What are Positive Displacement Mud Motors in Drilling for Oil and Gas?
Los
Motores de Desplazamiento Positivo (PDM) utilizan una sección de
generación de energía compuesta por una combinación rotor / estator. Para
mover una parte del rotor, un PDM requiere potencia hidráulica del
fluido de perforación que fluye a través de la parte de generación de
energía. Con un PDM, el estator y el rotor trabajan en tándem de la misma manera que los engranajes. El estator actúa como el engranaje externo, y está hecho de un elastómero moldeado que presenta al menos dos lóbulos. La OD del elastómero está protegida por una carcasa de metal segura. El rotor se coloca dentro del estator y actúa como un engranaje interno. Este rotor está hecho de metal y tendrá un engranaje o lóbulo menos que el estator.
Debido a esta diferencia, se crea una cavidad que se llena con fluido de perforación cuando el PDM está en el fondo del pozo. Esta cavidad actúa como una cuña cuando se somete a presión, y debido a
que el fluido de perforación no se puede comprimir, la fuerza aplicada a
la parte superior de la cuña hace que el rotor se mueva.
Motor de lodo
Figura 1 - Motor de lodo
Dada la forma helicoidal del rotor, dicha aplicación de fuerza hace que el rotor gire. Al igual que con una turbina, esta rotación se transmite al eje de transmisión y de allí a la broca. Se
produce un sello alrededor de la cavidad como resultado del contacto
entre la OD del rotor y la ID del estator, como se ve en la Figura 2.
Esto significa que el torque se aplica al rotor para superar la
resistencia causada por la broca / interfaz de formación y resistencia de contacto entre los componentes internos del motor.
Rotación del motor de lodo
Figura 2 - Rotación del motor de lodo (Wikipedia, 2018) --->En una turbina, el par y la velocidad de bit dependen uno del otro; esto no es así dentro de un PDM. Sin embargo, una excepción a esta regla es cuando el rotor está "aturdido" (cuando un orificio a través del rotor se usa para desviar una porción del fluido de perforación). Según la teoría, el par es proporcional a la presión diferencial (que aumenta en la superficie a medida que WOB aumenta), ya que la velocidad del bit también es proporcional al caudal. El par es proporcional al diámetro del cubo del motor, y la velocidad es inversamente proporcional a este mismo factor. Por lo tanto, la potencia es proporcional al cuadrado del diámetro del motor.
Una función de la velocidad de deslizamiento del estator / rotor durante la rotación es la limitación de velocidad del PDM. Esto también se ve afectado por la velocidad del fluido de perforación a través de las cavidades.
La configuración rotor / estator es lo que controla la relación de torque / velocidad de bit como se ve en la Figura 3. Cuando la cantidad de lóbulos de rotor / estator aumenta desde la disposición de lóbulo único de los motores convencionales a los lóbulos múltiples, la velocidad de la broca disminuirá, mientras que la producción de par aumentará. Esto permite la optimización del torque y la velocidad de la mecha, que se necesita para mechas de cono de rodillo y PDC de cizalla. Los PDM normales no pueden cumplir con estas necesidades de salida.
Configuración del motor de lodo, RPM, relación de Torque
Figura 3 - Configuración del motor de lodo, RPM, relación de torque (directionaldrillingart.blogspot.com, 2017)
Componentes de PDM
Esta información a continuación explica los principales componentes de PDM.
Válvula de descarga
La válvula de derivación, o válvula de descarga, se muestra en la Figura 4 a continuación. Se utiliza para permitir que el fluido de perforación llene la sarta de perforación del anular cuando se está viajando en el pozo, o para drenarlo cuando se está sacando. Gracias a esta válvula, la parte inferior del pozo mantiene una presión constante, lo que ayuda a evitar problemas de control durante los viajes.
Figura 4 - Válvula de descarga (directionaldrillingart.blogspot.com, 2017)
Sección de potenciaEn la sección de potencia (Figura 5), el rotor en forma de espiral produce rotación cuando la fuerza del fluido de perforación actúa sobre él. Si la resistencia a la rotación de la broca / formación (conocida como el requisito del par de perforación) es demasiado grande, entonces el fluido de perforación puede causar que el material elastomérico del estator se deforme temporalmente. La división o sello entre alta y baja presión se pierde, lo que hace que el motor se bloquee. A medida que la presión dentro de cada cavidad disminuye a partir de la fuga del volumen de fluido más allá del sello perdido, habrá un aumento de presión significativo en la superficie. Esto significa que el motor debe levantarse del fondo y luego reiniciarse. Si el establo no se corrige correctamente, el estator se dañará permanentemente y se reducirá la vida útil del motor en general. Esto es especialmente importante cuando se trabaja con caudales más altos o altas presiones diferenciales. Menos presión diferencial aplicada significará menos puestos.
El eje central del estator y el rotor no son idénticos. El desplazamiento entre estos dos puntos centrales se conoce como "excentricidad". Cuando el rotor gira dentro del estator, su eje se mueve alrededor del estator. Una rotación completa alrededor de este acceso al estator se llama nutación o precesión. Para encontrar la velocidad de precesión de un PDM, se debe multiplicar la velocidad de rotación por el número de lóbulos del rotor. Este proceso es, en efecto, un mecanismo de reducción de engranajes, y explica por qué la velocidad de la mecha disminuirá cuando se aumenta la configuración del lóbulo del rotor / estator.
El estator está formado por un tubo de acero, forrado con elastómero y con lóbulos en espiral que corresponden al rotor. El material debe ser lo suficientemente rígido para soportar la abrasión y el desgaste de los sólidos en el fluido de perforación, pero también lo suficientemente flexible como para proporcionar un sello suficiente en el rotor. Por lo tanto, es necesario encontrar algún punto medio entre estas dos demandas. El material también necesita ser mínimamente afectado por los numerosos productos químicos en el fluido de perforación, así como por las temperaturas de operación normales. Es vital que el elastómero se una adecuadamente a la carcasa de acero. Necesita estar completamente limpio, para permitir una adhesión efectiva.
Una vez hecho esto, es necesario bombear el material elastomérico al lugar adecuado para evitar que se formen bolsas de aire entre el elastómero y su carcasa, así como dentro del mismo elastómero. Finalmente, debe llevarse a cabo un proceso de curado complejo. Aunque esto se considera patentado, no obstante es similar a los procedimientos utilizados para tratar térmicamente varios metales.
Curvas de potencia
Las curvas de potencia PDM son una fuente extremadamente útil de datos específicos cuando se conocen los parámetros de perforación necesarios. Hay cuatro parámetros principales que se muestran en el formato Power Curve utilizado aquí:
- Torque de salida (libras-pie)
- Velocidad de rotación de salida (revoluciones por minuto)
- Caída de presión total (libras por pulgada cuadrada)
- Velocidad de flujo del fluido de perforación (galones por minuto)
Figura 5 - Power Curve of Mud Motor (Halliburton, 2018)Estos gráficos se refieren específicamente a un diseño establecido (es decir, una configuración de rotor / estator), y uno en el que se usa agua como medio fluido. Si se utiliza un fluido de mayor densidad o viscosidad, el torque y la caída de presión serán más altos. El uso de fluido pesado tendrá un impacto sobre las pérdidas de presión parasitarias (de funcionamiento libre) que forman parte de la caída de presión total. Dichas pérdidas de presión parasitarias son en parte un resultado del contacto entre las partículas de barita que se usa para elevar la densidad del fluido. Cuando el peso del fluido de perforación aumenta, también lo hace la cantidad de partículas sólidas y por lo tanto el contacto de partícula a partícula.
Además, si se utiliza un fluido que es más viscoso que el agua, la salida de torque será mayor que la indicada por una curva a base de agua. Esto se debe a que los fluidos más gruesos producen un mejor sellado entre el rotor y el estator, lo que maximiza la presión diferencial que se puede aplicar. Dada la relación directa entre la producción de par y la presión diferencial aplicada, una mayor presión diferencial a través del PBM significa que habrá una mayor producción de par que la que se muestra en la curva de potencia, ya que se mejora el sello.
Ensamblaje de transmisión
El conjunto de transmisión se encarga de la rotación excéntrica, o precesión, del rotor, que necesita estabilizarse dentro del estator cuando la energía mecánica alcanza la broca. Además de este propósito, el conjunto de transmisión también absorberá parte del empuje hidráulico que se origina en la sección de potencia, y transmitirá el par generado al accionamiento o al eje de salida. Hay varios diseños utilizados en la industria de la perforación para lograr este propósito.
Figura 6 - Ensamblaje de transmisión (http://steelmakingmachine.com, 2017)
Conjunto de cojinete
El conjunto de cojinete que consiste en un cojinete de empuje radial y axial soporta un conjunto de transmisión. El conjunto de cojinete transmite la fuerza de rotación desde el conjunto de transmisión y admite tanto la carga de confianza como la carga de flexión radial durante la perforación.
Figura 7 - Conjunto de cojineteHay dos tipos de ensamblaje de rodamientos.
Ensamblaje de rodamientos sellados en aceite: este tipo se recomienda para usar cuando se utiliza fluido de perforación corrosivo, hay una gran cantidad de LCM para bombear a través del BHA o se requiere una caída de presión muy baja en la broca.
Conjunto de rodamientos lubricados con lodo: este tipo utiliza algo de lodo que fluye a través del conjunto de rodamientos. Típicamente, es aproximadamente 4 - 10% de lodo que se usa para lubricar y enfriar el eje y los cojinetes.
Camisa curva ajustable - Adjustable Bend Housing
Una carcasa de doblez ajustable (figura 8) conecta un conjunto de cojinetes a un estator y también proporciona protección a un conjunto de transmisión. La flexión en un motor de lodo se puede ajustar para lograr las velocidades de construcción requeridas mientras se desliza. Si el ángulo se establece en un ángulo de 0 grados, normalmente se usa para mejorar el rendimiento de perforación en un pozo vertical, ya que un bit girará más rápido que una perforación rotativa.
Figura 8 - Carcasa curva ajustable -- Figure 8 – Adjustable Bend Housing (http://drillingknowledge.blogspot.com, 2018)
TRADUCIDO DESDE DRILLINGFORMULAS.COM
The positive displacement motor uses the Moineau pump principle. However, Downhole mud motors have limitations, This tool has found wide application in directional drilling and
Positive displacement motors were introduced in the 1960’s. The first positive displacement motor (PDM) was the DynaDrill, which was a high speed low torque motor.
The most commonly used technique for changing the trajectory of the wellbore uses a piece of equipment known as a “bent sub” which is used
Directional Drilling Engineering Guide 1- Petroleum Geology Overview Petroleum Geology Overview for directional drillers. in this article we shall discuss different types of rocks which
Motor selection is a function of the well requirements. In this article we shall introduce to you the drilling mud motor selection for its specification.
