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MOTORES DE FONDO (Down Hole Mud Motors)

Curso de Perforación Direccional ESPOL / FICT Preparado por: Rafael U. Rodríguez

DOWN HOLE MUD MOTORS • •

Accionados por el flujo de fluido. Tipos más comunes de motores de fondo – –

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Turbina (bomba centrífuga o axial) Motor de Desplazamiento Positivo (PDM)

Principios de operación – – –

Diseños diferentes Turbinas: de amplio uso en el pasado Motores de fondo: muy comunes en el presente.

DOWN HOLE MUD MOTORS •

Partes básicas de los motores de fondo: – – – –

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Dump Valve Assembly Power Section Connecting Rod Assembly Bearing and Drive Shaft Assembly

Dump Valve Assembly: – – –

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Permite que el lodo llene o salga de la sarta de perforación durante un viaje. Válvula de pistón. Rata de flujo (arriba valor mínimo) Î válvula forzada hacia abajo para cerrar los puertos Todo el fluido es dirigido hacia el motor Rata de flujo (debajo del valor mínimo) Î válvula abre accionada por un resorte

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas Dump Valve Assembly: – – – –

Motor de fondo puede funcionar sin necesidad de este mecanismo. Puede reemplazarse por un sub o correrse con los puertos taponados. Recomendación: correr esta herramienta Ventajas: • •

Permite bajar la sarta llena de lodo en el pozo (consideraciones – control de pozos) Permite sacar la sarta seca “dry” – siempre y cuando los puertos no sean taponados por la formación.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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Power Section: – – –

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Aplicación reversa de la bomba Moineau El fluido es bombeado dentro de las cavidades progresivas del motor. La fuerza del movimiento del fluido origina que eje (shaft) rote dentro del estator (stator). La fuerza rotacional es entonces transmitida hacia la broca a través del “connecting rod”.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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Power Section: –

Rotor • • • •

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Cromado (chrome – plated) Forma helicoidal “Lobe” Perfil con un “lobe” menos que el estator.

Estator • • •

Housing Cavidad en forma de espiral Elastómero (caucho) moldeado dentro del housing

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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Power Section: – – –

Configuraciones motor (ejemplos) Cada espiral completa del estator es denominada una etapa. Motores divididos en: • • •

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Función de las etapas, número de lóbulos del rotor y cavidades del estator. •

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Baja velocidad Mediana velocidad Alta velocidad

A mayor número de lóbulos, mayor torque del motor y más bajas RPM

Power Section = Motor Section.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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Connecting Rod Assembly: – –

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Ubicado en la parte baja del rotor del motor de fondo. Transmite el torque y la velocidad rotacional desde el rotor hacia el “drive shaft” y la broca. Convierte el movimiento excéntrico del rotor en un movimiento concéntrico en el “drive shaft”.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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Bearing and Drive Shaft Assembly: –

Drive Shaft • • •

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Componente rígido de aleación de acero Dentro de un “bearing housing” Protegido por “bearings” radiales y axiales.

Bearing Assembly: •

Transmite fuerza rotacional a la broca.

¾ Off-bottom bearings • •

Off – bottom (?) Soporta: el peso del fluido, del rotor, connecting rod, drive shaft y la broca

¾ Radial Support bearings • • • •

Camisas de carburo de tungsteno Provee soporte radial al drive shaft Regulan el flujo de lodo que enfría el drive shaft y los bearings. Alternativa: bearings sellados con aceite.

¾ On-bottom bearings •

Soportan el peso mientras se perfora.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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Rotating bit (drive) sub –

Es la única parte externa movible del motor de fondo.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

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En algunos diseños de motores de fondo, un crossover / saber sub es utilizado entre el housing del estator y la dump valve para ayudar a proteger las roscas del estator.

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Diagrama típico de un motor de fondo con sus principales componentes.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Hidráulica •

Rango de tasas de flujo permitidos: – –

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Depende del tipo y OD del motor Motores con múltiples lóbulos tienen mayor rango de galonaje – útil para altas ROP’s (limpieza)

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Non-load pressure loss – –

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El motor girando libremente off - bottom La mínima presión requerida para hacer que el rotor gire dentro del estator cuando el lodo es bombeado a través del motor. Presión para vencer la fricción. Cada motor tiene un valor conocido de perdida de presión asociado con la tasa de flujo y las RPM. Generalmente no mayor a 100 psi.

Perdidas de presión a través del motor (Pmotor):

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Broca toca el fondo y se empieza a aplicar peso sobre la broca (WOB). La presión de bombeo aumenta. Presión diferencial = Pon-bottom – Poff-bottom Torque del motor se incrementa en forma directamente proporcional al incremento de la presión diferencial. Para motores multilobulos la Pmotor >=500 psi.

Stallout Pressure: – –

Cada motor tiene un valor recomendado de máxima presión diferencial (torque optimo) Si se aumenta el peso sobre la broca el valor Pmotor se incrementara. • • • •

Deformación del recubrimiento del estator. Sello rotor / estator es dañado y el fluido sale directamente al hueco sin mover la broca La presión se comporta en forma errática y no cambia con aumentos de WOB. Stallout condition.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Power Output Curve • •

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La curva de rendimiento de un motor es una parabola Practicamente se obtiene el mismo rendimiento cuando el motor trabaja entre el 50 – 60% de la maxima presion diferencial establecida para el motor que cuando trabaja al 90%. Se recomienda trabajar el motor en el rango de 50 – 60% para tener un colchon de prevencion contra la situacion de stallout.

ESTIMACION DEL DOG LEG SEVERITY •

Estimación hecha en base a una geometría de 3 puntos. – – –

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L = distancia desde la broca al centro del estabilizador ubicado sobre el motor. BUR (°/1;00 ft) = Bent housing angle * 200 / L Ejercicio – –

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Broca Bend o estabilizador ubicado en el bearing housing. Primer estabilizador sobre el motor.

L = 36 ft / Bent housing angle = 1.5° BUR = 1.5 * 200 / 24 = 8.33° / 100 ft

Formula aplicable solamente cuando se esta en la fase de construcción de ángulo. La respuesta de este ensamblaje al decrecer la inclinación es diferente.

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Side Force – – – – –

Fuerza resultante en la broca que el ensamblaje: Incremente ángulo (fuerza positiva – efecto fulcro) No cambie la inclinación (fuerza neta cero – BHA empacado) Caiga la inclinación (fuerza neta negativa – efecto péndulo) Parámetros de perforación juegan un papel importante en la fuerza resultante.

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Slick Assembly –

El mas simpre: broca, DC’s, DP

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Ensamblaje con un solo estabilizador – –

Mover el estabilizador mas hacia abajo resultara en un side force positivo. Incrementos en WOB llevaran a incrementos en la tasa de construccion.

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Ensamblaje con dos estabilizadores – –

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Primer estabilizador (near bit) : 3 – 6 ft sobre la broca Para un determinado WOB, la distancia desde la broca al primer estabilizador (L1) y entre los estabilizadores (L2) determinara el punto de tangencia. Si el punto de tangencia ocurre entre la broca y el estabilizador de fondo resulta en una side force negativa.

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Ensamblaje con dos estabilizadores –

Si el punto de tangencia ocurre entre la broca y el estabilizador de fondo resulta en una side force negativa.

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Ensamblaje con dos estabilizadores –

Si el punto de tangencia ocurre entre los estabilizadores resulta en una side force positiva.

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Ensamblaje con tres estabilizadores? Ensamblajes típicos para construir ángulo

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Ensamblajes típicos para mantener ángulo

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Ensamblajes típicos para disminuir ángulo