Sistemas de Perforación Direccional Rotario

(Rotary Steerable System)

Integrantes: 

Prado Coronado Cristhian Luis Rijalva Saavedra María Lizeth Vélez Ramírez Oscar Andrés Rivera Rivera Jorel Ronaldo

Sistemas de Perforación Direccional Rotario

(Rotary Steerable System)• Las herramientas rotativas direccionales

fueron introducidas a la industria del gas y petróleo en la década de 1990. Existen dos tipos básicos, "empuje de barrena” y "apunte de barrena". Empuje de barrena se refiere a ejercer una fuerza lateral sobre la barrena, implica doblar el montaje para que la barrena se apunte hacia la dirección deseada durante la perforación. Apunte de barrena es generalmente reconocido como el mejor, lo que resulta con un agujero más estable, de mejor calidad y con una mayor capacidad de pata de perro.

• El desarrollo de esta herramienta fue impulsado por la ingeniería y las ventajas económicas que se podría obtener por dirigir el pozo mientras se hace girar continuamente la sarta de perforación. La demanda de los clientes se debió a la necesidad de profundizar cada vez más difíciles perfiles así, algunos de los cuales no serían posibles con los sistemas de dirección convencionales. • El sistema rotativo direccional utiliza la tecnología de perforación de apunte

de barrena para mejorar la calidad del pozo y de la vida de este. Este sistema utiliza un estabilizador inteligente cerca de la barrena para orientar el eje de barrena, con el eje del agujero deseado. • La experiencia y las pruebas han demostrado que colocar este estabilizador

inteligente cerca de la barrena, nos genera pozos limpios esto producido por el corte de la barrena. Este simple diseño compacto hace que sea fiable, rentable y fácil de ampliar a tamaños más grandes de la herramienta.

• Una camisa exterior no giratoria se utiliza con levas de anti-rotación para restringir su rotación con la columna de perforación. Un eje de accionamiento central se incorpora para transmitir el movimiento a través de la herramienta para la barrena. La rotación relativa entre el centro del eje y la rotación de la camisa exterior no giratoria acciona una bomba hidráulica. Esta bomba genera la fuerza motriz necesaria para compensar excéntricamente el eje de accionamiento dentro de la camisa exterior no giratoria. Cuando se requieren cambios en la dirección del pozo se accionan pistones hidráulicos para desviar el eje de la línea central de la camisa exterior estabilizada. Esta desviación del eje obliga a la barrena apuntar en la dirección opuesta.• Esta herramienta consta de electrónica de control de navegación, es decir,

dirigen el sistema hidráulico interno a través de un solenoide de accionamiento eléctrico. El solenoide se energiza por pistones para el control de cara de la herramienta y la deflexión. Si la camisa exterior no giratoria comienza a rodar, la electrónica redirige el sistema hidráulico para mantener la cara de la herramienta correspondiente y realizar ajustes de deflexión. La alimentación para la electrónica de control se realiza a través de una batería de litio interna.

• Los perforadores detectaron claramente el potencial para que una herramienta de perforación direccional, de rotación continua, eliminara la perforación por deslizamiento, mejorara la limpieza del pozo, aumentara la velocidad de penetración (ROP) y redujera el riesgo de aprisionamiento por diferencial, como parte de una amplia gama de beneficios adicionales. Por ejemplo, ahora es posible utilizar un trepano bicéntrico o ensanchadores concéntricos para ensanchar los pozos durante la perforación con un sistema rotativo direccional, ahorrando el tiempo del equipo de perforación por las operaciones de perforación y ensanchado del hueco llevabas a acabo en forma separada. • Estos sistemas utilizan los elementos internos de la herramienta, en

vez de los elementos externos para referenciar su posición dentro del pozo y preservar así la calidad del mismo. En efecto, los sistemas más avanzados simplemente aplican una fuerza lateral consistente, en forma similar a los estabilizadores tradicionales que rotan con la columna de perforación orientando el trepano en la dirección deseada.

• Esta última metodología provee una severidad de hasta 8º/100 pies en las formaciones más blandas. Los sistemas rotativos direccionales avanzados deben enfrentarse con trayectorias más que complicarlas. Estos sistemas ahora se construyen para desempeñarse en los ambientes más adversos como son: Temperatura de pozo hasta 150°C en formaciones altamente abrasivas, con cualquier tipo de fluido y en ambientes de alto impacto. Estos avances introducidos en los equipos, se suman a los dispositivos electrónicos más resistentes y durables que mejoran la confiabilidad reducen los riesgos. •  La introducción de la tecnología rotativa direccional eliminó varias

de las desventajas de los métodos de perforación previos. Debido a que un sistema rotativo direccional perfora direccionalmente con rotación continua, desde la superficie, no existe la necesidad de deslizar la herramienta, a diferencia de las perforaciones realizadas con motores de fondo.

Objetivos Principales del Sistema

• Su objetivo principal es perforar desde el zapato hasta la profundidad final en la menor cantidad de carreras posibles con una máxima velocidad de perforación.• Este sistema representa un paso de

cambio frente a la confiabilidad y eficiencia, facilitando la perforación de carreras largas y reduciendo el tiempo de perforación

Principales Ventajas• Se tiene una mejor transferencia de peso al trepano, lo que

aumenta la velocidad de penetración. • Mejora la limpieza del pozo porque mantiene en mayor

movimiento el fluido y los recortes de perforación, permitiendo que fluyan fuera del pozo en vez de acumularse formando un colchón de recortes, lo cual puede llevar a un aprisionamiento mecánico. • Hay menos posibilidades de que la sarta de perforación se

atasque, si se mueve la mayor parte del tiempo. • Reduce el riesgo por aprisionamiento diferencial ya que la

columna de perforación se mantiene en continuo movimiento.• Mejora el control direccional en tres dimensiones.

• Mejora la colección de datos con los registros eléctricos debido a una mejor calidad de pozo. Incrementar y mejorar la calidad de los datos LWD debido a la rotación continua• Reduce el riesgo en las bajadas de revestimiento al no tener

“microdoglegs”/microquiebres asociados.• Eliminar el tiempo dedicado a la alineación de cara de la herramienta, la

herramienta rotativa direccional se controla automáticamente. • No deslizar reduce el riesgo de tubería doblada. • Reduce torque y arrastre debido a una curvatura de pozo más uniforme • Evaluación de la formación mejorada por el contacto de los pads de

herramientas wireline.Esta amplia variedad de ventajas ha convertido los sistemas rotativos direccionales en una parte esencial de muchos programas de perforación.

Tecnologías de Perforación Direccional Rotativa:

• Push –the- Bit: Utiliza el principio de la Fza lateral , resultado de la fuerza vectorial originado por la acción hidráulica de empuje de los pads sobre las paredes del pozo, como resultado una fuerza de empuje que desvía la broca

• Point- the- Bit: Utiliza el principio de orientación de la broca, introduce una compensación a la trayectoria de la broca mediante un mecanismo hidráulico- electrónico que trabaja como pívot. El eje de rotación es deflectado en el centro entre los dos rodajes (Puntos de apoyo) mediante levas duales excéntricos, como resultado desvía la broca en la dirección opuesta

• Un aspecto clave de esta herramienta es la rotación continua del sistema direccional completo a la misma velocidad del trepano. Para mejorar la orientación hacia un objetivo específico se cuenta con una respuesta inmediata de la herramienta a las órdenes impartidas desde la superficie por el operador (por cambios de presión de bombas). Los medidores de la inclinación y dirección cerca de la broca dan cuenta de la eficacia de las órdenes relacionadas con la orientación, mejorando más aun el control direccional.

Medición Durante la Perforación (MWD).

• Debido al desarrollo de la tecnología de telemetría, actualmente existen maneras de medir la dirección, inclinación y cara de la herramienta, como es los magnetómetros, acelerómetros.• La energía se proporciona por baterías, cable conductor o por un generador

accionado por el fluido de perforación. Si la herramienta de medición es colocada en el aparejo de fondo, cerca de la barrena, y las mediciones se toman durante la perforación, a ésta herramienta se le denomina MWD (Measurement While Drilling). • Las herramientas MWD (Measurement While Drilling), Medición Mientras se

Perfora, se utilizan para obtener información del pozo en tiempo real, tal como la inclinación, rumbo, temperatura del lodo y orientación de la cara de herramienta (del motor de fondo). Por ser una herramienta magnética, se debe alojar dentro de un drill collar antimagnético. Se compone de módulos mecánicos y electrónicos y normalmente se sitúa arriba del motor de fondo.

• La herramienta se compone de tres principales secciones, que son:

Pulser. Este módulo tiene componentes mecánicos que mediante la obstrucción y liberación parcial del flujo del lodo, transmite hasta la superficie la información del pozo, en forma de pulsos. Esta se llama telemetría de pulsos de lodo.

Módulo electrónico. Este módulo tiene componentes electrónicos que con la ayuda de acelerómetros y magnetómetros se encargan de medir la inclinación y rumbo del pozo, así como la orientación de la cara de herramienta.

Módulo de baterías. Este módulo contiene las baterías para proveer de energía a la herramienta completa. Las baterías normalmente son de Litio y pueden trabajar durante periodos prolongados, (Hasta 240 Hrs.) a altas temperaturas (Hasta 130° C).

Registro eléctrico durante la perforación LWD.

• A diferencia de las herramientas MWD, las cuales toman registros de Dirección e Inclinación, las LWD se encargan de medir las propiedades petro-físicas (Ejemplo: Saturación de hidrocarburos, Litología, etc.) de la formación ubicada alrededor del pozo que se está perforando. •  Las compañías operadoras utilizan las herramientas LWD para evaluar el valor

de producción de sus reservorios durante y después de la perforación. Es sumamente importante que la información recopilada sea precisa y de calidad. •  La información recopilada por las herramientas LWD es traducida en un registro

LWD. Esta representación gráfica muestra las propiedades de la formación que han sido medidas en relación con la profundidad correspondiente. •  Cuando se utilizan varios tipos de registros LWD en un análisis, esto se conoce

como Interpretación de registro. De la Interpretación de Registros se puede obtener información relevante y completa de la formación fcomo por ejemplo: Saturación de Hidrocarburo.

Clasificación de las herramientas LWD.

• Dependiendo del tipo de mediciones que se realicen podemos clasificar los servicios LWD básicos de la siguiente manera:

Herramientas que miden Rayos Gammas Naturales. Herramientas que miden Resistividad de la formación.Herramientas que miden Porosidad y Densidad de formación. • En la actualidad existen herramientas que proporcionan una combinación de

varias mediciones.

Rayos Gamma Naturales. • Este tipo de servicio se encarga de medir la cantidad de Rayos Gamma

naturales que tiene la formación. Ciertas formaciones poseen esta característica, la cual indica la composición o el tipo de roca de la formación.

• Los registros de Rayos Gamma: son utilizados para localizar arenas, que generalmente son potencialmente productivas o que poseen yacimientos petroleros.

Registros de Resistividad. • Las herramientas que toman registro de Resistividad miden el grado en el

cual la formación se opone al paso de flujo de corriente eléctrica. Como bien se sabe el agua es conductiva y el petróleo resistivo. Los registros indican si el fluido en la arena es petróleo o agua. Este tipo de registros también es útil para indicar presión de formación en arcillas.

Registros de Porosidad y Densidad. • Las herramientas que proporcionan este servicio

utilizan fuente radioactiva para medir el porcentaje de formación ocupada por espacios porosos. El registro del LWD indica en este caso sí el hidrocarburo es petróleo o gas. Casi todo el petróleo y gas producidos actualmente provienen de espacios porosos. • La productividad de un reservorio depende en gran

medida del porcentaje de saturación de hidrocarburo en los espacios porosos. Es importante diferenciar si esos espacios porosos están ocupados por petróleo o agua.

Características de las herramientas LWD. • Toda herramienta LWD debe ser programa antes del inicio de la perforación. Esta programación

se debe conservar en el programa que controla las computadoras de superficie. De esta manera el programa de superficie puede saber que información recibe y en que intervalo de tiempo.

• Las herramientas LWD utilizan baterías que se encargan de proporcionar el poder requerido para tomar las mediciones. La información recolectada puede ser enviada a superficie vía MWD en Tiempo Real y también se puede obtener el Registro de Memoria. Este último posterior a la perforación

• Las herramientas de LWD no toman registros de profundidad. La información recibida durante la perforación se realiza con respectoal Tiempo.

• En superficie las computadoras que reciben la información proveniente del LWD, también reciben un registro proveniente del sensor de profundidad. Este último registro contiene la Profundidad del pozo con respecto al tiempo.

• Las computadoras de superficie unen ambos registros: de esta manera se puede ver el Registro del LWD con relación a la Profundidad.

Ventajas del uso del LWD.

 El producto final de un LWD es un Registro, el cual es personalizado dependiendo de:

• Las variables medidas durante la perforación.

• La escala conveniente de acuerdo a los rangos predeterminados dependiendo del Campo donde se perfora.

• Los Registros puede ser en Tiempo Real y Registros de Memoria.

Producto final del LWD.

• Disponibilidad de datos de formación en Tiempo Real.

•  Permite tomar decisiones cruciales durante la perforación.

•  LWD forma parte de la sarta de perforación, tiempo extra consumido se reduce de forma considerable.

• El contacto con el hoyo perforado es inigualable.

•  Menor tiempo de exposición de las herramientas detrás de la perforación

•  Menor probabilidad de efectos de invasión de la formación que afecten la información recopilada.

Factores que afectan la medición del LWD.

•  Tiempo prolongado de exposición en el hoyo puede ocasionar Efectos de Invasión y por lo tanto alteraciones en la medición. • Formaciones con permeabilidad alta también pueden verse afectadas por

invasión y por lo tanto provocar alteraciones en la medición. • Ciertos aditivos en el lodo de perforación pueden ocasionar lecturas

erróneas de las herramientas LWD (Ejemplo: Barita). • Mal empleo de las herramientas puede ocasionar fallas en los sensores y

dispositivos destinados a la medición. • La transmisión en Tiempo Real se puede ver afectada por falta de

comunicación con la herramienta MWD (Encargada de la transmisión a superficie). Sin embargo, en este caso la información de memoria aún está disponible.

Herramientas de nueva generación: Power Drive

•  Es una herramienta que permite cambiar el rumbo y la inclinación del agujero con un control direccional total en 2 o 3 dimensiones con la sarta girando continuamente Se envían comandos mediante variación del gasto desde la superficie para que la herramienta desvié a la dirección deseada

No se Desliza. Aumento de ROP en un 30% aproximadamente.

• Las aletas se apoyan a las paredes del pozo y empujan a la barrena secuencialmente hacia el lado opuesto que viene a ser la dirección a la cual se requiere llevar al pozo. • Tiene 3 aletas movidas por pistones hidráulicos, las aletas

aplican fuerza lateral a la barrena mientras giran a la velocidad de ésta.

Características de la herramienta Power Drive.

•  El sistema Power Drive es un sistema compacto y poco complicado desde el punto de vista mecánico, que comprende una unidad sesgada y una unidad de control que agregan sólo 3.8 m [12 1/2" pies] a la longitud total del BHA. La unidad sesgada, ubicada directamente detrás de la mecha, aplica una fuerza sobre ella en una dirección controlada mientras toda la columna gira. La unidad de control, que se encuentra detrás de la unidad sesgada, contiene dispositivos electrónicos, sensores, y un mecanismo de control que proporcionan la magnitud y la dirección promedio de las cargas del lado de la mecha, necesarias para alcanzar la trayectoria deseada. •  La unidad sesgada tiene tres patines externos articulados, que son activados por el

flujo de lodo controlado a través de una válvula. La válvula utiliza la diferencia de presión de lodo existente entre el interior y el exterior de la unidad sesgada. •  La herramienta de perforación dirigible Power Drive tiene una gran versatilidad, ya

que no solo permite perforar rotando, donde el perforador tiene la decisión de operar con la sarta perforando y deslizando en el porcentaje que crea conveniente.

Aplicaciones de la herramienta Direccional.

•  En los sistemas rotativos direccionales la variedad de mechas que se pueden utilizar es mayor que en el caso de los motores direccionales, puesto que el control de la orientación de la herramienta es suficiente aún cuando se utilizan mechas de perforación agresivas. El control direccional con un PDM y una barrena de mayor potencia puede resultar difícil porque una barrena más compleja (agresiva) puede generar grandes fluctuaciones en el torque. • Las variaciones en el torque alteran la orientación de la herramienta en

detrimento del control direccional. Una barrena corta de un compuesto policristalino de diamantes (PDC. por sus siglas en inglés), por ejemplo, la Hycalog DS130, maximiza el rendimiento del sistema Power Drive. • La versatilidad de la herramienta Power Drive también permite el uso de otros

diseños de barrenas, como las barrenas tricónicas. La rotación de la sarta de perforación mejora en gran medida la limpieza del pozo, minimiza el riesgo de aprisionamiento de la columna de perforación y facilita el control direccional. La potencia en la mecha no disminuye por la necesidad de realizar operaciones de perforación con deslizamiento.

• El control direccional se puede mantener más allá del punto donde el torque y el arrastre hacen que el deslizamiento con un motor resulte poco efectivo. Los beneficios del incremento de la ROP en comparación con un motor de deslizamiento tradicional quedan demostrados al utilizar el sistema Power Drive, ya que el ROP mejora considerablemente debido a que la barrena y la sarta giran conjuntamente, la herramienta Power Drive ha demostrado que la eliminación del deslizamiento durante la perforación direccional provoca un gran incremento de la tasa de penetración. La eliminación del modo de deslizamiento también hace posible la realización de trayectorias de pozos poco habituales.

•  Todas estas aplicaciones representan en la planificación y ejecución de la perforación de un pozo una optimización en el tiempo de operaciones y por ende en una disminución de costos y altos beneficios para la empresa al comenzar hacer producir más temprano el pozo y recuperar la inversión más rápidamente.

Aplicaciones de la herramienta Direccional.

Requerimientos esenciales para el uso de Power Drive.

•  600 a 800 libras de caída de presión en la barrena.• Elección de la barrena apropiada para la aplicación correcta. •  Lodo limpio. • Monitoreo constante de vibraciones y golpes durante la

perforación. • Intervención inmediata en caso de vibraciones y golpes

variando los parámetros de perforación. • Bombas en óptimas condiciones

CONCLUSIONES• Finalmente, podemos concluir que éste sistema de

Perforación basado en los principios de fullcrum, estabilización y péndulo, da como resultado una mejor construcción y terminación de pozos direccionales, reduciendo así riesgos de pega de tubería, de atascamiento de broca, etc.• Además, la sarta navegable rotaria es capaz de conectar

pozos separados por fallas, anticlinales, etc. De ésta manera se logra reducir costos en grandes proyectos direccionales.