Los motores de turbina funcionan al aprovechar la energía de un flujo continuo de vapor que pasa a través de ellos. Más específicamente, el fluido de perforación que viaja por el tallo de perforación es desviado por las cuchillas de un estator que está conectado a la carcasa.
Este fluido desviado fluye sobre las paletas de un rotor, lo que hace que el eje de accionamiento gire. Las palas del rotor y del estator se configuran de la misma manera que un ventilador de ventilación estándar, pero con las paletas colocadas en reversa. Esto se debe a que un ventilador está diseñado para impulsar el aire hacia afuera con un motor, mientras que una turbina requiere una entrada de aire o líquido para encender su motor.
El lodo o fluido de perforación se bombea por la sarta de perforación
desde la superficie, hasta que ingresa a la sección de potencia de la
turbina. Luego entra en contacto con las cuchillas del estator, que no pueden moverse ya que están fijadas a la carcasa de la turbina. Por lo tanto, el impulso del fluido se redirige a las palas del rotor. Esto luego mueve el eje de transmisión a la broca, lo que hace que gire. Cuando las palas del rotor realizan sus giros de salida, el líquido se dirige luego a la siguiente etapa del rotor / estator. Cada turbina puede incluir hasta 400 de estas etapas, aunque una cifra más típica es 100-250. Cada etapa transmitirá la misma cantidad de torque al eje de transmisión y consume una cantidad igual de la energía total.
Componentes
Para saber cómo funciona una turbina, es necesario comprender sus
componentes básicos que se encuentran en un típico motor hidráulico de
fondo de pozo tipo turbina.
Sub circulante
Figura 2 - Sub de circulación para motores de turbina
La primera parte es el subtítulo circulante (figura 2). Esto permite que el fluido de perforación evite la sección de potencia de la turbina cuando no se necesita una salida. Esto
podría ser útil en, por ejemplo, una situación de control de pozo,
donde se necesita circulación de fluido sin rotación de broca. Para
activar el submarino circulante, se insertará una "bola de caída" hecha
de plástico o metal en el tallo de perforación en la superficie. Esto
se bombeará por la cuerda hasta que se apoye en una manga interna, que
se mantendrá en su lugar mediante el uso de pasadores de seguridad. Cuando la bola de caída está en la manga, el flujo de fluido se restringe. Esto
ejerce una presión adicional sobre la bola, hasta que finalmente corta
los pasadores y empuja la manga más hacia la ID del submarino. Este
proceso sirve para exponer los puertos de comunicación de fluidos, y
significa que el fluido de perforación puede fluir sin pasar por la
turbina en la parte inferior de la sarta de perforación. La
rotación de la broca se detiene, y la operación que requiere
circulación puede continuar sin afectar adversamente los componentes de
la turbina o broca. Después
de que el submarino ha sido accionado, la confianza de la turbina se
dispara desde el pozo para su desactivación en la superficie. Una vez que el conjunto ha sido devuelto al fondo, la perforación puede continuar.
Sección de potencia
Esta parte de la turbina está formada por múltiples etapas rotor / estator, con uno de cada uno de estos componentes por etapa. El
estator está formado por entre 25 y 300 cuchillas que se mantienen en
posición mediante dos anillos, como se muestra en la Figura 3. El anillo
interior encierra el eje de transmisión, que aún puede girar
libremente, mientras que la falda se fija a la sección del motor. Permaneciendo inmóviles, las cuchillas del estator dirigen el fluido
de perforación a las palas opuestas del rotor en ángulo recto para
convertir el movimiento del fluido en un movimiento de rotación que
luego se transmite al eje de transmisión.
Figura 3 - Componentes de la etapa de la turbina, rotor y estator
Las palas del rotor también se mantienen en su lugar por dos anillos concéntricos. El
anillo del cubo se fija al eje de transmisión, mientras que el anillo
exterior se deja libre para girar dentro de la ID de la carcasa. Este anillo exterior recoge y dirige el fluido de perforación hacia el estator de la siguiente etapa. Mientras fluye el lodo, la carcasa de la sección de potencia permanece
estacionaria, y el eje de transmisión, junto con los rotores, puede
girar con eficacia.
Con
el fin de hacer que los componentes de la sección de potencia duren lo
más posible, y para minimizar la fricción, los ángulos de la cuchilla
con respecto al eje de la sección transversal se deben elevar junto con
el caudal. El
aumento resultante en los ángulos de entrada y salida ayuda a reducir
las tensiones axiales en las cuchillas, pero aún permite el par y la
rotación. Si la turbina se utilizara para velocidades más bajas, entonces
aumentar los ángulos de la hoja puede ayudar a maximizar la potencia de
salida.
Dado que el estator sirve para guiar el fluido de perforación hacia el
rotor, la fuerza vectorial descendente del fluido se redirige: esta
fuerza es la que hace que el rotor gire, y el rotor es lo que impulsa el
eje de la broca.
Sección de rodamientos
Los
conjuntos de cojinetes de empuje, que se ilustran en la figura 4,
adoptan cargas axiales o verticales que se aplican a la turbina. Por otro lado, los cojinetes radiales sirven para proporcionar soporte
lateral para cualquier carga que pueda ser el resultado de la
aplicación de fuerza lateral en la broca.
Para alargar la vida útil de la herramienta, se usan cojinetes especiales de fricción. Los discos de rodamiento fijos están recubiertos con un elastómero altamente resistente a la abrasión y también a los efectos de los hidrocarburos. Se pueden usar en muchas circunstancias diferentes. Dada la alta velocidad de rotación de los rotores, el calor se acumula en la superficie del cojinete. Esto da como resultado una película que tiene un coeficiente de fricción muy bajo.
En
los casos en que la turbina circula por el fondo, hay una fuerza
descendente causada por el peso del rotor y fuerzas axiales que son
causadas por el impulso del fluido de perforación. Esto se conoce como empuje hidráulico, y es similar al empuje que usa un cohete para lograr el despegue.
En
una turbina, el fluido de perforación en movimiento desarrolla impulso a
medida que se mueve a través de las cámaras de poder. Este impulso depende tanto de la densidad del fluido como de su velocidad; este último es una función de la tasa de flujo y el área de flujo. Mayor impulso de fluidos significa mayor empuje hidráulico. Si
se deja en sus propios dispositivos, la confianza eventualmente
empujará la sección de potencia de la turbina fuera de su carcasa
circundante. Los cojinetes de empuje sirven para contrarrestar esta fuerza. La fuerza también se aplicará a las piezas en la sección de potencia, y
en casos raros, incluso puede empujar los rotores y estatores a una
colisión, causando una gran cantidad de daños y reduciendo
significativamente la vida útil de estas partes.
Es vital elegir el trepano correcto, ya que las turbinas generalmente desarrollan velocidades de rotación extremadamente altas. El rango de peso sobre mecha (WOB) también debe tenerse en cuenta. A
medida que el conjunto de perforación marca el fondo del pozo, el WOB
comienza a aumentar de una fuerza de cero libras a la cantidad que
permitirá el sistema. Esto causa una fuerza hacia arriba que funciona en oposición al empuje hidráulico que causa el fluido de perforación. A medida que WOB y el empuje hidráulico se aproximan al equilibrio, se reduce la fuerza resultante sobre los cojinetes. Idealmente,
el empuje hidráulico de la turbina debería ser igual al WOB aplicado,
ya que esto producirá un equilibrio en los cojinetes. Si el equilibrio es imposible, es posible adjuntar una precarga de
compresión al rodamiento con antelación, de modo que se necesita menos
WOB para alcanzar un equilibrio.
Características Mecánicas de los Motores de Turbina
La
figura 5 muestra la relación teórica entre la velocidad del bit (n), el
par (M), la caída de presión (P), el factor de eficiencia (K) y la
potencia mecánica (N) dentro de una turbina típica. Como una función variable de WOB, el par y las velocidades de bit son inversamente proporcionales. Cuando la broca está descentrada, la velocidad de la broca alcanza un máximo conocido como Velocidad de fuga (Nr). Esto
tiene un impacto negativo en la vida útil de los rodamientos dentro del
conjunto y, por lo tanto, debe minimizarse si no se evita por completo.
Cuando WOB aumenta, también lo hacen los requisitos de par de la interfaz de bit / formación. Simultáneamente, la velocidad del bit disminuirá en proporción. Si la aplicación de peso continúa, es posible que los requisitos de torque excedan lo que la turbina es capaz de hacer; esto causará que la rotación se detenga por completo. Esto se conoce como "par de parada" (Ts), y debe evitarse siempre que sea posible. La caída de presión (P) en la totalidad de la turbina generalmente permanece estable y no se ve afectada por los cambios en WOB.
Figura 5 - Carácter mecánico de los motores de turbina, Simonyants, S. L. (2016, 24 de octubre)
El
empuje hidráulico, como resultado del motor hidráulico, necesita ser
explorado con mayor profundidad para poder comprenderlo por completo. Mientras
el fluido de perforación fluye a través de la sección de potencia,
todos estos componentes, incluidas las palas del rotor y del estator,
así como la propia broca, causarán una restricción de flujo. Esto conduce a una ligera acumulación de presión en la sarta de perforación, situada encima de la turbina. Esta contrapresión finalmente estirará la sarta de perforación, y la tensión es algo así como la de un globo inflado. Esta tensión es absorbida por los cojinetes de empuje.
Una situación en el fondo es solo el peor de los casos cuando se trata de las tensiones que deben ser absorbidas. Para
evitar esto, la cantidad de WOB utilizada durante la perforación debe
ser lo más cercana posible al empuje hidráulico calculado. Esto asegura que las tensiones en los cojinetes de empuje estén
equilibradas y, por lo tanto, mantiene la vida de fondo del pozo en su
máximo nivel.
La salida de potencia mecánica (H) del sistema es el resultado del par y la velocidad de bit. Por lo tanto, puede calcularse usando la ecuación:
H = (T × N) ÷ 5252
Donde H = Caballos de fuerza (mecánicos)T = Torque (ft-lhs)N = velocidad de bits (RPM)5,252 es una constante de conversión de unidades.
La
máxima H se puede lograr cuando T = Ts / 2 y cuando N = Nr / 2. Esto
significa que el par óptimo de una turbina es la mitad del par de
pérdida, y la velocidad óptima es la velocidad de escape. La cantidad de torque que se produce está relacionada con el número de
etapas dentro de la turbina, a medida que la última aumenta, también lo
hace la primera.
Mechas especiales utilizadas para motores de turbina
Como los motores de turbina giran a alta velocidad, normalmente se utilizan los bits impregnados con diamante (Figura 6). Los trepanos impregnados de diamante (bits impreg) son otro diseño de bits de corte fijo. Estas mechas tienen elementos de diamante, que pueden ser de diamante natural o
de diamante sintético, mezclados en un cuerpo de matriz de los bits y
el mecanismo de perforación para esta mecha es rectificado. Los elementos de diamante deben estar incrustados en el cuerpo de la matriz porque el diamante es frágil.
Con
el apoyo de una matriz alrededor de los elementos de diamante, ayuda a
absorber la fuerza de impacto generada durante la perforación para que
los elementos de diamante puedan moler efectivamente las formaciones. La concentración de volumen de diamante puede ser de aproximadamente 5 - 30% del volumen de la matriz de la mecha.
Figura 6- Diamantes naturales y mechas impregnadas, Intergas.com. (2018)
Los
trozos impregnados se usan generalmente para perforar formaciones duras
y altamente abrasivas, como arenisca bien cementada, piedra caliza,
carbonato y rocas volcánicas. Dado que el elemento de diamante es muy pequeño, la profundidad de corte (DOC) de este bit es muy superficial. Para mejorar la velocidad de penetración (ROP), se requiere perforar con una velocidad de rotación muy alta. Por
lo tanto, las mechas impregnadas se usan junto con motores de turbina de
desplazamiento de alta velocidad o motores de turbina.
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