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Muchas piezas y equipos constituyen nuestra plataforma de perforación rotatoria. Parte de ella está en la superficie y otra parte de ella se encuentra en el subsuelo. Todo el equipo tiene un objetivo principal, colocar la mecha en el
fondo y que esta tenga la capacidad para que se pueda perforar o hacer
hoyos de pozos petroleros.
Para poner la mecha en fondo , los trabajadores del equipo de perforación la enroscan de un conjunto d tuberias que se denominan sarta de perforación . Los miembros del equipo de trabajo van bajando la sarta de perforación y la mecha hacia el hoyo del pozo. La mecha gira gracias a equipos instalados en superficie y, en casos muy específicos, a un motor de fondo conectado a ella . Dichos equipos en superficie permiten también brindar el peso necesario para darle la fuerza a los dientes o cortadores de la mecha para perforar la formación. A medida que la mecha va rotando, un fluido tiene que remover los recortes lejos de la mecha hacia la superficie, ya que de lo contrario el hoyo se puede empaquetar. A este fluido que circula se le denomina lodo de perforación .
Para impartir el movimiento giratorio a la sarta de perforación y lograr que la mecha recorte se requiere de un TopDrive o de un Cuadrante "Kelly" que emplea mesa rotaria. La potencia es transferida desde el orificio de la superficie hacia abajo a través de la sarta de perforación . En algunos taladros se proporciona giro a la sarta de perforación con una unidad de manejo superficial o Top Drive, los cuales son caros, pero muy eficientes. Este permite que los trabajadores vayan agregando juntas de tubería de perforación a la sarta muy rápidamente y de forma segura, permitiendo que se pueda perforar el pozo de manera más eficiente con menos posibilidades de que se pegue la sarta de perforación en el hoyo en comparación con el Kelly y mesa Rotaria.
Un potente motor hace girar un eje de transmisión que está conectado a la unidad del top drive . El personal puede torquear y conectar juntas a la sarta, así como transmitirle giro al igual que a la mecha o broca. La sarta de perforación igualmente pasa por el hoyo de la mesa rotaria, pero esta no gira. Un sistema de conexiones suspende del top drive del Bloque Viajero del taladro.
El
lodo de perforación entra en el top drive a través del cuello de ganso
conectado al manguerote, que es la línea flexible que conduce el lodo
de
perforación desde la bomba. Un motor y una caja de engranajes brinda potencia al eje de transmisión principal. La tripulación constituye la sarta de perforación al eje de accionamiento . El BOP Interno o Válvula de seguridad, cuando se cierra contiene el fluido que puede regresar desde la sarta de perforación-
En estos equipos usan la llave de torsión o Torque Wrench para enroscar, quebrar, conectar y desconectar las juntas que componen la sarta de perforación. La cuadrilla del taladro empuja y cierra sobre la tubería el elevador que esta suspendido por brazos "parrillas" al top drive, de manera que toda la sarta quede suspendida de él y poder levantarla hacia arriba o hacia abajo.
Un cuadrante Kelly, un buje maestro (master bushing), buje de rotación (drive bushing) y una Mesa Rotaria (Rotary Table) constituyen el equipo que hace girar la sarta en algunos taladros. El Kelly es un accesorio tubular pesado. Suele tener cuatro o seis lados. Es decir, que o bien tiene un cuadrado o una sección transversal hexagonal . Los Kellys cuadrados son menos caros que los hexagonales pero los Kelly hexagonales son más fuertes por lo que en equipos de perforación de pozos profundos las utilizan a menudo . Ya sean de cuatro o seis lados , los trabajadores enroscan el Kelly al ultimo tubo de la sarta (el que está en el tope), de manera que a través de él gire toda la tuberia..
El Kelly , en este video es de cuatro caras y se mueve a través de una abertura cuadrada en el buje giratorio del cuadrante, o Kelly Drive Bushing. Este buje se combina con el buje maestro o Master Bushing, haciendo que gire la mesa rotaria y, por ende, se hace rotar toda la sarta y la mecha a ella conectada. El Kelly se mueve hacia abajo a medida que se profundiza y cuando se termina de perforar toda la longitud del tubo, se levanta la sarta para conectar el cuadrante al nuevo tubo. Este se enrosca, se baja el cuadrante hasta el fondo para reiniciar la perforación.
En estos equipos usan la llave de torsión o Torque Wrench para enroscar, quebrar, conectar y desconectar las juntas que componen la sarta de perforación. La cuadrilla del taladro empuja y cierra sobre la tubería el elevador que esta suspendido por brazos "parrillas" al top drive, de manera que toda la sarta quede suspendida de él y poder levantarla hacia arriba o hacia abajo.
Un cuadrante Kelly, un buje maestro (master bushing), buje de rotación (drive bushing) y una Mesa Rotaria (Rotary Table) constituyen el equipo que hace girar la sarta en algunos taladros. El Kelly es un accesorio tubular pesado. Suele tener cuatro o seis lados. Es decir, que o bien tiene un cuadrado o una sección transversal hexagonal . Los Kellys cuadrados son menos caros que los hexagonales pero los Kelly hexagonales son más fuertes por lo que en equipos de perforación de pozos profundos las utilizan a menudo . Ya sean de cuatro o seis lados , los trabajadores enroscan el Kelly al ultimo tubo de la sarta (el que está en el tope), de manera que a través de él gire toda la tuberia..
El Kelly , en este video es de cuatro caras y se mueve a través de una abertura cuadrada en el buje giratorio del cuadrante, o Kelly Drive Bushing. Este buje se combina con el buje maestro o Master Bushing, haciendo que gire la mesa rotaria y, por ende, se hace rotar toda la sarta y la mecha a ella conectada. El Kelly se mueve hacia abajo a medida que se profundiza y cuando se termina de perforar toda la longitud del tubo, se levanta la sarta para conectar el cuadrante al nuevo tubo. Este se enrosca, se baja el cuadrante hasta el fondo para reiniciar la perforación.
Sistema Top Drive para Rotación de Tuberia
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En 1983 comienza el desarrollo del DDM
(Derrick Drilling Machine), para reemplazar la forma convencional de
rotar la sarta de perforación con Vástago y Mesa Rotaria. El primer
modelo fue lanzado en 1984, este fue el DDM 650 DC, un Top Drive a
corriente continua de 650 toneladas de peso y diseñado para
instalaciones offshore.
Siguiendo con el desarrollo, se introduce un Top Drive hidráulico en 1987, el DDM 500/650 HY.
La demanda por el incremento de la capacidad de torque resulto en el
desarrollo de 2 versiones del Top Drive, el DDM 500/650 EL y el DDM650
HY de alto torque, ambos lanzados en 1989.
En 1993, se introduce en el mercado un motor Top Drive de 2.100 Hp y 8.800 N.m. de torque de salida, con este equipo se perforo un pozo direccional de 12.000 m. Es obvio que en las últimas décadas la perforación con Top Drive ha venido a ser el método predominante de perforación en pozos offshore. Al presente hemos experimentado que operaciones críticas en pozos onshore son perforados usando sistemas de Top Drive.
La perforación de un pozo es la única forma de saber si hay depósitos de hidrocarburos en el sitio donde la geología propone que se podrían localizar.
La profundidad de un pozo es variable, dependiendo de la región y de la profundidad a la cual se encuentra la formación seleccionada con posibilidades de contener hidrocarburos comerciales. Hay pozos que van desde los 1.500 metros y otros que superan los 10.000 metros de profundidad.
Además de considerar lo anterior y factores que van desde los costos que implica el alquiler de las herramientas de perforación, el tiempo que toma en perforar cada pozo, factores de seguridad y otros; fueron los que obligaron de alguna manera la búsqueda de nuevas tecnologías para llevar a cabo la perforación.
Si bien se indica que el Sistema Top Drive es costoso, también es necesario indicar los múltiples beneficios que implica su adopción dentro las tareas de perforación.
Tanto las ventajas de este sistema como aspectos técnicos, operativos y de seguridad son los que se expondrán en el presente documento.
En 1993, se introduce en el mercado un motor Top Drive de 2.100 Hp y 8.800 N.m. de torque de salida, con este equipo se perforo un pozo direccional de 12.000 m. Es obvio que en las últimas décadas la perforación con Top Drive ha venido a ser el método predominante de perforación en pozos offshore. Al presente hemos experimentado que operaciones críticas en pozos onshore son perforados usando sistemas de Top Drive.
La perforación de un pozo es la única forma de saber si hay depósitos de hidrocarburos en el sitio donde la geología propone que se podrían localizar.
La profundidad de un pozo es variable, dependiendo de la región y de la profundidad a la cual se encuentra la formación seleccionada con posibilidades de contener hidrocarburos comerciales. Hay pozos que van desde los 1.500 metros y otros que superan los 10.000 metros de profundidad.
Además de considerar lo anterior y factores que van desde los costos que implica el alquiler de las herramientas de perforación, el tiempo que toma en perforar cada pozo, factores de seguridad y otros; fueron los que obligaron de alguna manera la búsqueda de nuevas tecnologías para llevar a cabo la perforación.
Si bien se indica que el Sistema Top Drive es costoso, también es necesario indicar los múltiples beneficios que implica su adopción dentro las tareas de perforación.
Tanto las ventajas de este sistema como aspectos técnicos, operativos y de seguridad son los que se expondrán en el presente documento.
DEFINICION DEL SISTEMA TOP DRIVE
El Sistema Top Drive puede definirse como una herramienta de manera general, pero siendo más precisos podemos definirlo como un motor eléctrico o hidráulico que se suspende en cualquier tipo de mástil de un equipo de perforación. Esta herramienta se encarga de hacer rotar la sarta de perforación y el trépano.
El sistema de top drive reemplaza las funciones de una mesa rotaria, permitiendo rotar la sarta de perforación desde el tope, usando una cabeza de inyección propia, en lugar de la cabeza de inyección, vástago y mesa rotaria convencionales. Además el sistema se maneja a control remoto desde la consola del perforador.
El Sistema Top Drive puede definirse como una herramienta de manera general, pero siendo más precisos podemos definirlo como un motor eléctrico o hidráulico que se suspende en cualquier tipo de mástil de un equipo de perforación. Esta herramienta se encarga de hacer rotar la sarta de perforación y el trépano.
El sistema de top drive reemplaza las funciones de una mesa rotaria, permitiendo rotar la sarta de perforación desde el tope, usando una cabeza de inyección propia, en lugar de la cabeza de inyección, vástago y mesa rotaria convencionales. Además el sistema se maneja a control remoto desde la consola del perforador.
3. BENEFICIOS DEL SISTEMA TOP DRIVE
- Se instala fácilmente en cualquier tipo de mástil o torre de perforación, con lasmínimas modificaciones y frecuentemente en un solo día.
- Sustituye a la Mesa Rotaria y al Vástago (Kelly). El Top Drive hace rotar la sarta de perforación de manera directa.
- “Mejora la seguridad en el manejo de la tubería”. Todas las operaciones se las realiza por control remoto desde la cabina del perforador; reduciendo las labores manuales y riesgos asociados que tradicionalmente acompañan a la tarea.
- Capacidad de enroscar las conexiones dándoles un torque adecuado.
- Perfora secciones de 90 pies (1 tiro), reduciendo el tiempo de conexiones, al eliminar dos tercios de las mismas.
- Realiza toma de núcleos en intervalos de 90 pies sin necesidad de tener que hacer conexiones.
- En la perforación direccional, mantiene la orientación en intervalos de 90 pies, reduciendo el tiempo de supervisión (survey time) mejorando el control direccional.
- Apto para toda operación de perforación: direccional, horizontal, bajo balance, perforación de gas o aire, control de pozo, pesca, etc.
- Reduce el riesgo de aprisionamiento de la sarta, por su habilidad de rotar y circular al mismo tiempo.
- Mejora la respuesta en operaciones de control de pozo. Durante perforaciones bajo balance con presión hidrostática por debajo de la presión de la formación, el Top Drive aumenta la seguridad del pozo al reducir el desgaste del preventor de reventones y al permitir que este y que el preventor de cabeza rotario empaquen alrededor de un tubo redondo en lugar de alrededor de un kelly, cuadrante o hexagonal.
- Se tiene para perforación en tierra (Onshore) o costa fuera (Offshore)
COMPONENTES DEL SISTEMA TOP DRIVE
COMPONENTES PRIMARIOS.
En primera lugar tenemos los componentes primarios, llamados así porque son parte de la herramienta que se instala en el mástil del equipo de perforación.
Estos componentes debido a la universalización y conocimiento dentro la industria petrolera se halla en el idioma inglés, junto a alguno de ellos se indica su posible traducción en español.
- Torque track (huella de torsión)
- Optional swivel (unión giratoria opcional)
- Torque bushing (cojinete de torque)
- Swivel sub (sub unión giratoria)
- Extend frame (extensión del armazón)
- Quill (pluma)
- Mainframe assembly (ordenador central)
- Load nut (tuerca de carga)
- Pipe handler assembly (arreglo del asa de la tubería)
- Tilt assembly (mecanismo de inclinación)
- Stabbing valve (valvula punzante)
- Saver sub (sub ahorrador)
- Grabber assembly (llave de contrafuerza)
- Bail assembly (arreglo del eslabón)
- Elevator (elevador)
Fig. 1. Panel de Perforaciones
4.2 COMPONENTES SECUNDARIOS
Denominamos a estos así, porque son principalmente elementos de apoyo, pero aún así cabe aclarar que sin ellos el Sistema en su totalidad no funcionaría.
Los principales componentes secundarios lo conforman: el Panel de Perforaciones (Drillers Panel), Módulo de Poder (Power Module), Bucle de Servicio (Service Loop), Elevadores Hidráulicos (Hydraulic Elevators) y la Válvula ahorradora de lodo y Actuator (Mud Saver Valve and Actuator); los cuales se describen a continuación:
Panel de perforaciones (Drillers Panel)
El Panel de Perforaciones es un tablero de acero inoxidable equipado con todos los controles o mandos, los indicadores luminosos, instrumentos de medición y conectores requeridos para operar el Top Drive desde la posición del perforador.
Todos los mandos son de 24 voltios (DC). Hay dos cables principales, compuesto a su vez por otros 37 cables, cada uno con una función específica. Uno de ellos conecta el módulo de poder (power module) al panel del perforaciones y otro conecta el Top Drive también con panel del perforaciones.
Fig. 2. Panel de Perforaciones
Módulo de Poder (Power Module)
Los Sistemas Top Drive de carácter hidráulico, vienen complementadas con bombas hidráulicas de diferentes clases. Estas bombas envían un flujo hidráulico a través de un bucle cerrado, un sistema de alta presión hacia el motor del Top Drive, el cual provee la rotación a la pluma (quill).
Bombas adicionales envían un flujo hidráulico a través de un sistema auxiliar al Top Drive, permitiendo la operación de varias funciones automáticas así como la circulación del aceite hidráulico a través de una filtración y de un sistema de enfriamiento antes de retornar hacia el depósito.
El módulo de poder también contiene un tablero eléctrico que acepta una entrada de 480 o 600 voltios AC de los generadores del equipo de perforación y lo convierte a otro voltaje para que de esta manera puedan operar los componentes eléctricos del Sistema Top Drive.
Bucle de Servicio (Service Loop).
El Bucle de Servicio es un conjunto de líneas que permiten la comunicación de los elementos que comprenden al Sistema Top Drive.
El Bucle de Servicio envía y recibe comunicación eléctrica desde el módulo de poder y el panel de perforación, así como el flujo hidráulico hacia y desde el Top Drive.
Es de alta importancia que se da al momento de instalar estas líneas; debiendo tener el cuidado para que no se dañen por el levantamiento o se vean obstruidas en medio de la torre.
El Bucle de Servicio no debería de estar en contacto con ninguna parte de la torre.
Elevadores Hidráulicos (Hydraulic Elevators).
Los elevadores automáticos, eliminan la necesidad de tener a una persona operándolos manualmente.
Esto da la capacidad de abrir y cerrar los elevadores en posiciones sumamente altas de BHA (Bottom Hole Assembly), y reduciendo de la misma forma la exposición del operario a los riesgos adicionales asociados con operaciones manuales de los elevadores.
Fig. 3. Elevadores Hidraúlicos
Válvula ahorradora de lodo y Actuador (Mud Saver Valve and Actuator)
Estos son elementos que actúan como parte del Sistema de seguridad del Top Drive.
La Válvula ahorradora de lodo junto con el actuador remoto actúan como una válvula de prevención de reventones de emergencia similar a un BOP. El Actuador esta diseñado para abrir o cerrar la válvula ahorradora de lodo en cualquiera punto en la torre.
Es crítico que el Actuador nunca funcione mientras la pluma (quill) este girando; esto puede dañar los componentes internos y llevar al fracaso del actuador.
Fig. 4. Válvula ahorradora de lodo
5. FUNCIONAMIENTO DEL TOP DRIVE
Es necesario hacer mención que dentro el Sistema Top Drive, como cualquier otra tarea, se identifica intervenciones de carácter manual y de carácter automatizado; este último que caracteriza al Sistema Top Drive.
5.1 FUNCIONES AUTOMATIZADAS.
Están comprendidas por las operaciones de Extensión, Inclinación, Operación de la Llave de Contrafuerza (Grabber).
Extensión.
Esta operación permite al Top Drive ubicarse por encima la ratonera (mouse hole), lugar donde se alojarán las tuberías que han de bajarse para la perforación del pozo.
- Es acá donde el Top Drive baja y se extiende hasta la ratonera (mouse hole).
- Realiza la conexión por medio de la pluma (rotación del quill), con la tubería alojada en la ratonera (mouse hole).
- El Top Drive inicia su elevación por la torre, junto a la tubería conectada,
Inclinación de los Eslabones (Link Tilt).
Normalmente conocido como “Afianzadores”, estos pueden ser inclinados hacia delante unos 35º y hacia atrás unos 55º, moviendo de esta manera al elevador y permitiendo realizar diversas tareas asociadas con el manejo tuberías de forma segura y reduciendo el tiempo en las operaciones.
4) Durante la elevación, los eslabones (link tilt) y el elevador se afianzan a la tubería para otorgarle un mejor sostenimiento.
Operación de la Llave de Contrafuerza (Grabber).
El Llave de Contrafuerza o Grabber actúa como una tenaza, que permite al momento del enrosque y desenrosque de las tuberías, otorgar un adecuado torque.
Normalmente el Grabber necesita una presión por encima de los 1000 psi, para poder efectuar su debida operación de afiance. Cabe recordar que esta presión proviene del Módulo de Poder (Power Module). La operación realizada por el Grabber suele tomar un tiempo aproximado de 20 – 30 segundos.
PROCESO DE PERFORACIÓN.
Hay que tener en cuenta que con este nuevo sistema, se debe adherirse a las mismas prácticas operativas, de seguridad y procedimientos utilizados en perforación rotaria convencional.
Antes de cualquier maniobra con el Top Drive, se debe tener en cuenta que este ocupa mucho más espacio en el piso de la torre de lo que el Kelly lo hace; así que el trabajo debe mantenerse libre de obstáculos que pudiesen interferir con el movimiento de la herramienta y del mismo personal.
Cuando el Top Drive se esta moviendo a través de la torre, se debe estar muy al tanto en todo momento de la posición que el operario vaya a ocupar y que el Top Drive este ocupando, ya que no siempre se lo podrá ver.
El Procedimiento Básico de Perforación con Top Drive es el siguiente:
1) Se baja el Top Drive y se extiende hasta por encima de la ratonera (mouse hole)
2) Se realiza la conexión por medio de la pluma (rotación del quill), con la tubería alojada en la ratonera (mouse hole). La conexión se lleva a cabo dentro la caja de conexión (thread box), donde la llave de contrafuerza (grabber) y la pluma quill le aplican el torque necesario.
3) El Top Drive se eleva a lo largo de la torre, junto a la tubería conectada,
4) Durante la elevación, los eslabones (link tilt) y el elevador se afianzan a la tubería para otorgarle un mejor sostenimiento,
5) Se procede a realizar la conexión, se utilizan las llaves cadenas para sostener la tubería que se encuentre suspendida en la mesa rotaria, ayudándonos del mismo modo a una efectiva conexión. La llave de contrafuerza (grabber) y la pluma (quill) se encargarán de otorgarle el torque adecuado.
6) Una vez hecho la conexión, se procede a retirar las cuñas de perforación (slips) de la mesa de perforación; luego desde la cabina del perforador, se activan las bombas de lodo e inmediatamente se activa la función de perforación.
Al mismo tiempo se asigna a la pluma (quill) el RPM indicado (Revoluciones por minuto), ya sea incrementando o reduciendo el flujo hidráulico proveniente de las bombas.
Se debe tomar en cuenta que sería demasiado crítico que el actuador no funcione mientras la pluma (quill) este rotando, ya que esto dañaría los componentes internos y conduciría a una falla del actuador. Ya que sin fluido de perforación no hay un funcionamiento efectivo de las herramientas.
7) Se encuentra ahora el equipo ya perforando y se debe de tener controlando los datos obtenidos del Panel del Perforador y demás instrumentos de medición. (Presiones y Volúmenes).
FUNCIONES MANUALES.
Básicamente las funciones manuales (operaciones donde intervienen directamentelos operarios), comprenden aquellas que incluyen la perforación convencional; claro esta que con este sistema hay beneficios que se tornan en ventajas. Estas operaciones son:
Básicamente las funciones manuales (operaciones donde intervienen directamentelos operarios), comprenden aquellas que incluyen la perforación convencional; claro esta que con este sistema hay beneficios que se tornan en ventajas. Estas operaciones son:
- Limpiado de las tuberías y el piso de la mesa.
- Uso de las llaves cadenas: Necesarias para ajustar y desajustar las tuberías en boca de pozo.
- Puesta de las Cuñas de Perforación (Slip): Permiten sostener la tubería en la mesa rotaria y evitar que resbale dentro del pozo cuando se está conectando o desconectando con el Top Drive.
- Control de las mediciones y datos del Panel de perforaciones (Driller Panel): Uno de las funciones principales e importantes, del cual el encargado de perforación junto con la coordinación de todo el personal determinarán el éxito de la perforación.
