TEMA 5 MOTORES DE FONDO

1. INTRODUCCION.Los Motores de Fondo (downhole motors DHM) son herramientas que convierten la energa hidrulica del flujo del lodo en energa mecnica que permiten la rotacin del trepano sin necesidad transmitir esta rotacin desde superficie. 2. METODOS DE PERFORACION SLIDING: Perforacin sin rotacin de superficie donde el DHM proporciona toda la rotacin al trepano. Usado para la construccin del tramo direccional del pozo. ROTARY: Perforacin con rotacin de superficie mas la rotacin transmitida por el motor de fondo. Usado para la construccin del tramo tangente del pozo. 3. TIPOS DE MOTORES DE FONDO Los motores de fondo son potenciados por el flujo del lodo de perforacin. Los dos importantes tipos de motores de fondo son: Los Motores de Desplazamiento Positivo PDM. Las Turbinas que bsicamente son bombas centrifugas o axiales. El diseo de ambas herramientas es totalmente diferente. Las turbinas fueron ampliamente usadas hace algunos aos atrs. Sin embargo, las mejoras en los diseos de los trpanos y PDM han hecho que hoy en da las turbinas solo sean usadas en aplicaciones especiales. Los principios de operacin tanto de los PDM como de las turbinas se muestran a continuacin. PRINCIPIOS DE OPERACIONTurbina de Fondo Motor de Desplazamiento Positivo Rotacin Rotaci Flujo Flujo

Rotacin Rotaci

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4. MOTORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO PDMs El primer motor de fondo usado en los campos petroleros fue el Dinadrill (Configuracin lobular 1:2). Todos los motores de fondo constan basicamente de los siguientes elementos: Vlvula de Descarga (Dump Valve Assembly). Seccin de Poder o Potencia (Power Section) Seccin Ajustable. Transmisin Seccin de Rodamientos (Bearing Section) Seccin Giratoria (Drive Shaft Assembly)

4.1.- Vlvula de Descarga (Dump Valve Assembly) Permite que el lodo llene el interior de la sarta de perforacin durante los viajes y la vace mientras realizamos alguna conexin o sacamos la tubera fuera del pozo. Permite el paso de lodo hacia la seccin de potencia. La vlvula opera a travs de un resorte el cual presiona un pistn. El pistn de la vlvula es activado por presin diferencial (requiere aprox. 30% del flujo de lodo para forzar el pistn abajo) La vlvula evita el influjo del pozo por el interior de la herramienta y permite que en los viajes la tubera salga seca.

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4.2.- Seccin de Potencia (Rotor/Estator) Los motores de desplazamiento positivo son una aplicacin inversa de las bombas de Moineau. El fluido es bombeado dentro de las cavidades progresivas del motor. La fuerza del fluido causa el movimiento rotatorio de la transmisin dentro del estator. La fuerza rotacional entonces es transmitida a travs de la transmisin al trepano

Stator (Elastometro)

Rotor Direccin de la Rotacin

Flujo del Fluido

Universal Joint

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El rotor es un vstago de acero con chapa cromada en forma de hlice espiral. El estator es una cavidad de acero hueca, donde se aloja una goma compuesta de elastmero, la cual adopta una forma espiral durante su fabricacin. El rotor es elaborado con un perfil de lbulos coincidente y similar al armado helicoidal del estator.

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Estator Regular montado en un tubo

Estator Regular montado en una cavidad especial

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Rotor

LOBULOS El estator siempre tiene un lbulo ms que el rotor. Una vez ensamblado el rotor y el estator forman un sello contino a lo largo de puntos coincidentes de contacto. La rotacin y el torque disponible en un PDM dependen del ngulo de contacto y el nmero de lbulos en el estator y el rotor.Bearing Assembly Deflection Device Stator By-Pass Valve

Drive Sub (Bit Box)

1 Stage

Drive Sub

Universal Joint Assembly

Rotor

Las configuraciones rotor/estator (o relacin de lbulos) actualmente en uso son: , , 5/6, 7/8 o 9/10. Las configuraciones desarrollan las mayores velocidades y solo estn disponibles para trpanos de PDC y diamante natural. A mayor cantidad de lbulos se tiene menores velocidades ( Torque).

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Configuracion Rotor/Estator (Relacin de Lobulos) Rotor/Estator Relaci Lobulos)1/2 2/3 3/4

5/6

7/8

9/10

La magnitud de la rotacin producida es proporcional al volumen de lodos bombeado a travs del motor. El torque generado a travs del PDM es proporcional a la cada de presin a travs del motor y es tambin una funcin del peso sobre el trepano (WOB). Un incremento en el WOB crear mas torque y de la misma manera un incremento en la presin diferencial requerida a travs de la seccin de poder. Resumen El Torque y las RPM estn determinadas por la configuracin Rotor/estator. La potencia del motor esta determinada por el nmero de vueltas del espiral (Etapas) y la relacin de lbulos Rotor/Estator. La interferencia Rotor/Estator puede ser ajustada de acuerdo a las condiciones del pozo.

4.3.- Seccin Ajustable (Bent Housing) Permite graduar la curvatura del motor de fondo para cualquier aplicacin direccional deseada

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4.4.- Seccin de Transmisin Es colocado en la parte baja del rotor, dentro de la seccin ajustable (bent housing). Transmite la velocidad rotacional y el torque hacia la seccin giratoria y de este al trepano. Una junta universal convierte el movimiento excntrico del motor en un movimiento concntrico dentro de la seccin rotaria.

Algunos modelos de motores PDM son reforzados con goma sobre la junta universal. Compensa la vibracin causada por el movimiento excntrico del rotor y la excentricidad de la seccin ajustable (bent housing).

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4.5.- Seccin de Rodamientos (Bearing Section) y Seccin Giratoria (Drive Shaft Section) La seccin giratoria es un componente de acero construido rgidamente. Se encuentra apoyado dentro de la seccin de rodamientos (bearing section) a travs rodamientos que soportan esfuerzos radiales y axiales. La seccin de rodamientos (bearing section) transmite la potencia rotacional y el esfuerzo de la perforacin al trpano de perforacin.

4.6.- Seccin de rodamientos (Bearing Section) Permite la rotacin de la barrena sin necesidad de rotacin de la sarta. Posee bolas que giran en pistas de carburo de tungsteno. Son sellados o lubricados por lodo. Sobre la seccin de baleros esta la Camisa Estabilizadora que es intercambiable de acuerdo a la aplicacin direccional requerida. Soportan el peso axial cuando se perfora.

Comparacin entre un PDM 1:2 Vs. Multilobulos ComparaciPDM 1:2 Altas Velocidades Bajos Torques Bajos Caudales de Flujo Bajo WOB Bajas presiones en el motor Bajas presiones en el trpano Necesitan trpanos de alta velocidad Relativamente fcil de orientar PDM Multilbulo Bajas velocidades Altos torques Altos caudales de Flujo Altos WOB Altas presiones en el motor Altas presiones en el trpano

Mas difcil de orientar

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Usado con junta ajustable

Usado con junta ajustable o arreglo dirigible

5. TURBINAS DE PERFORACION 5.1.- Introduccin Turbina de Perforacin: La turbina convierte la energa hidrulica proveniente del lodo en energa mecnica rotativa para se entregada a la mecha de perforacin. La velocidad de rotacin en fondo est entre las 600 rpm y 1500 rpm. La rotacin del trpano es independiente de la rotacin de tubera. Las turbinas de perforacin bsicamente constan de dos partes: Seccin de Poder o Potencia. Seccin de Rodamientos.

*Seccion de PotenciaEstabilizador Intercambiable Adjustable Bent Housing Estabilizador de seccion Rodamientos

Etapas blades

*Seccion Rodamientos

Rodamientos PDC

5.2.- Seccin de Potencia Esta seccin provee la potencia a la turbina. Dependiendo del requerimiento podemos tener configuraciones de 1 , 2 hasta 3 secciones de potencia por turbina.

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Se pueden contar con 70 a 150 piezas de alabes (Rotor/Estator) por seccin de potencia.

Seccin de Potencia SecciAlabe Movil Rotor Alabe Fijo Estator

Stator Blading DiskMud Flujo

Rotor Blading Disk

Seccion Motora Cuerpo Turbina Downward Thrust Ensamblaje En Conjunto Una Etapa Eje de la Turbina

5.3.- Seccin de Rodamientos: Soporta la fuerza axiale que se transmite a travs del eje, desde la seccin de potencia.

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Seccin de Rodamientos SecciComponentes Rodamiento Axial

Disco Movil Rodamientos Axiales

Disco Movil Labyrinth Espaciador Front Bearing

Eje Flexible Disco Fijo Bent Housing

Front Bearing Stabiliser Bit Box Stabilizador

5.4.- Se clasifica segn: Tamao de Turbina. El numero de secciones de potencia El perfil del Alabe

Tamao de la Turbina

Tamao de la Turbina Tama 2 7/8 turbine ( 23 rev/gpm) (1500 a 2200 rpm) 7/8 3 3/8 turbine ( 14.8 rev/gpm) (800 a 1800 rpm) 3/8 4 turbine (7.44 rev/gpm) (800 a 1600 rpm) 6 5/8 turbine (2.2 a 2.6 rev/gpm) (400 a 1000 rpm) 5/8 9 turbine (1.02 rev/gpm) (500 a 800 rpm)

Tamao de Trepano Tama 3 4 4 5 3/8 5 5/8 6 7 5/8 9 7/8 12 17

Numero de Secciones de la Turbina T1 - Turbina con una seccin de Potencia. T2 - Turbina con dos secciones de Potencia. T3 - Turbina con tres secciones de Potencia. T1XL- Turbina con una seccin Potencia extendida.

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T1

T2

T1 XL

El Perfil del Alabe o Aleta Tipos de Aletas o Alabes: Mk1, Mk2 o Mk3, los cuales son seleccionados para optimizar una aplicacin particular.

TEST MW 10 lpg , 200 gpm

5.5.- Caractersticas de las Turbinas:

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Capaz de generar altas potencias. La herramienta presenta un perfecto balance con los esfuerzos radiales La potencia a generar no depende de elastmeros, o elementos de goma (componentes metlicos). Las turbinas de perforacin tienen una excelente resistencia al calor. La velocidad y le torque son manipulables desde Superficie.

5.6.- Desventajas de las Turbinas: Las turbinas no tiene aplicacin con trpanos triconicos. Genera alta potencia a expensa del flujo de lodo, lo que da poca aplicacin en agujeros profundos. La fabricacin y el desarrollo de turbinas que sean comercialmente viable y confiable es difcil y costosa.

5.7.- Ventajas en Pozos Desviados: o o o Reduce el nmero de viajes por cambio en el arreglo de fondo de pozo (BHA). Evita realizar viajes por cambios de junta ajustable (bent sub) o por fallas en la herramienta. Es capaz de girar progresivamente a la izquierda usando una estabilizacin convencional de turbina recta.

6. PDMs Vs. TURBINAS

Turbinas Formaciones Duras Hoyos profundos / pequeos peque14

Motor PDM Formaciones Blandas / Semi duras Hoyos profundos/ pequeos peque Alto torque y baja velocidad

Alta potencia y velocidad

Respuesta del efecto WOB y BHA Tiene un confiable control de ngulo y azimut. Mantiene uniforme el perfil del pozo, reduciendo de esta manera el incremento del torque. Mantiene los regmenes de penetracin (ROP) en modo deslizamiento (sliding) como en modo rotario (rotary).

Desventajas comparado con motor de Fondo - PDM Presenta limitaciones en el bombeo de material para perdidas de circulacin (sellantes). El costo diario de la herramienta es mayor que los PDM. Las Altas velocidades son demasiadas para usar trpanos triconicos . Pero hoy en da ya existen turbinas de baja revolucin las cuales tiene aplicacin con este tipo de trpanos. Tiene muy poca aplicacin en las primeras secciones del pozo y en formaciones blandas. Presenta altas cada de presin, lo que es una limitacin para los trepanos de poca capacidad de bombas. Tiene un menor torque de salida.

7. METODOS DE DIRECCIONAMIENTO Fuerza Lateral Directa: Push-the-bit Fuerza opuesta a la del trepano, aplicada a las paredes del pozo (a travs de aletas pads) haciendo que el trepano adquiera la direccin hacia donde necesitamos dirigir el pozo.

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Eje Excntrico de la Barrena: Point-the-bit El trepano es direccionado hacia la direccin donde necesitamos perforar introduciendo un offset sistema parecido a perforar con un motor con bend housing.

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