Herramientas de perforación de fondo de pozo tipo tornillo: conocimientos básicos
Descripción general: Una herramienta de perforación de fondo de pozo tipo tornillo es una herramienta volumétrica que utiliza fluido de perforación (lodo) como fuente de energía, convirtiendo la energía hidráulica en energía mecánica. El lodo bombeado desde la superficie pasa a través de una válvula de derivación hacia el motor de fondo de pozo. Una diferencia de presión entre la entrada y la salida del motor hace que el rotor gire dentro del estator. La velocidad y el par del rotor se transmiten a la broca mediante una junta universal (eje flexible) y un eje de transmisión, lo que permite la perforación.
Componentes principales Un conjunto de perforación de tipo tornillo consta principalmente de cuatro conjuntos principales: la válvula de derivación, el motor de lodo, la junta universal y el eje de transmisión.
Motor de lodo El motor de lodo es el componente principal. La experiencia de campo y el análisis teórico indican que, para una operación normal y confiable, la caída de presión por etapa del motor idealmente no debe exceder los 0.8 MPa; de lo contrario, se produce una fuga de fluido, la velocidad del rotor cae rápidamente y, en casos severos, la rotación puede detenerse y el motor puede dañarse. (Un avance del motor equivale a una etapa). El flujo de lodo utilizado en el campo debe mantenerse dentro del rango recomendado; los flujos fuera de ese rango reducen la eficiencia del motor y aumentan el desgaste. Los parámetros de rendimiento del motor definen el rendimiento principal de todo el ensamble de perforación. El torque de salida teórico del motor es proporcional a la caída de presión del motor, y la velocidad de rotación de salida es proporcional al flujo de lodo de entrada. A medida que aumenta la carga de la broca, las rpm disminuyen; por lo tanto, al monitorear el flujo de la bomba de superficie y la presión de la bomba (a través del manómetro de la tubería vertical), se puede inferir y controlar el torque y la velocidad del fondo del pozo.
Válvula de derivación. La válvula de derivación se compone de un cuerpo, un manguito, un elemento de válvula (núcleo) y un resorte. Bajo presión, el elemento de válvula se desliza dentro del manguito y su posición cambia la trayectoria del fluido para proporcionar dos estados: derivación (abierta) y cerrada. Durante el rodaje o el disparo, los puertos del manguito y del cuerpo están abiertos, de modo que el lodo evita el motor y fluye hacia el espacio anular. Cuando el flujo y la presión del lodo alcanzan el punto de ajuste de la válvula, el elemento de válvula desciende y cierra el puerto de derivación; el lodo fluye entonces a través del motor, convirtiendo la energía hidráulica en energía mecánica. Si el flujo se reduce demasiado o el bombeo se detiene, el resorte empuja el elemento de válvula hacia arriba y la válvula se vuelve a abrir, de modo que el lodo evita nuevamente el motor.
Construcción y comportamiento del motor. El motor consta de un estator y un rotor. El estator se fabrica uniendo un revestimiento de caucho a la pared interior de una carcasa de acero; su diámetro interior es una hélice con geometría definida. El rotor es un tornillo de acero endurecido. El rotor y el estator se engranan para formar cámaras helicoidales selladas gracias a su diferencial de avance, lo que permite la conversión de energía. Los rotores pueden ser monolobulados o multilobulados (de un solo cabezal o multicabezal). Un menor número de lóbulos produce mayor velocidad, pero menor par; un mayor número de lóbulos produce menor velocidad y mayor par.
Junta universal. La junta universal convierte el movimiento planetario (excéntrico) del motor en una rotación constante del eje de transmisión y transmite el par y la velocidad del motor al eje de transmisión y a la broca. Los tipos de eje flexible son los más comunes.
Eje de transmisión El eje de transmisión transmite la potencia rotatoria del motor a la broca y también debe soportar cargas axiales y radiales generadas por el peso en el contacto entre la broca y la formación.
Requisitos de funcionamiento
Requisitos del fluido de perforación. Los motores de tornillo pueden operar eficazmente con diversos fluidos de perforación, incluyendo lodos a base de aceite, emulsiones, lodos bentoníticos a base de agua e incluso agua relativamente limpia. La viscosidad y la densidad del lodo tienen poco efecto directo en el rendimiento del motor, pero sí afectan directamente la presión del sistema. Si la presión a un caudal recomendado supera la presión nominal de la bomba, se debe reducir el caudal o disminuir la caída de presión en el motor y la broca. Las partículas sólidas, como la arena, aceleran el desgaste de los cojinetes y el estator del motor, por lo que el contenido de sólidos debe mantenerse por debajo del 1 %. Cada modelo de motor tiene un rango de caudal de entrada específico donde la eficiencia es buena; el punto medio de ese rango suele ser el caudal operativo óptimo.
Control de presión de lodo y presión de bomba Cuando el motor está desprendido del fondo y el flujo es constante, la caída de presión a través del motor permanece constante. A medida que la broca toca el fondo y aumenta el peso sobre la broca, la presión de circulación y la presión de la bomba aumentan. El perforador puede usar: Presión de la bomba en el fondo (durante la perforación) = Presión de la bomba de circulación en el fondo + caída de presión de carga del motor. La presión de la bomba de circulación en el fondo es la presión de la bomba cuando el motor está desprendido del fondo (también llamada presión de la bomba de circulación o de fondo libre). Varía con la profundidad del pozo y las propiedades del lodo, por lo que no es una constante fija. En la práctica, es suficiente usar la presión en el fondo medida justo después de que se levanta un soporte como un valor aproximado para los cálculos de control. Cuando la presión de la bomba en el fondo alcanza el máximo recomendado del motor, el motor produce su torque óptimo; mayores aumentos en el peso sobre la broca aumentarán la presión de la bomba y, si se excede la presión máxima de diseño, el motor puede detenerse. En ese caso, el perforador debe reducir el peso sobre la broca inmediatamente para evitar daños internos.
Manipulación y uso
Notas generales antes del primer uso Las conexiones roscadas entre los componentes se preparan en fábrica con adhesivo anaeróbico y se aprietan según los valores especificados; normalmente no es necesario volver a apretarlas antes del primer uso.
Inspección de la superficie antes de ejecutar el pozo
Levante el conjunto por el elevador y colóquelo en la mesa giratoria de modo que la válvula de derivación quede por encima de la mesa y sea fácilmente visible. Instale las cuñas de seguridad y retire el elevador.
Compruebe el funcionamiento de la válvula de derivación: presione el elemento de la válvula hacia abajo con un palillo de madera y suéltelo; el resorte debería volver a colocarlo suavemente. Repita de 3 a 5 veces para confirmar que no esté atascado.
Con el puerto de derivación debajo de la mesa giratoria, arranque la bomba brevemente: el puerto de derivación debería cerrarse, el motor debería arrancar y la junta de accionamiento debería girar. Tras detener la bomba, el elemento de la válvula debería reiniciarse y el lodo debería descargarse por el puerto de derivación, lo que indica un funcionamiento normal.
Haciendo funcionar el motor en el agujero
Controlar estrictamente la velocidad de funcionamiento para evitar descensos rápidos que podrían provocar que el motor se invierta y desenrosque las conexiones roscadas internas, y para evitar daños al pasar por puentes de arena, zapatas de revestimiento o cornisas.
En secciones profundas o de alta temperatura, y al pasar por zonas de arena no consolidada, circule periódicamente lodo para enfriar el motor, proteger el caucho del estator y evitar la acumulación de arena.
Disminuya la velocidad a medida que el motor se acerca al fondo; circule antes de la colocación final, comenzando con un flujo bajo hasta que los recortes de perforación regresen a la superficie, luego aumente el flujo según sea necesario.
No golpee el motor hasta el fondo ni lo deje reposar inmóvil en el fondo.
Perforación con el motor
Limpie completamente el fondo del pozo y mida la presión de la bomba de circulación en el fondo antes de comenzar a perforar.
Aplique el peso de perforación gradualmente al inicio. Utilice la relación bomba-presión mencionada anteriormente para controlar las operaciones de perforación.
No perfore demasiado rápido al principio; el motor, la broca y el fondo del orificio están “apretados” y una limpieza inadecuada del orificio puede provocar que la broca se aglomere.
El par motor es proporcional a la caída de presión del motor; aumentar el peso sobre la broca aumenta la carga del motor y, por lo tanto, la caída de presión y el par motor.
Una velocidad de penetración suave y uniforme y los soportes de la sarta de perforación ayudan a mantener el control de la inclinación del pozo y la precisión direccional.
Salida del agujero e inspección.
Enjuague la válvula de derivación con agua limpia y mueva el elemento de la válvula hacia arriba y hacia abajo con un palo de madera hasta que se cierre de manera confiable.
Sujete el conjunto con una llave de tubo, gire la junta de transmisión en el sentido de las agujas del reloj con una llave de cadena mientras inyecta agua limpia a través de la parte superior de la válvula de derivación para limpiar el interior, luego introduzca una pequeña cantidad de aceite lubricante (aceite mineral) en el motor.
Controle la velocidad de tracción para evitar que la tubería se atasque o que se dañe el motor.
Mida la holgura de los cojinetes; si la holgura de los cojinetes del eje excede los límites permitidos, se debe reparar el motor y reemplazar los cojinetes. En motores de reentrada o reacondicionamiento, la holgura axial de los cojinetes debe ajustarse según sea necesario.
Lista de verificación de superficie previa a la carrera (resumen)
Se aplica compuesto bloqueador de roscas a todas las carcasas excepto a la conexión de la válvula de derivación a la subválvula de elevación.
Instale la broca de tornillo con el adaptador correcto. Use una llave de cadena solo en el extremo del eje de transmisión y gire solo en sentido antihorario (visto desde arriba) al ajustar para evitar aflojar las roscas internas.
Levante el motor por el substituto de elevación y colóquelo en el rotatorio; ubique la válvula de derivación en un lugar donde pueda observarse, asegúrela con pasadores y retire el substituto de elevación.
Revise el sellado de la válvula de derivación: presione el elemento de la válvula hacia abajo y llene la zona de derivación con agua desde arriba. Si la válvula está bien apretada, no debería haber una disminución significativa del nivel de agua. Retire la varilla; el elemento de la válvula debería emerger por la fuerza del resorte y el agua debería fluir uniformemente por los puertos laterales; esto indica un estado normal.
Tras el rodaje, coloque la válvula de derivación en un lugar visible, debajo del Kelly/rotativo. Arranque la bomba de lodo y aumente gradualmente el caudal hasta que la válvula de derivación se cierre. Eleve ligeramente el motor y observe si la broca gira; con la válvula cerrada, no debería salir lodo de la derivación. Tras detener la bomba, confirme que la derivación se vuelva a abrir y que el lodo se descargue por los puertos de derivación. No eleve la válvula de derivación por encima de la mesa giratoria mientras la bomba esté en funcionamiento para evitar contaminar el piso de la plataforma.
Ensamble todos los subs doblados, collares de perforación no magnéticos, estabilizadores, etc. necesarios, de acuerdo con el conjunto diseñado.
Corriendo en el hoyo: orientación adicional
Controle la velocidad de descenso para evitar daños causados por puentes de arena, salientes o zapatas de entubación. Si se encuentran estas secciones, circule el lodo y escaria lentamente el pozo antes de continuar.
Si se utilizan subs o carcasas dobladas, el lado de la broca puede entrar en contacto más fácilmente con la pared del pozo o las zapatas de revestimiento; gire periódicamente el conjunto para reducir los efectos de desvío.
Para pozos profundos o de alta temperatura, realice una circulación intermitente durante el funcionamiento para evitar que la broca se obstruya y para proteger el caucho del estator contra daños por calor.
Si el lodo no fluye rápidamente por el puerto de derivación durante el descenso, reduzca la velocidad de rodaje o haga pausas periódicas para llenar el motor con lodo. No golpee ni apoye el motor en el fondo.
Arranque del motor en el agujero
Si el motor ha estado en el fondo, súbalo entre 0,3 y 0,4 m y arranque la bomba de lodo. Registre la presión del tubo vertical y compárela con los cálculos hidráulicos. Es normal que la presión sea ligeramente superior debido a la carga lateral de la broca.
Limpie a fondo el fondo del pozo, especialmente en pozos direccionales. La acumulación de ripios afecta las rpm y puede inducir un dogleg. Una circulación adecuada mientras se gira lentamente el motor (o se gira gradualmente de 30° a 40°) limpiará los ripios del fondo. Después de la limpieza, eleve el motor de 0,3 a 0,4 m, verifique y registre los valores de presión.
Vuelva a entrar al fondo y aumente gradualmente el peso sobre la broca; el par motor aumentará y la presión en el tubo vertical aumentará. El aumento de la presión en el tubo vertical debe corresponder a los valores de caída de presión del motor especificados para el modelo. Monitorear este aumento indica que la carga del motor y el peso de perforación son adecuados y que la velocidad del motor es estable. Mantenga la presión en el tubo vertical dentro de los límites recomendados por el motor para que el perforador pueda evaluar rápidamente el estado de la herramienta.
Si el motor está descentrado y la presión de circulación es alta, las boquillas de la broca pueden estar tapadas o el eje impulsor puede estar atascado.
Salir de viaje: precauciones
Durante el viaje de salida, la válvula de derivación se encuentra en estado de derivación (abierta) y permite que el fluido de perforación de la sarta de perforación fluya hacia el espacio anular, pero el motor no puede descargar el fluido por sí solo. Es habitual desplazar la parte superior de la sarta de perforación con fluido más pesado antes de extraer el motor para garantizar un desplazamiento seguro.
Una vez que el motor alcance el nivel de la válvula de derivación en el piso de la plataforma, retire los componentes de la derivación y enjuague el motor con agua limpia desde la parte superior de la válvula. Use un palo de madera o el mango de un martillo para mover el elemento de la válvula hacia arriba y hacia abajo hasta que se mueva libremente. Después de limpiarlo, vuelva a colocar el substituto de elevación y extraiga el motor.
Si se dispone de lavado con agua dulce en el lugar, enjuague completamente el motor antes de guardarlo.
Si no dispone de instalaciones de limpieza, fije el cuerpo del motor al piso de perforación, sujete y gire el extremo grande del eje de transmisión (el extremo que conecta con la broca) con una tenaza hidráulica, girándolo en sentido horario (en el mismo sentido que la rotación de la perforación). Esto expulsa el lodo de las cámaras selladas del motor y ayuda a protegerlo de la corrosión. Esta práctica es especialmente importante en invierno para evitar que el lodo residual dentro del motor se congele antes de volver a ponerlo en marcha.
