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• Alexandra Guayes Sandoya

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UNIVERSIDAD ESTATAL PENINSULA DE SANTA ELENA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA EN PETRÓLEO

ASIGNATURA: Perforación I DOCENTE: Ing. Darío Cedeño TEMA: Diseños básicos de BHA direccional Factores importantes en los diseños de un pozo direccional NOMBRES: Melissa Domínguez Parrales PARALELO: 6/1

SEXTO SEMESTRE – 2017

Diseños básicos de BHA direccional El BHA afecta la trayectoria del pozo y puede variar desde diseños muy simples hasta complicados, todo dependiendo del tipo de herramientas que se utilicen; las cuales varían en función del tipo de ensamblaje que se requiera con el fin de perforar y mantener el control del hoyo. Las herramientas más comunes que componen un BHA son:  Lastrabarrenas  Collares  Sustitutos  Estabilizadores de camisa  Tubería de perforación pesada, HWDP  Tubería de perforación-Especifica  Martillos de perforación  Uniones flexibles.  Ensanchador de subsuelo  Turbinas de perforación  Reductores de diámetro  Moneles no magnéticos.  Herramienta MWD o/y LWD  Motor de fondo (Geo Pilot)  Broca

Para el diseño de un BHA óptimo, se debe identificar la respuesta del ensamblaje a variaciones en parámetros de operación, como peso sobre la broca (WOB), ángulo de inclinación del pozo, configuración de los estabilizadores, y tendencias de la formación, además es primordial identificar la máxima severidad de pata de perro de constricción, en la cual cada BHA puede ser rotado. También se deben realizar cálculos de fuerzas internas y externas a las que está sometido el BHA. En algunos casos estas fuerzas ocasionadas por la curvatura del hoyo podrían generar problemas de fatiga o sobrecarga. La mayoría de modelos de predicción de comportamiento del ensamblaje se basan en que el efecto del control de la trayectoria direccional se consigue cuando las fuerzas que se apliquen en la broca permitan perforar en la dirección deseada. Comúnmente, dos tipos de modelos son usados: 

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Equilibrium (Curvatura constante del hoyo). - Modelo utilizado cuando en cierto punto de la trayectoria del hoyo, todas las fuerzas que actúan en el ensamblaje para producir su flexión y fuerzas de los diferentes componentes de un ensamblaje de fondo están en equilibrio. Plantea la aplicación de cargas conocidas sobre el BHA: peso sobre la broca, flotabilidad, peso de la sarta y también cargas resultantes de las fuerzas laterales como efecto de la anisotropía de las formaciones. Al ser un modelo sencillo, se descartan las consecuencias de la rotación y dinámica del ensamblaje de fondo, y de la misma manera, el resultado del análisis refleja el efecto neto de la interacción de la broca y las formaciones, mas no, en forma detallada. Drill- ahead models (Larson and Azar). - Un análisis que considera el constante cambio en la trayectoria y su dirección basado en las fuerzas en la broca y los factores anisotrópicos. La anisotropía en la broca considera que la facilidad para perforar a través de las formaciones en respuesta a una fuerza dada, no es la misma facilidad que resulta al perforar en respuesta a la misma fuerza. En cuanto a la anisotropía de las formaciones diferencia la dirección en la que se hace más factible perforar una formación. Considera las fuerzas que resultan de la rotación y torque. La teoría de Lubinski afirma que las formaciones tienen una mayor facilidad de ser perforadas perpendicularmente a sus estratos, y no paralelamente. Según Rollins las formaciones laminadas fracturan perpendicularmente a los estratos creando mínimos puntos que desvían a la broca. Murphey and Cheatham propusieron la teoría del momento en collares de perforación, sugiriendo que cuando la broca perfora de una formación suave hacia una formación más agresiva, la formación con mayor resistencia soporta la mayor carga de la broca, causando el

esfuerzo que se aplica en los collares de perforación. Luego, el collar se inclina hacia el lado opuesto del hoyo y dirige a la broca en esa dirección.

Configuraciones del Bha A. Tipo "A". Esta configuración usa HW encima de los drill collars como una transición para suavizar el cambio abrupto de sección Sin embargo el peso total sobre la broca se aplica con los drill collars. B. Tipo "B". Esta configuración tiene suficiente drill collars para mantener un control adecuado de la dirección y llegar a un objetivo aplicando peso sobre la broca tanto con los drill collars como con los HW. Este arreglo mejora y facilita el manipuleo en superficie, disminuye la tendencia a atascamientos por diferencial y aparentemente disminuye las fallas de las conexiones del drill collars. C. Tipo "C". Esta configuración tiene más de un tamaño de drill collars pero sigue usando tanto los drill collars como los HE para peso sobre la broca. También disminuye el riesgo por diferencial a la vez que mantiene una mayor rigidez y concentración para el peso sobre la broca.

Un BHA que consta de tubería de perforación y un sondeo de inclinación. Los tipos de metales que componen la tubería por su peso y su comportamiento elástico. De la forma y dimensiones de las tuberías, el momento de inercia axial (I), y el momento polar de inercia (J), puede ser determinada. La mayoría de los

componentes de perforación usados en un BHA pueden ser representados como un cilindro de paredes gruesas o como una columna cuadrada con un agujero cilíndrico en el centro. Por lo que tenemos:

Tabla del Modulo de Elasticidad

Es aplicable una fuerza lateral negativa (fuerza péndula) sobre la broca, con peso cero. La fuerza pendular máxima a la broca es: H=(Wc.L.BC.sin I)/2 Donde: L= longitud tangencial BC= factor de flotación Wc= peso de DC en aire (suspendido) (lb/ft) I = inclinación A mayor inclinación del hueco, mayor es la fuerza pendular. Si aplicamos una carga axial (peso sobre la broca), una fuerza positiva es introducida (doblamiento). El punto tangencial se corre más cerca a la broca. Así la fuerza pendular es reducida. Es alcanzada en algunos puntos una condición de fuerza lateral neta cero. Resulta una mayor fuerza pendular si usamos DC

más rígidos. Para alcanzar una condición balanceada debe ser usado un peso mayor sobre la broca. Quizá esto no sea posible. Este tipo de BHA no es usado en pozos desviados, ya que al usar conjuntos lisos se tiene una pérdida de control del pozo, y los resultados son impredecibles. Tipos de BHA Convencionales Fulcrum. También llamado punto de pivoteo. Es importante que la pared de los conjuntos de fondo proporcione longitud de contacto para asegurar el alineamiento del hueco que ya se ha perforado. La experiencia ha confirmado que un solo estabilizador actúa como un Fulcrum o punto de pivoteo. Esto hace que el ángulo del pozo crezca debido a las fuerzas laterales de los drill collars no estabilizados Pueden ser: 1. Simple (Slick assembly). Está conformado por broca, drill collars, y Heavy Weight. Este tipo de BHA tuvo muchos problemas de desviación de pozos y de atasques por diferencial 2. Multi componentes. Es aquel que además de los componentes básicos tienen alguna otra herramienta tales como STB, reamers, Jars, amortiguadores, que ayudan a controlar la dirección. Pueden ser: 

Building BHA. - Se usa para construir el ángulo (incrementar la inclinación del agujero).



Holding BHA Packed off Assy.- Se usa para mantener el ángulo la dirección.

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Dropping BHA. o Assy Pendular. Para control de desviación. - Se usa para hacer caer (reducir) el ángulo.

BHA con un estabilizador Una manera fácil de controlar el punto tangencial es insertar un estabilizador en el BHA. Si el estabilizador se encuentra lo suficientemente alejado de la broca, este no tiene efecto en el comportamiento del BHA. Sin embargo, si el estabilizador es movido más cerca a la broca, el punto tangencial cambia. El o los DC entre la broca y el estabilizador sé flexan cuando es aplicado un cierto peso sobre la broca. Un punto es alcanzado donde el máximo de fuerza negativa lateral ocurre (péndulo). Se produce el efecto pendular moviendo el estabilizador cerca de la broca.

BHA de dos estabilizadores El BHA multi-estabilizador más simple tiene un estabilizador NB (3’-6’ de la broca, a la orilla a la aleta del estabilizador) un segundo estabilizador a cierta distancia sobre este NB. Para un peso dado sobre la broca, la distancia de la broca al primer estabilizador (L1) y entre los estabilizadores (L2) determina el punto tangencial.

BHA de múltiples estabilizadores La adición de un tercer estabilizador a 30’ sobre el estabilizador original inferior tiene un efecto significativo de cómo responde un BHA tipo B’UP. La fig. 2-10 es una gráfica de inclinación vs fuerzas laterales a la broca para 3 BHA de 2

estabilizadores fig. 2-11 muestra como el uso de un tercer estabilizador aumenta la fuerza lateral.

2-10

2-11

En los BHA rígidos el uso de un tercer estabilizador es esencial. De lo contrario el comportamiento del BHA es errático e imprevisible. Sin embargo, en BHA tipo drop off (péndulo) los BHA de 2 estabilizadores es suficiente normalmente. Un tercer estabilizador tendría un efecto mínimo en casi todos los casos. A menos que sea absolutamente necesario. Ejemplo. Los problemas de pega diferencial), es aconsejable limitar el número de estabilizadores a 3 para cualquier BHA.

Factores importantes en los diseños de un pozo direccional El BHA es el componente de la sarta de perforación que soporta con mayor impacto los esfuerzos que se presentan durante la construcción de la trayectoria del pozo: tensión, compresión, presión interna y externa, torque, arrastre, fatiga, torsión, abrasión, erosión y corrosión. La interacción de estas fuerzas durante la perforación, pueden causar diversos problemas durante las operaciones de perforación que podrían resultar en pegas por presión diferencial, altos torques y arrastres, pandeo, fuerzas laterales, desprendimientos, etc.

Es necesario, previamente, realizar cálculos aproximados de las fuerzas laterales sobre la broca y sobre los estabilizadores, así como los valores de torque y arrastre ocasionados en las herramientas del ensamblaje de fondo, para tener un buen rendimiento del BHA durante las operaciones en campo. 1.- Fatiga en tubería de perforación Lubinski explica que la fatiga en los ensamblajes de fondo se genera, de acuerdo a la figura, cuando el estrés en el punto B es mayor que el estrés en el punto A, y la sarta de perforación es rotada, el punto A se mueve desde el interior de la curvatura hacia el exterior regresando nuevamente hacia el interior, una y otra vez, de manera que cada parte de la tubería experimenta desde la mínima hasta la máxima tensión y así sucesivamente. Este estrés cíclico causa fatiga en la sarta de perforación, la cual usualmente se hace presente entre los dos primeros pies del cuerpo de la tubería que se encuentran cercanos a los juntas de unión o a los puntos de apoyo del ensamblaje direccional, esto es debido al cambio abrupto de tensión por las diferencias de diámetros de sus componentes.

2.- Torque y Arrastre 

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Torque: Es una carga que representa la resistencia a la rotación debido a las fuerzas de contacto entre la sarta de perforación o revestidor y el revestidor de la sección anterior o el hoyo abierto. Arrastre: Es una fuerza axial generada de forma similar al torque, y básicamente toma el lugar del torque cuando la rotación de la sarta se detiene y la tubería se mueve únicamente en dirección axial. El arrastre siempre va a operar en la dirección opuesta en la cual la tubería está siendo movida.

3.- Fuerzas laterales Todos los ensamblajes de fondo causan una fuerza lateral que generalmente se hace más intensa en la broca, sin embargo, todo el BHA está expuesto a crear esta fuerza contra la formación, es así que, especialmente en los puntos de apoyos y conexiones de la sarta se genera una fuerza normal, es decir, que se dirige perpendicularmente a las paredes del hoyo, ya sea revestido o a hueco abierto. Las fuerzas laterales a su vez pueden ocasionar un incremento en la construcción de ángulo (fuerza lateral positiva – BHA fulcrum), mantenimiento de inclinación (fuerza lateral neta 0 – BHA rígido) o una caída de ángulo (fuerza lateral negativa - BHA péndulo). Adicionalmente, también se puede controlar o generar un leve giro a la derecha o izquierda, según se varíe parámetros de perforación. Mientras mayor peso a la broca se aplique, mayor será el efecto sobre el BHA para cambiar la dirección. Los factores que contribuyen a las fuerzas laterales son: peso, tensión, rigidez, pandeo, vibraciones.

4.- Tensión Es la fuerza de reacción que intenta devolver a la sarta de perforación a su estado inicial. Durante la perforación, la tendencia natural de la sarta de perforación es mantenerse recta, por lo que se crea una componente de fuerza de la sarta para soportar el peso sumergido de toda la tubería más el peso sumergido de las barras de perforación, estabilizadores y broca. Altas severidades de pata de perro, crean altas fuerzas de tensión en la sarta de perforación, es decir, se necesita mayor tensión para perforar pozos con valores de pata de perro agresivos. 5.- Pandeo Es un fenómeno resultante de la deformación de la sarta de perforación que se hace presente debido a que se encuentra sometida a grandes fuerzas compresivas que afectan su estabilidad elástica y se manifiesta por la aparición de distorsiones en la tubería. El primer tipo de pandeo en aparecer, se llama pandeo sinusoidal, en donde la tubería adopta una forma sinusoidal, y se presenta cuando se supera el límite crítico de pandeo. Si más tarde se supera el límite de forma sinusoidal, la tubería toma un pandeo helicoidal. Y si las fuerzas compresivas siguen aumentando, es probable que el ensamblaje de fondo se atasque, ocasionando problemas más severos.

6.- Rigidez La rigidez es un factor que debe considerarse en el diseño de ensamblajes de fondo, pues muchas veces la severidad alcanzada de la pata de perro es diferente a la planeada. Casi todos los componentes de la sarta de perforación pueden ser considerados como cilindros huecos.

Coeficiente de rigidez = E x I Donde: E= Modulo de YOUNG (lb/in2) I= Momento de inercia (in4) I = π(OD4-ID4) / 64 Donde: OD = diámetro externo ID = diámetro interno 7.- Peso Es la fuerza que actúa en la sarta de perforación, de tal manera que tiende a llevarla a la parte baja del hoyo por efecto de la gravedad. El valor de esta fuerza depende de la densidad del material del que está hecha la sarta de perforación y de sus dimensiones. El peso puede afectar al ensamblaje de fondo porque permite que la tubería sufra el contacto con la pared inferior del hoyo logrando que esta sufra desgaste, de la misma manera si no se maneja bien el peso dentro del hoyo se pudiera sufrir de un posible pandeo de tubería.

BIBLIOGRAFÍA Applied drilling engineering, 1986 doc. pdf http://myslide.es/documents/ensamblaje-de-fondo.html http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/6882/1/CD-5166.pdf http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-19966.pdf