, con diámetros de barrenas superiores a los 320 mm y utilizar drill-collars de perforación de diámetros iguales o superiores a los 203 mm, preferiblemente de 229 mm y 254 mm.
  3. La longitud de los drill-collars antimagnéticos debe ser calculada en correspondencia con la composición inferior a utilizar, reducida a lo mínimo permisible para no afectar las orientaciones del desviador. Los diámetros des estos drill-collars deben ser superiores a los 194 mm.
  4. La fuerza de desviación sobre la barrena aumenta con la disminución del peso sobre la misma, pero esto ocasiona disminución de los índices técnico-económicos de la perforación al disminuir la velocidad mecánica de perforación. Por esta razón de debe disminuir al mínimo posible el intervalo de perforación con composiciones orientadas y sustituirse por composiciones autoorientadas (con centralizadores).

4. Diseño de dispositivos para la perforación inclinada en ramilletes.

Introducción.
Las composiciones inferiores de perforación, compuestas por centralizadores y calibradores o más de un centralizador, deben ser profundamente estudiadas ya que en el resultado de las mismas influyen gran cantidad de factores como: diámetro de la barrena, diámetro del turbo, diámetro de los drill-collars, rigidez del turbo y drill-collars, diámetro del calibrador y los centralizadores, distancia desde la barrena al primer y segundo centralizador y ángulo de inclinación del pozo, entre otros. Sobre la utilización de centralizadores en las composiciones inferiores se han realizado algunos trabajos por el autor. Se diseñó un sistema de unión para usar centralizadores en las turboperforadoras [149]. Este sistema permite la utilización de centralizadores ubicados entre el Espindel y la primera sección del turbo, lo que evita el daño a las paredes al soldarse los centralizadores en el cuerpo del mismo, no se logró regular la fuerza de desviación sobre la barrena ya que no es posible variar de forma sistemática el diámetro y el lugar de ubicación del centralizador, en dependencia de los resultados que se desean obtener.

Fue diseñando también un centralizador planetario helicoidal [151,160] que por sus características puede ser utilizado como calibrador de la cámara del pozo y también utilizarse en combinación con un centralizador en la composición inferior.

Diseño de centralizadores intercambiables para la perforación del intervalo de aumento, estabilización y caída de ángulo.

Con el diseño y dimensionamiento de centralizadores intercambiables utilizados en las composiciones inferiores de desvío, se trata de dar solución a algunos de los problemas que existen actualmente en la producción en Cuba, principalmente, el deterioro en la pared de la turboperforadora al soldarse las planchetas de los centralizadores en el cuerpo de la misma, dificultándose el cambio de ubicación de los mismos en la composición inferior.

El objetivo principal del diseño de estos dispositivos es regular la desviación del pozo variando el diámetro de los centralizadores y la distancia del mismo a la barrena, según los objetivos propuestos para cada composición, ya sea aumento, estabilización o caída del ángulo del pozo.

El diseño de estos centralizadores permite mejorar la tecnología de perforación y perforar el intervalo de aumento de ángulo con composiciones autoorientadas, mejorando los índices técnico - económicos de la perforación inclinada.

Para el diseño de los centralizadores fue necesario realizar un análisis de todas las composiciones mecánicas utilizadas en la práctica de la perforación inclinada en diferentes zonas del país. Según este análisis existen cuatro posiciones en las cuales puede ser ubicado el centralizador sobre la turboperforadora sin dañar el cuerpo de la misma, permitiendo la intercambiabilidad del centralizador en la composición inferior. El centralizador intercambiable debe ser usado en cada composición mecánica según las exigencias del perfil, debe permitir aumento, estabilización y caída de ángulo, para lo cual es necesario ubicarlo en diferentes posiciones, regulando la distancia del mismo a la barrena y a la vez variar su diámetro exterior.

Las diferentes posiciones posibles de ubicación del centralizador en la composición de la herramienta.
1. - Ubicar el centralizador entre la conexión inferior del Espindel y su cuerpo.
2. - Ubicar el centralizador en la conexión superior del Espindel.
3. - Ubicar el centralizador en la conexión inferior de la primera sección del turbo.
4. - Ubicar el centralizador en la conexión superior del turbo.

Al ubicarse el centralizador en estas posiciones y a la vez variando su diámetro exterior, se logra un amplio diapasón de posibilidades que permite regular la fuerza de desviación que actúa sobre la barrena. Esto posibilita seleccionar composiciones para perforar el intervalo de aumento, estabilización y caída del ángulo.

Al situar el centralizador en la posición No 1, se obtiene una distancia del mismo a la barrena que puede oscilar desde 0.30 a 1 m, variando la longitud de la conexión ubicada sobre la barrena. Al situarse en la posición No 2 se logra una distancia de 2 a 3 m, en dependencia de la longitud del Espindel. Al ubicarse en la posición No 3 se logra una distancia de 3 a 4 m y al situarse en la posición No 4, de 8 a 20 m según la longitud del turbo.

Con la ubicación del centralizador en la primera y segunda posición y combinando diferentes diámetros de los mismos, sobre el cuerpo de los turbos, se logran composiciones rígidas que permiten el aumento y estabilización del ángulo del pozo. Con su ubicación en la tercera y cuarta posición se puede obtener estabilización y caída del ángulo respectivamente.
A estos centralizadores se les realizó el análisis de tensiones y deformaciones con el Sistema Profesional de Elementos Finitos COSMOS/M, versión 1.71 de 1994. Se tuvo en cuenta las solicitaciones de torsión, compresión y presión interior.
Como resultado de este análisis se obtuvo, que los desplazamientos no superan los desplazamientos permisibles, mientras que las tensiones equivalentes, calculadas a partir de la teoría de Von Misses no alcanzan el 20 por ciento de las tensiones admisibles.

Diseño del Dispositivo Universal para la orientación del desviador.
En el acápite No.1 se realiza una breve descripción de los diferentes dispositivos orientadores utilizados en el país y sus principales deficiencias. Además de las deficiencias expuestas, es necesario señalar que el cambio de estos dispositivos en las composiciones mecánicas, ocasiona grandes pérdidas de tiempo en maniobras de la herramienta, envejecimiento de la cámara del pozo y un aumento considerable de las posibilidades de averías al surgir canales en las paredes del mismo.

Para el diseño de este dispositivo se realizó un profundo análisis de los dispositivos orientadores existentes en el país, sus características y desventajas técnico económicas, así como los diferentes métodos y dispositivos utilizados en la práctica de la perforación inclinada, reportados en la literatura.

Para el control de la trayectoria espacial de la cámara de los pozos inclinados, se utiliza el buzo geofísico de verticalidad que realiza las mediciones de ángulo y acimut del pozo. Con este dispositivo se realizan los registros de inclinometría en los pozos, pero por su diseño, este equipo no funciona cuando la cámara del pozo tiene menos de 3° de inclinación.

Para lograr el funcionamiento del buzo de verticalidad, cuando el pozo tiene menos de 3° de inclinación, fue necesario transformar el principio de funcionamiento del mismo. En su interior se encuentra el sistema de medición que esta formado por un bastidor giratorio en el que se ubica un péndulo, la brújula y una resistencia eléctrica con contrapeso. Este sistema se autoorienta al acimut del pozo, cuando hay mas de 3° de inclinación, de lo contrario no existe una autoorientación exacta y las mediciones son falsas.

Para el funcionamiento de este sistema cuando existe menos de 3° de inclinación, se fija el bastidor al cuerpo exterior del buzo evitando que este gire. El plano en el cual ha sido fijado el bastidor debe ser marcado en la pared exterior del buzo de inclinometría para hacerlo coincidir con el plano de acción del desviador (conexión curva o turbo desviador), proceso que se explicará en el funcionamiento del Dispositivo Universal.

El diseño del Dispositivo Universal para una composición determinada, esta formado por el Cuerpo Exterior (1) y el Adaptador Universal o Unidad Ensamblada (2).

El cuerpo del dispositivo esta diseñado para ser construido de cualquier diámetro de tubería pesada de perforación en dependencia de la composición mecánica que se utilice, su longitud es variable, según la utilización del buzo de verticalidad KYT que puede ser con contrapeso o sin él. Esta diseñado para fijar en su interior el Adaptador Universal. Se le realizó el análisis de tensiones y deformaciones con el Sistema Profesional de Elementos Finitos COSMOS/M, versión 1.71 de 1994. Para el cuerpo exterior se tuvo en cuenta las solicitaciones de torsión, compresión y presión interior, mientras que para el cuerpo interior se tuvo en cuenta solo la tracción y presión interior, debido a que son estas las solicitaciones que presenta dicho cuerpo .
Como resultado de este análisis se obtuvo, que los desplazamientos en ambos cuerpos no superan los desplazamientos permisibles, mientras que las tensiones equivalentes, calculadas a partir de la teoría de Von Misses no alcanzan el 15 por ciento de las tensiones admisibles.
El cuerpo interior esta diseñando para permitir el montaje del pasador, el casquillo y el buje. Se fabrica de tubería pesada de perforación recuperable, de diámetro exterior 146 mm y diámetro interior de 74 mm. Se realiza el cálculo del cono interior teniendo en cuenta que debe fijarse con apriete en el cuerpo del dispositivo.

Para hacer coincidir el plano, al cual fue fijado el bastidor del buzo de verticalidad con el pasador del Dispositivo Universal, fue necesario diseñar el Suplemento del Buzo de Verticalidad.

Este suplemento esta compuesto por: 1. - Saeta orientadora, 2. - Doble tuerca, 3. – Contratuerca, 4. – Niple, 5. – Suplemento, 6. – Entredós, 7 y 8. - Tornillos del buzo y 9. - Buzo de verticalidad.
La Saeta Orientadora (1) se fabrica de acero 40 X para evitar que se deteriore rápidamente su punta, al acoplar en el pasador del dispositivo orientador. En su extremo se construye una hélice de una longitud de 100 mm, equivalente a la mitad del paso, para garantizar el acople con el pasador.
La doble tuerca (2) se construye de acero 45 y esta diseñada para lograr el apriete entre los conos de las piezas (1) y (4), durante el montaje y desmontaje del suplemento, mediante roscas de diferentes pasos.
El niple (4) se construye de acero 40 X, permite el acople de la Saeta Orientadora y a la vez la orientación de la misma al plano que fue fijado el bastidor del buzo de inclinometría.
El suplemento (5) se construye de aluminio o de bronce para evitar la influencia del magnetismo del buzo de inclinometría sobre la brújula y además, permite que en el momento de la orientación, cuando la saeta acopla al pasador del dispositivo, la brújula se encuentre situada en la tubería antimagnética y poder realizar las mediciones del acimut. El entredós (6) esta construido de aluminio y se acopla al buzo de verticalidad con los tornillos (7) y (8) que forman parte del buzo de inclinometría y con los cuales normalmente se fija el contrapeso del buzo.

Funcionamiento del Dispositivo Universal.
Antes de comenzar a montar la composición mecánica para desviar el pozo se pasa registro de verticalidad, con el fin de conocer si el pozo es vertical o tiene cierta inclinación (más 3° grados), con un acimut definido, se pasa registro como medida de seguridad.
Al turbo autodesviador se le enrosca la barrena y después de descenderlo al pozo, en su parte superior se le ubica el cuerpo del Dispositivo Universal. El plano de acción del dispositivo desviador se traslada a la parte superior del cuerpo exterior del Dispositivo Universal, por medio de una plomada. A continuación se monta el Adaptador Universal y se coloca en el interior del cuerpo del dispositivo, teniendo en cuenta que el plano de acción de los imanes y el pasador tienen que coincidir con el plano de acción del dispositivo desviador (conexión curva o turbo desviador). Sobre el Dispositivo Universal se enrosca un tubo pesado antimagnético de 10 a 12 m de longitud y por último se conecta un tubo pesado de perforación. Para finalizar el montaje de la composición se baja la tubería al fondo del pozo, sin un control especial.

Para la primera orientación se baja el buzo con el suplemento del buzo de inclinometría, se desciende hasta que la Saeta Orientadora se apoye en el pasador, esta se deslizará hasta que se fije en el mismo, en este momento se realizan las mediciones y se hace la orientación.

Después de haber perforado 60-100 m se baja el buzo de verticalidad tal como viene de fábrica, este bajará hasta el extremo superior del casquillo, encontrándose la brújula en este momento frente al plano de acción de los imanes por lo que se procede a la rectificación de la orientación por medio de los imanes, siempre y cuando el pozo tenga mas de 3° .

Es preciso señalar que la tubería de perforación se extraerá del pozo cuando se hayan alcanzado los parámetros del proyecto, no siendo necesario interrumpir la vida útil de la barrena para realizar orientaciones del desviador y hacer cambios innecesarios en la composición inferior.

Después de comprobar en la práctica la influencia del magnetismo del acero sobre la brújula, al ubicarse los imanes directamente sobre el cono, se suprimió el casquillo de bronce siendo posible disminuir el diámetro y poder perfilar la rosca de perforación. Este diseño es factible para cualquier diámetro de tubería pesada de perforación y tiene la ventaja de que no es necesario el uso de conexiones de perforación para enroscar los dispositivos diseñados en la composición mecánica de perforación.

Conclusiones.

  1. Con el diseño de los centralizadores intercambiables y con su ubicación en la composición inferior, según las posibilidades propuestas, se garantiza la perforación del pozo con motores hidráulicos (turboperforadora) en cualquier situación espacial del perfil, ya que es posible variar la fuerza de desviación que actúa sobre la barrena.
  2. La variación de la fuerza de desviación que actúa sobre la barrena, se logra con la ubicación del centralizador a diferentes distancias de la misma y también con la variación del diámetro del centralizador, lo que permite un aumento considerable en las posibilidades de utilización de cada composición.
  3. La utilización de estos centralizadores evita los daños en el cuerpo de la turboperforadora al ser soldadas las planchetas y permite la utilización de ese turbo en otras operaciones del proceso de desvío.
  4. Es significativa también la posibilidad de investigación que se obtiene al poder conjugar la variación del diámetro exterior con la ubicación del centralizador, haciendo posible la selección de composiciones óptimas para cada zona gasopetrolífera.
  5. El diseño del Dispositivo Universal permite resolver los problemas técnicos y económicos que se presentan en la producción, disminuyendo la necesidad de operaciones para rectificar el acimut del pozo y las averías en el proceso de perforación.

Partes: 1, 2

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