REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN SUPERIOR.UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARA BARALT.PROGRAMA DE INGENIERA Y TECNOLOGA.PROYECTO DE INGENIERA DE GAS.

APLICACIN DE MECHA LSER DE DIODO DIRECTO COMO ALTERNATIVA FACTIBLE PARA LOS SISTEMAS DE PERFORACIN UTILIZADOS EN VENEZUELA

MEJAS, Mara CI: 24.265.086NAVA, Jenneli CI: 23.860.487PALMA, Josimary CI: 24.605.440ROJAS, Kevin CI: 23.469.942VILLEGAS, Nathaly CI: Asignatura: Electiva II CorrosinProfesor: Ing. Marlon Santiago

Ciudad Ojeda, Abril del 2014.RESUMEN

Desde los inicios de la industria petrolera, el sistema de perforacin que marcaba la pauta en Venezuela era la llamada Percusin o con Herramienta de Cable; cuyo funcionamiento consiste en el impacto de un barrena diseada con un material de alta dureza y resistencia en el lugar donde se pretenda fabricar pozos para los fines especficos. Desde el siglo XX se emplearon sistemas mucho ms novedosos que consistan en la aplicacin de un sistema de rotacin que permita perforar la superficie en menor tiempo y a muy bajos costos en comparacin con la antigua perforacin a cable. Con el pasar de los aos se ha optimizado este ltimo sistema, de manera que permita obtener mayores eficiencias en cuanto a la produccin de pozos y la reduccin del tiempo que se necesita para perforar. La presente investigacin busca ofrecer una ptica innovadora respeto al empleo de mechas lser que sustituyan a las tradicionales mechas o barrenas empleadas en el sistema de rotacin utilizado en un taladro de perforacin estndar. El lser es fundamentalmente una Ampliacin de Luz por Emisin Estimulada de Radiacin, en donde un dispositivo permite convertir la energa en forma de voltaje en un tipo de haces radioactivos electromagnticos llamados fotones. El proyecto estar basado en las ventajas econmicas, de produccin y de reduccin del tiempo de trabajo de los sistemas de perforacin a base de una mecha lser; realizando especial nfasis en la utilizacin de un diodo directo, que permita ofrecerlo como una alternativa potencial en la ingeniera.

Palabra Clave: Diodo Lser, Perforacin, Mecha Lser, Fotones.

SITUACIN PROBLEMTICA

Los sistemas de perforacin de pozos, desde los principios de la Industria petrolera han estado representados por las tcnicas que implican un caoneo o percusin y, el ms utilizado, un mecanismo de rotacin a travs de un conjunto de tuberas, impulsados por diferentes equipos que generan potencia mecnica. Por tal motivo, Arrington (2010) explica que la primera patente correspondiente a la mecha rotativa para formaciones rocosas duras registradas en el ao 1909, marc el nacimiento de la industria moderna de las mechas de perforacin. Esto se encuentra ntegramente relacionado a los procesos de perforacin que implicaban la utilizacin de mechas dicnicas para generar pozos de profundidad apreciable. A partir de la dcada de los 50s se disearon mechas tricnicas a base de materiales de alta resistencia como Carburo de Tungsteno, incrustaciones de diamante y revestimientos de diversos materiales de aleacin.En cuanto a la tcnica empleada para realizar la perforacin de un pozo, Lpez en el ao 2002 detalla que para realizarla, es necesario que las mechas funciones bajo dos principios elementales: fallar la roca debido a sus esfuerzos de corte y ejercer compresin sobre la misma. A nivel mundial, las mechas tricnicas son las ms utilizadas debido a su alta eficiencia de perforacin en cuanto a profundidad y tiempo de trabajo, que implica altas velocidades de giro y esfuerzos de compresin mucho mayores que otro en particular. En Venezuela, el empleo de mechas tricnicas y de tipo PDC marcan la pauta en la perforacin de pozos petrolferos de la nacin.Partiendo de lo anterior, Shahvir Pooniwala y Society of Petrolium Engineers (2006) han diseado una mecha lser para perforar pozos, que ha demostrado tener un alcance futurista para ser la herramienta que reemplazar a perforacin rotatoria convencional. El LASER bsicamente es un anacrnico para Ampliacin de Luz por Emisin Estimulada de Radiacin (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El lser es fundamentalmente un dispositivo el cual convierte la energa en una forma de haces radioactivos electromagnticos (fotones). Estos fotones son principalmente producidos debido a la regresin de los tomos a su ms bajo estado de energa despus de su excitacin a los ms altos niveles.Est alta energa conforme con la luz radioactiva puede ser enfocada para formar un haz potente de alta intensidad, el cual puede ser empleado para fragmentar la roca, fundirla o evaporarla, dependiendo de la potencia de entrada, del tipo de lser, del ajuste focal y de las caractersticas de interaccin del lser con el tipo de roca particular presente. Los otros parmetros del lser incluyen: el mtodo de descarga (pulsado o continuo), la longitud de onda, el tiempo de exposicin, la amplitud del pulso, la tasa de repeticin, la potencia media y sus picos. Estos parmetros determinan la transferencia de energa efectiva a la roca. Los lseres son actualmente empleados como una herramienta de potencia con resultados efectivos en varios campos como lo son: el mdico, el metalrgico y aplicaciones militares. Los lseres hoy en da son ampliamente usados para cortes con precisin y soldadura de metales, cermicas y otros materiales. De acuerdo con lo antes planteado, existe un tipologa de lseres que estn disponibles para las operaciones de perforacin, que incluyen los siguientes: Laser de Fluoruro de Deuterio (FD) y Laser de Fluoruro de Hidrgeno (FH), Laser Libre de Electrones, Laser Qumico de Oxigeno Iodo, Laser de Dixido de Carbono, Laser de Monxido de Carbono, Laser de Neodimio: Itrio Aluminio Granate (Nd:YAG), Laser excmero de Fluoruro de Kriptonita (KrF), Laser Qumico de Avanzada Mid-Infrare (MIRACL) y Laser de Diodo Directo; haciendo especial nfasis en este ltimo.Por tal razn, la aplicacin de esta nueva tecnologa de perforacin permitir obtener una serie de ventajas respecto de los sistemas ya explicados, en donde se resaltan las siguientes: Mayor tasa de penetracin, menor desgaste de la mecha, Reduccin de la cantidad de viajes de entrada y salida del hoyo, y la aplicacin satisfactoria en todos los tipos de operaciones de perforacin. A su vez, el mismo aparato de produccin del lser puede ser reusado para perforar un cierto nmero de pozos. OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO

Evaluar la factibilidad tcnico-econmica en la aplicacin de la mecha lser de diodo directo con respecto a los sistemas de perforacin convencionales utilizados en Venezuela.

ANTECEDENTES DEL PROYECTO

Rodrguez y Gutirrez (2003): Diseo, Construccin y Aplicacin de Nuevos Sistemas Lser Adifraccionales. Uno de los proyectos tcnicos de la Ctedra es el diseo y la construccin de un nuevo sistema lser que genere rayos lser de alta potencia que no se ensanchen al propagarse. Adicionalmente, se explorarn las potenciales aplicaciones de estos rayos en la industria (lser de perforacin y corte), la biotecnologa (pinzas pticas) y la metrologa. Esta investigacin permitir ofrecer un soporte en el diseo y elaboracin del sistema lser a base de un diodo directo que permita obtener una alta intensidad que sea concentrada en un punto especfico sin que haya dispersiones.

Ulloa y Hierro (2004): Diseo, fabricacin y caracterizacin de diodos lser basados en pozos cunticos de InGaAs(N)/GaAs. El trabajo realizado es una contribucin al desarrollo de diodos lser de pozo cuntico de InGaAs/GaAs para la emisin en 1.06-1.1 micras y de GaInNAs/GaAs para la regin de 1.3-1.55 micras. Se presenta un detallado estudio terico que incluye el clculo de la estructura de bandas y la ganancia material de los mencionados pozos cunticos. En el caso del InGaAs, se demuestra emisin lser a temperatura ambiente hasta 1.11 micras y demuestra que el campo piezoelctrico est slo parcialmente apantallado en umbral. Tambin se calcula por primera vez la re-normalizacin del gap en estos dispositivos. Este aporte contribuir a desarrollar los mecanismos de diodos lser a utilizar para implementar una tecnologa de perforacin de acuerdo a cada caso presente en la actividad de campo.

Borruel y Esquivias (2004): Modelado, simulacin y diseo de diodos lser de alto brillo. Esta tesis recoge el trabajo realizado sobre modelado, simulacin y diseo de diodos lser en forma de embudo (tapered). Estos dispositivos presentan un brillo y una calidad de haz superiores a otros lseres de semiconductor de potencia, pero su funcionamiento complejo hace conveniente la utilizacin de herramientas de simulacin en el proceso de optimizacin. Se ha profundizado en la comprensin del funcionamiento global de estos dispositivos, as como en los mecanismos que deterioran y limitan su rendimiento. Se ha desarrollado un simulador tridimensional para diodos lser en forma de embudo que permitir verificar las pautas a seguir para disear un sistema efectivo de acuerdo con las especificaciones deseadas. Esta investigacin brindar alternativas de diseo de mechas lser para la utilizacin de diodos de contacto directo entre la superficie y el sistema de perforacin.

DESARROLLO DEL PROYECTO

1. Perforacin a Lser:La mayora de las investigaciones en el campo de la perforacin a lser estn enfocadas nicamente al uso del lser para evaporar la roca, fundirla o fracturarla de acuerdo con los parmetros de voltaje, intensidad y resistencia utilizados en el circuito electrnico empleado por la mecha. Estos mtodos son propuestos para tener varias ventajas sobre la implementacin de tcnicas de perforacin rotatoria, las cuales incluyen: Incremento de la Tasa de Penetracin (TDP). La perforacin a lser muestra el potencial de tener un TDP que representa ser ms de 100 veces los valores de TDP presentes. Reduccin del tiempo de viaje y un incremento de la vida til de la mecha. El lser depende de parmetros tales como: el peso de la mecha, la tasa de circulacin del lodo, la velocidad de rotacin y el diseo de la mecha. Perforaciones exactas y precisas, ya que la mecha viaja sin problemas para mantener una lnea recta a lo largo del trayecto. Proporcionar mayor control en la perforacin, con capacidad de seguimiento lateral. Dimetro de hoyo nico. El logro de estos avances, siendo atractivos ambientalmente y ofreciendo tecnologa rentable y segura.

2. Tipos de Lseres:

Existen diferentes tipos de lseres que estn disponibles y son clasificados segn las bases de las fuentes de produccin como son: Lseres de Gas, Lseres de Tinta, Lseres de Vapor de Metales, Lseres de Estado Slido, Lseres Semi Conductores, Lseres Libres de Electrones, Lseres con Bomba Nuclear. Sin embargo en este momento solo unos pocos lseres han sido considerados, nicamente resumidos en una lista corta de estos estn disponibles para la perforacin, fundicin o deshidratacin de las rocas. Estos estn incluidos como:

Lser de Fluoruro de Deuterio (FD) y Laser de Fluoruro de Hidrgeno (FH) Lser Libre de Electrones. Lser Qumico de Oxigeno - Iodo. Lser de Dixido de Carbono. Lser de Monxido de Carbono. Lser de Neodimio: Itrio Aluminio Granate (Nd:YAG) Lser excmero de Fluoruro de Kriptonita (KrF) Lser Qumico de Avanzada Mid-Infrare (MIRACL) Lser de Diodo Directo (Base del Proyecto)

3. Configuracin de la Mecha Lser:-Ensamblaje de Superficie: Est configuracin consiste en un aparato de produccin de lser en superficie. El lser produce haces los cuales se transfieren hoyo abajo usando cables de fibra ptica usados ampliamente en varias mquinas industriales a lser.-Ensamblaje de Fondo: Algunos lseres como el Laser de Diodo Directo son lo suficientemente compactos como para poder bajar el mecanismo completo al fondo del pozo. Los requerimientos bsicos para el funcionamiento del laser es suplir electricidad al tubo del laser. Este suplemento elctrico puede ser producido usando un motor de fondo.-Cabezal del Lser: El cabezal del laser es la etapa final del sistema de produccin de laser, es bsicamente una toma de corriente para el rayo laser a la roca.-Accesorios Adicionales: lentes enfocantes y desenfocantes, obturador, cables al fondo del hoyo y microprocesadores o computadoras.

4. Elaboracin de la Mecha Lser:La mecha lser, en su forma ms fundamental, es un dispositivo que posee un circuito electrnico integrado y acoplado un diodo lser directo que a su ve se encuentra conectado a una serie de lentes o amplificadores de seal que permiten descargar la energa en forma de fotones con una alta intensidad, que permite fracturar o evaporar la roca deseada para la perforacin de un pozo. Este dispositivo estar colocado en el sistema de perforacin ordinario representado por la cabria, los sistemas de seguridad, el sistema de circulacin de los fluidos de perforacin y los hidrocarburos del subsuelo, y un moderado sistema de levantamiento que permita elevar y descender el diodo lser con facilidad y a conveniencia del operador. El empleo de este circuito lser permite obtener un bajo ndice de costos de capital, en donde su factibilidad econmica equivale a casi un 50% mayor que si se utilizara un sistema de perforacin rotatoria convencional. De esta manera se puede inferir que si, por ejemplo, se utilizaran 6 o 7 mechas para perforar un pozo de gran profundidad utilizando un sistema de rotacin; se utilizara la mecha lser nica que equivale al costo de 3 o 4 barrenas clsicas.

5. Materiales a Utilizar:Dentro de los materiales que involucra la elaboracin del proyecto, stos se encuentran subdivididos en diferentes secciones del taladro de perforacin, lo que permite clasificarlos en los siguientes:

Para el Lser:

-Circuito Electrnico: en este caso el circuito integrado al diodo directo est compuesto por una serie de dispositivos para proporcionar y regular el voltaje y amperaje suministrados para generar el lser. Los elementos son: regulador de tensin LM317, resistencia variable de 100 ohm, resistencia fija de 5 ohm, condensador electroltico de 47 f y 25 V, diodo 1N4007, pila de 9 V y placa protoboard.

-Diodo Lser: para que el circuito antes mencionado tenga sentido, es necesario que se conecte en la misma placa protoboard un diodo lser, que ser extrado de una grabadora de DVD ordinaria.

-Lente de Convergencia: el diodo lser estar acoplado a una lente que ser extrada de un puntero simple, la cual permitir generar la intensidad necesaria a la energa suministrada por el circuito para que la mecha tenga la capacidad de quemar.

Para el Resto de la Maqueta: para realizar el resto de los sistemas del taladro de perforacin se utilizar material resistente como el MDF, incluyendo las partes internas del taladro. Adems se utilizarn lminas de anime, cartn, papel bond, foami, y otros materiales reciclables para efectos de una simulacin.

Para la Cartelera: igualmente se utilizarn materiales reciclables, incluyendo las hojas de la informacin del proyecto, adems de la colocacin de trpticos para facilitar la comprensin del tema.BENEFICIOS DEL PROYECTO

Dentro de la gama de ventajas que ofrece este proyecto, se pueden resumir en las siguientes: Mayor tasa de penetracin, esto es debido a la mayor eficiencia de ruptura o deshidratacin de la roca perforada. Menor desgaste de la mecha, y por lo tanto mayor prolongacin de la vida til de la misma. Reduccin de la cantidad de viajes de entrada y salida del hoyo. Se toma como beneficio ya que no es necesaria la entrada y salida de la sarta durante periodos cortos para el cambio de la mecha. Aplicacin satisfactoria en todos los tipos de operaciones de perforacin (Horizontal, Vertical y Direccional). Es una operacin multivariable ya que su facilidad para establecer la direccin sobre la que se quiere producir el pozo es alta y lo hace compacto en todo sentido. El mismo aparato de produccin del lser puede ser reusado para perforar un cierto nmero de pozos. Es un dispositivo de una vida til formidable y su utilizacin continua permitir altos retornos econmicos a bajo costo.

El uso de lseres para la perforacin fue un campo donde no muchos se aventuraron, esto sucedi porque la mayora de las personas discrepaban y posean puntos de vistas contradictorios hacia la perforacin a lser basado en estudios limitados de laboratorio y experimentos llevados a cabo hace 30 aos, cuando los lseres estaban en su infancia. Los lseres usados en esos periodos tenan muy poco poder, eran difciles de enfocar, incapaces de transmitir poder sobre largas distancias, no eran porttiles y eran muy inseguros. Sin embargo con la llegada del desarrollo de nuevas tecnologas en el campo del lser, muchos de los problemas mencionados anteriormente se han detenido.

COSTOS ASOCIADOS AL PROYECTO

Dentro de los costos relacionados al proyecto se resumen en el siguiente recuadro:

MATERIALUSOCOSTO (Bs.)

PLACA PROTOBOARDALIMENTACION150

CONDENSADORALIMENTACION10

DIODO 1N4007ALIMENTACION5

RESISTENSIA FIJAALIMENTACION5

RESISTENCIA VARIABLEALIMENTACION30

DIODO LASERGENERACION DE LASER-

REGULADOR LM317ALIMENTACION40

PUNTEROGENERACION DE LASER35

PILA DE 9 VALIMENTACION30

CABLES CONDUCTORESALIMENTACION15

PAPEL BONDCARTELERA20

MARCADORESCARTELERA30

FOAMICARTELERA25

CARTONCARTELERA-

TRIPTICOSMATERIAL DE APOYO25

IMPRESIONESCARTELERA30

TOTAL:450.00

CONCLUSIONES

Las nuevas tecnologas aplicadas a la perforacin para optimizar eficiencia y control de costos y produccin estn ntegramente relacionadas, por lo cual se llega a los siguientes puntos: El uso de lseres para la perforacin fue un campo donde no muchos se aventuraron, esto sucedi porque la mayora de las personas discrepaban y tenan puntos de vistas contradictorios hacia la perforacin a lser. Los lseres usados en periodos anteriores a la revolucin de esta tecnologa tenan muy poco poder, eran difciles de enfocar, incapaces de transmitir poder sobre largas distancias, no eran porttiles y eran muy inseguros. Recientes estudios han probado que la fractura por laser es ms eficiente comparado con otras tcnicas de remocin de rocas. La mecha mecnica con lser se considera una tcnica alternativa efectiva de explotacin de la fractura con laser para dar un mecanismo ptimo de perforacin. El estudio de factibilidad tcnico-econmica determina que es posible emplear mecanismos lser en lugar de los sistemas de perforacin rotatoria ordinarios.

RECOMENDACIONES

Desde el punto de vista del investigador, las investigaciones sobre este tema deben estar ligadas a los siguientes temas: Se debera realizar un estudio profundo de los tecnicismos del sistema de distribucin de servicios respecto a los procesos de perforacin a lser. Los lseres candidatos deberan estar en una lista ms corta, ya que es necesario realizar estudios sobre la viabilidad de algunos tipos de lseres para ser utilizados en el campo. Debe realizarse una evaluacin inicial de costos en las modificaciones de la tubera de perforacin. Desde que el 20% del tiempo de plataforma es gastado en operaciones de viajes y un 50% del tiempo es gastado en investigaciones intensas de profundidad, es lgico que la rapidez de la tasa de penetracin y el menor uso de la mecha reduzcan los costos. Sin embargo el alto costo de factibilidad inicial seria compensado por el costo ahorrado del uso de plataforma. Debe hacerse un estudio de los efectos de vibracin en los cables de fibra ptica y un anlisis de riesgo en caso de fallas del cable ptico. Un problema puede ocurrir con el lodo de perforacin deshidratado, este se puede convertir en polvo debido al gran calor generado por el laser. Una medida correctiva puede ser el usar un fluido de perforacin transparente como solucin. Otra solucin puede ser usar gases inertes tal es el nitrgeno como fluido de perforacin.

ANEXOS