PERFORACION DIRECCIONAL

Escuela de Perforación

Perforación Direccional Pág. 1 de 41

SECCIÓN 9 REGISTROS Y PERFORACIÓN DIRECCIONAL Contenido 1.0 Registros Direccionales

1.1 Por que Registrar? 1.2 Modelos de la Tierra 1.3 El Geoide 1.4 El Esferoide 1.5 Sistemas de División Terrestre

1.5.1 Cuadriculado Universal Transverso (UTM) 1.5.2 Proyección Cónica de Lambert 1.5.3 Otros Sistemas de División

1.6 Declinación Magnética 1.7 Mapas de División 1.8 Resumen

2.0 Herramientas de Registro 2.1 Factores de Selección de Herramientas 2.2 Herramientas Magnéticas

2.2.1 Herramientas de Registro Magnético 2.2.2 Disparo Individual Magnético 2.2.3 Registro Magnético de Caída 2.2.4 Disparo Magnético Múltiple (MMS) 2.2.5 Disparo Magnético Electrónico Múltiple (EMS)

2.3 Herramientas de Evaluación Giroscópica 2.3.1 Giroscopio de Disparo Simple 2.3.2 Giroscopio de Disparo Múltiple 2.3.3 Giroscopio de Lectura en Superficie (SRG) 2.3.4 Medidor Guía Láser Inercial – “RIGS”

2.4 Sistemas de Medición y Registro Mientras se Perfora MWD 2.4.1 Inclinación en MWD 2.4.2 Interferencia Magnética

3.0 Métodos de Cálculo Direccional de los Registros 3.1 Método Tangencial 3.2 Método de Angulo Promedio 3.3 Método del Radio de Curvatura 3.4 Método de Curvatura Mínima 3.5 Incertidumbre del Registro

4.0 Perforación Direccional 4.1 Por que Perforar Direccionalmente? 4.2 Técnicas de Desviación

4.2.1 Cucharas de Desviación 4.2.2 Propulsión 4.2.3 Perforación Rotatoria 4.2.4 Motores



4.3 Control Direccional con Sistemas Rotatorios 4.3.1 Calibre y Localización de Estabilizadores 4.3.2 Diámetro de Lastra Barrena 4.3.3 Tipo de Barrena 4.3.4 Anisotropía de formación 4.3.5 Dureza de Formación

4.4 Control Direccional con Motores de Fondo 4.4.1 Turbinas 4.4.2 Motores de Desplazamiento Positivo 4.4.3 Inclinación de Barrena 4.4.4 Torque Reactivo 4.4.5 Tamaño y Empleo del Estabilizador 4.4.6 Cálculo de Desplazamiento

5.0 Ensamblajes Típicos de BHA 5.1 Ensambles Rotarios

5.1.1 Ensamble de Fondo (BHA) para mantener ángulo 5.1.2 Ensamblaje para Construir ángulo 5.1.3 Ensamblaje para Reducir el ángulo

5.2 Ensambles Navegables 5.2.1 BHA en agujero de 17½” – Mantener Tendencia 5.2.2 BHA en agujero de 17½” – Tendencia de Construcción 5.2.3 BHA en agujero de 12¼” – Mantener Tendencia 5.2.4 BHA en agujero de 12¼” – Tendencia de Construcción

5.3 Ensambles Rotatorios Navegables



1.0 MONITOREO 1.1 ¿Por qué tomar registros direccionales? Datos precisos acerca de la posición del agujero perforado son requeridos para monitorear y controlar donde se encuentra y hacia donde se direcciona el pozo debido a las siguientes razones: • Alcanzar el objetivo geológico. • Proveer una mayor definición de la geología y datos del reservorio que permitan la optimización durante la etapa de producción. • Evitar la colisión con otros pozos. • Definir el punto de descarga del pozo para planear la contingencia en caso de un reventón. • Proveer datos precisos de profundidad vertical para el propósito de un control de pozo. • Proveer datos para otras actividades operativas tales como la corrida y la cementación de la tubería de revestimiento. • Cumplir con los requerimientos de la legislación local. 1.2 Modelos de la Tierra La Tierra es convencionalmente descrita como una esfera, pero tiene una superficie muy irregular con cadenas montañosas y profundos cañones mayores a las 5 millas por debajo y sobre el nivel del mar. El problema es como representar cualquier punto sobre la superficie terrestre en una hoja plana. Aunque pequeñas áreas de la tierra parecen tener una superficie plana, al ser vistas, en mayor escala muestran las diferencias. Esto ha hecho necesario mirar más de cerca la forma de la tierra, y buscar un método para representarla en una superficie plana. 1.3 El Geoide Una superficie suavizada representando la superficie terrestre y referida como tal es referida con el término de “Geoide”, el cuál puede ser reproducido físicamente, aunque es imposible describir cualquier punto en su superficie en forma matemática. El Geoide suaviza las irregularidades de la superficie terrestre, pero al hacerlo, crea curvas irregulares de si mismo. Si el nivel del mar pudiera ser establecido, este sería considerado la superficie del geoide. Todas las observaciones astronómicas son hechas en base al modelo geoide y las latitudes y longitudes astronómicas son posiciones en el. 1.4 El Esferoide La tierra puede ser representada con mayor precisión en su forma por un esferoide achatado en los polos por aproximadamente una relación de uno en trescientos debido a la rotación. Esto puede describirse matemáticamente por una ecuación algebraica, que puede ser utilizada como base para hacer cálculos. Más de una docena de diferentes elipsoides para describir la tierra han sido generadas y se encuentran en uso hoy en día.



En 1924, se definió un elipsoide oficial (basado en el elipsoide Hayford de 1909) y nombrado Elipsoide Internacional. Este modelo tenía un factor de achatamiento de 1:297, un radio polar de 6,356,911.9 m y un radio ecuatorial de 6,378,388 m. Muchos países no adoptaron este esquema y escogieron definir el suyo debido a las diferentes irregularidades en la forma esferoide en las diferentes partes del globo. La lista de modelos de esferoide más utilizados es tabulada a continuación:



Fig. 2

La Figura 2 representa una sección del meridiano de un esferoide a través de su eje polar OP. OQ representa el plano del ecuador. La figura es una elipse definida por las longitudes OQ y OP. Para calcular los puntos de conexión en su superficie, primero es necesario desarrollar las fórmulas la curvatura de su superficie con los elementos a, b y f como se define a continuación: f = (a – b)/a Donde f = Factor de achatamiento a = Longitud de OQ (Eje Semi mayor) o radio ecuatorial b = Longitud de OP (Eje Semi menor) o eje polar Así, tenemos tres formas que describen la tierra – su forma irregular, el geoide y el elipsoide (definido en forma matemática que encaja con la forma geoide). Las mediciones hechas en la tierra pueden ser referenciadas a la superficie geoide con un mínimo de error. El esferoide que más cercanamente encaja con el geoide puede ser definido por la observación del arco del meridiano (ver Fig. 3).

Fig. 3



La Fig. 3 representa una sección del meridiano a través de la cual la forma del esferoide es comparada con la del geoide. La forma de la elipse PAQ puede ser calculada si las longitudes OQ y OP son conocidas. Las latitudes A y B pueden ser determinadas astronómicamente. La posición de B puede también ser determinada matemáticamente por el análisis de la superficie del esferoide especificada por sus longitudes conocidas OP y OQ y por el uso del punto fijo inicial en A. También puede ser determinado por triangulación. La línea base en A (superficie del esferoide) es dejada al nivel del mar (superficie geoide). La cuidadosa triangulación permitirá que la posición B sea determinada. La diferencia en la el posicionamiento de B entre estos dos métodos y el determinado astronómicamente es una medida de que tan cercano coinciden el modelo esferoide y el geoide. Lo anterior sería repetido muchos meridianos a diferentes latitudes. Gradualmente las longitudes de OP y OQ, son variadas hasta que una coincidencia en los modelos geoide y esferoide es obtenida. 1.5 Sistemas de División Terrestre Los sistemas de división son líneas que corren de Este-Oeste y de Norte-Sur para generar patrones de cuadriculado. En un intento para sobreponer un sistema de cuadriculado en un mapa terrestre, se presentan problemas al tratar de representar la superficie esférica de la tierra en dos dimensiones sin incurrir en demasiada distorsión. El cartógrafo debe decidir las características que desea mostrar con mayor precisión. Diferentes sistemas de cuadriculado se encuentran en uso el día de hoy para proyectar la superficie de la tierra en una superficie plana y son clasificados generalmente de acuerdo a su método de construcción: Cilíndrico (UTM) y Cónico (Lambert). 1.5.1 Cuadriculado Universal Transverso (UTM) Este es el sistema comúnmente utilizado en el mundo y está basado en la proyección cilíndrica desarrollada por Johanes Lambert en 1772. En esta proyección, el esferoide representando la tierra es rodeada por un cilindro que toca la superficie de el esferoide en una línea de longitud específica. (Fig. 4).

Fig. 4 – Mapa de Proyección Transversa Cilíndrica

El cuadriculado UTM divide el mundo en 60 zonas iguales los 80 Grados Norte y 80 Grados Sur y cada uno tiene 6 Grados de amplitud siendo numerados del 1 al 60, Iniciando por la línea de fecha Internacional (180 Grados Oeste) y leyendo hacia el este alrededor del globo. Cada zona es achatada y cuadriculada. Cualquier punto puede ser referido con su número correspondiente de zona, calculando su distancia en metros al ecuador y la distancia en metros al norte o sur de su línea de referencia.



Para evitar números negativos, un valor arbitrario de 500,000 metros al Este es asignado al meridiano central en cada zona. Los valores típicamente fluctúan entre los 200,000 metros a los 800,000 metros al ecuador. (Extendiéndose 3° al meridiano central en cualquier zona). Para puntos al sur del Ecuador, el Ecuador es asignado con un valor arbitrario de 10, 000,000 m y los valores decrecen hacia el Sur.

Fig. 5 Zona Cuadriculada UTM

1.5.2 Proyección Cónica de Lambert Esta proyección fue primero descrita por Lambert en 1772 pero fue poco utilizada hasta la Primer Guerra Mundial cuando Francia hizo uso de dibujos de los primeros mapas de guerra. Este sistema utiliza un cono opuesto a un cilindro para cubrir el esferoide a ser considerado. Lo que produce una representación con líneas de la longitud apareciendo como líneas convergentes y líneas de latitud como arcos de círculos.



Fig. 6 Mapa de Proyección Cónica La escala entre los paralelos es normalmente sin distorsión y un par de paralelos en consecuencia serían seleccionados para una particular área de interés. Este sistema es utilizado en 48 estados de los EU (Incluyendo la mayoría de los estados productores de crudo). El cuadriculado a través de cada estado es medido en pies con los ejes Este-Oeste signado a un valor de cero, mientras que los ejes Norte-Sur están asignados al valor de 2, 000,000 de pies. El ejemplo siguiente es para el Sistema Lambert del Sur de Louisiana.

Fig. 7 – Sistema Lambert del Sur de Louisiana.

1.5.3 Otros Sistemas de División Hay otros sistemas de cuadriculado en uso, tales como: Cuadriculado Estereográfico Polar Universal (UPS) utilizado en regiones polares. Marcador Transverso (Gauss-Kriiger) con zonas en 6° utilizado en FSU, China y el Bloque Este.



1.6 Declinación Magnética La tierra posee un campo magnético debido a su núcleo relativamente rico en Hierro. Las líneas de fuerza asociadas con este campo son horizontales en el ecuador mientras, en los polos, son representados por líneas verticales. El ángulo de declinación, es el ángulo entre las líneas horizontales y las líneas de fuerza magnética. Los polos de este campo magnético “cambian” con el tiempo y la diferencia entre su posición i.e. norte magnético, y los polos geográficos i.e. norte real (los ejes de rotación de la tierra) es conocido como Declinación Magnética. La distancia actualmente medida es de 1000 millas. El ángulo de declinación es tomado como el ángulo entre el componente horizontal del campo magnético de la tierra y las líneas de longitud. La fuerza del campo magnético es medida en micro Tesla (mT) y varía de 30 mT en el ecuador a 60 mT en los Polos.

Fig. 8 – Los Monitoreos Magnéticos siguen las líneas de flujo de la tierra

Una gráfica Isogónica es un mapa entre las líneas de igual declinación sobre impuesta y es usualmente acompañada con la corrección anual, la cual debe ser aplicada siguiendo la fecha de producción del mapa. La declinación puede ser hacia el Oeste o el Este. La declinación al Oeste significa el polo magnético significa que el polo magnético está a la izquierda del norte verdadero. Ejemplo La Declinación Magnética de Houston en la carta Isogónica de 1985 fue de 7° Este. El cambio anual es de 8’ por año al Oeste (1° = 60’). Para 1991, la declinación magnética debe ser cambiada: 8’ por año x 6 año = 48’ Oeste La nueva declinación magnética en1991 = 7° 0’ – 0° 48’ = 6° 12’ Este. Para convertir de norte magnético a norte real es cuestión considerar las posiciones de los dos polos en relación a la lectura magnética:



Ejemplo Convierta las siguientes lecturas del polo norte magnético a lecturas del polo norte real 1. Norte 45 Este (Azimutal 45) con 5° de declinación Este Respuesta: Norte 50 Este (50)

2. Sur 80 Oeste (Azimutal 260) con 5° de declinación Oeste Respuesta: Sur 75 Oeste (255)



1.7 Mapas de División En tierra, las mediciones son corregidas con respecto al Norte Real en tanto que en operaciones costa afuera, son corregidas respecto la Cuadriculado Norte Estándar. Un sistema cuadriculado es un sistema de coordenadas rectangulares esquematizada en un mapa. Un valor arbitrario de latitud y longitud ha sido normalmente seleccionado y en este caso el Cuadriculado Norte coincide con el Norte Real (Fig.10).

Fig. 10 Norte Cuadriculado y Norte Geográfico Cuadricula de Declinación – Corrección angular convirtiendo las lecturas del Norte Magnético al Norte Cuadriculado. Cuadrícula de Convergencia – Angulo entre el Norte Real y el Norte Cuadriculado.



Relaciones entre cuadriculado, Norte Real & Norte Magnético

Malentendidos se han generado en la relación entre estas referencias ocasionando errores en el monitoreo en el pasado. Los diagramas polares, citados, deberán ser incluidos con todos los datos de evaluación para clarificar cual sistema de referencia está siendo utilizado. 1.8 Resumen Usando la información previa, ahora es posible calcular con razonable precisión la posición en relación a otros puntos de la superficie terrestre. De cualquier forma, es imperativo conocer que modelo y que sistema de cuadriculado está siendo utilizado. Ya que habrá variaciones de un lugar a otro. Los mapas de evaluación de la Milicia Inglesa son derivados del Esferoide Aéreo basados en las medidas del Meridiano de Greenwich. Para el Mar del Norte el posicionamiento costa afuera y el trabajo de evaluación, es práctica normal trabajar con el Esferoide Internacional basado en el Meridiano Central (3° Este) en proyección UTM. Cerca de las áreas terrestres del Mar del Norte puede ser confuso respecto a que sistemas son utilizados. El principio es asegurarse que los sistemas que están siendo referenciados con claramente especificados en los datos de evaluación antes de ser utilizados. 2.0 HERRAMIENTAS DE EVALUACIÓN La evaluación es la ciencia de localizar con precisión un punto en el espacio. En la construcción de un pozo esto significa apropiadamente localizar un punto en el agujero. Permite que la localización del fondo del hueco sea determinada en forma relativa a un punto en la superficie a una profundidad vertical dada. También provee información de las irregularidades en la trayectoria del pozo (patas de perro), tendencias durante la perforación y orientación de las herramientas desviadoras.



Los sistemas actuales incluyen la telemetría, paquetes de mediciones eléctricas, sistemas fotográficos y sistemas de lectura en tiempo real. 2.1 Factores de Selección de Herramientas Existen un número de factores que influencian en la selección de la herramienta de monitoreo: • Tamaño del objetivo – El tamaño del objetivo influye en la precisión de la evaluación. • Latitud del pozo – A mayor latitud, mayor la influencia entre el campo magnético y velocidad de las herramientas giroscópicas. • Dirección del Objetivo – Las evaluaciones Este/Oeste requieren procedimientos especiales. • Tipo de instalación – Presencia de interferencia magnética en plataformas con múltiples pozos. • Costo de Equipo de Perforación – El sistema MWD puede ser más efectivo en costo en equipos con altas tasas de perforación. • Máxima Inclinación Propuesta – Algunas herramientas de evaluación tienen limitaciones de ángulo de agujero. • Condiciones de Agujero – Altas Temperaturas o reducidos tamaños de agujero pueden limitar el uso de algunas herramientas. • Profundidad de evaluación – La precisión de la evaluación depende de la profundidad. • Hueco Abierto o Entubado – Impacta en las herramientas magnéticas. 2.2 Herramientas Magnéticas 2.2.1 Herramientas de Evaluación Fotográfica Magnética Todas estas herramientas deben correrse dentro de una lastra barrena no magnética (hecho a base de aleación de Níquel)) para eliminar cualquier interferencia magnética de la sarta de perforación. 2.2.2 Disparo Individual Magnético Usado para grabar simultáneamente la dirección magnética de un agujero no cementado y su inclinación de desviación de la vertical. Sus componentes son: • Cronómetro o sensor de movimiento • Cámara. • Unidad indicadora de ángulo Debido a las incertidumbres concernientes al tiempo que se toma la herramienta para descender de la superficie a la profundidad de medición, un sensor de movimiento fue desarrollado para reemplazar el cronómetro. Después de que la herramienta ha sido “armada” y puesta en un contenedor de protección (1.75” o 1.375”) ya sea en un cable de registro o puesta en caída libre, una vez que permanece estática en el fondo, un circuito electrónico en la herramienta lo detecta y activa la cámara. La cámara previamente enfocada graba la orientación magnética y la posición de la sarta dando el ángulo de inclinación. Los discos de con ángulos indicando las escalas en ellos están disponibles en rangos variados dependiendo del ángulo del agujero: 0 - 10°, 0 - 20° y 15 - 90°. De vuelta en la superficie, el disco es extraído, y sus lecturas interpretadas para conocer la orientación del agujero. El disparo individual es normalmente corrido con registros eléctricos durante la fase de perforación para proveer una medida individual de la orientación actual del fondo del agujero o puede ser en caída libre previa a la sacada de la tubería de perforación.



2.2.3 Evaluación de Caída Magnética Esta herramienta es similar a las excepto que utiliza película de 10 mm para permitir el grabado de diferentes tipos de evaluación. Esta herramienta es corrida y eventualmente asienta en un retenedor por encima de la barrena. Un cronómetro mecánico, es sincronizado con un reloj en la superficie, permitiendo que una serie de evaluaciones sean almacenadas cuando la sarta de perforación es recuperada dando una vista simple de la orientación del agujero descubierto. 2.2.4 Disparo Magnético Múltiple (MMS) Es utilizado normalmente al final de la construcción de una sección y es utilizado para grabar la orientación del agujero perforado. La herramienta es una unidad alimentada por baterías consistente en un cronómetro, una cámara con película de 16 mm y un ensamble de brújula/péndulo normalmente encerrada en un contenedor de 1.75”. Una mini versión multidisparo en un contenedor de 1.375” está también disponible. Esencialmente, la herramienta toma una fotografía de de la brújula/péndulo periódicamente mientras la sarta es levantada. Una vez de regreso en la superficie, la película puede ser revelada, y correlacionada contra la profundidad y la orientación de la sección de hueco dibujado. 2.2.5 Disparo Magnético Electrónico Múltiple (EMS) Es lo último en tecnología y se compone de de ambos: Acelerómetros en tres ejes y magnetómetros para tomar mediciones de ángulo de agujero y dirección. También calcula el ángulo de desviación magnético y el campo de fuerza en cada estación de evaluación. Estos datos son utilizados para calcular la interferencia magnética dando mayor confiabilidad a los datos de monitoreo. Esta herramienta también mide la temperatura en el rango de 0 - 125°C (32 - 257°F). Después de ser armada en superficie, la herramienta es corrida en forma semejante a una de disparo múltiple y puede ser programada para operar en cualquier modo ya sea disparo sencillo, multidisparo o modo de orientación de corteza. Más de 1023 puntos de evaluación pueden ser almacenados



Siguiendo con la evaluación, la herramienta es reconectada a un sistema computarizado y la información procesada utilizando un punto de referencia, por ejemplo la zapata anterior. Como opción puede correrse la longitud requerida de NMDC’s para evitar la interferencia, es posible acortar esto y aplicar un factor de corrección para eliminar la interferencia adicional. 2.3 Herramientas de Evaluación Giroscópica Donde la interferencia magnética no puede ser impedida, los sistemas giroscópicos son utilizados. Hay dos tipos de giroscopios Utilizados – aquellos que varían con el tiempo y aquellos con el sentido de rotación de la tierra Por ejemplo: Los Giroscopios de velocidad. Estos pueden ser corridos sin lastra barrenas no magnéticas ya que la brújula magnética es reemplazada por una brújula giroscópica de disco controlada por un motor eléctrico a altas RPM. 2.3.1 Giroscopio de Disparo Simple Utilizado para orientar herramientas en áreas de alta interferencia magnética. Ej. : Punto de Desvío en una plataforma con otras tuberías conductoras cercanas. Esta herramienta consiste de un cronómetro, una cámara y una brújula giroscópica sensible. El giroscopio es primero orientado a la superficie en una dirección conocida y entonces bajado a la profundidad de evaluación debidamente protegida. Después de grabar los datos, la herramienta es recuperada y la película descargada y revelada. 2.3.2 Giroscopio de Disparo Múltiple Es utilizado para grabar la orientación de un pozo con o sin tubería de revestimiento. La herramienta es alimentada por una batería. La unidad giroscópica es inicialmente alineada con una dirección conocida y un mecanismo para medir el tiempo es sincronizado con un reloj en superficie. Es entonces cuando se corre un registro eléctrico y de evaluación conforma la herramienta desciende. Esto reduce el error debido a la desviación giroscópica la que incrementa la no uniformidad con el tiempo. Para corregir esto, muchas revisiones a la variación son hechas durante la corrida y el sacado de la herramienta. Cuando la herramienta permanece estacionaria, un número de evaluaciones (surveys) son tomadas en la misma locación. Estos pueden entonces ser comparados con posterioridad para permitir la corrección a la desviación 2.3.3 Giroscopio de Lectura en Superficie Ejemplo – Seeker de BHI, Keeper de Sperry Sun Utilizado para perforar y orientar en áreas donde la interferencia magnética es un problema. Por Ejemplo: Desviación en plataforma donde hay otras tuberías conductoras de pozos adyacentes. La herramienta es conectada directamente a la superficie mediante un sistema de lectura vía un cable y un substituto de entrada lateral. Una vez que la orientación deseada ha sido alcanzada, la herramienta es recuperada para permitir que el substituto de entrada lateral sea removido. Otras variantes son ahora equipadas con una conexión humidificada que habilita a que la señal eléctrica sea separada y continuar la perforación rotaria por un periodo de tiempo sin sacar el ensamblaje. El sistema giroscópico usado en “SRG” por sus siglas en ingles, se compone de un eje ortogonal (todos son ángulos rectos con respecto a ellos mismos) acelerómetro y magnetómetro. El acelerómetro mide el vector gravitacional relativo a los ejes de la herramienta de los cuales el frente de la herramienta y la inclinación pueden ser determinados. El magnetómetro mide los componentes de los campos magnéticos de la tierra relativos a los ejes de la herramienta, los que combinados con la lectura del acelerómetro determinan el azimutal. 2.3.4 Medidor Guía Láser Inercial (“RIGS”) Esta es una herramienta de alta precisión, cuenta con un sistema de evaluación de alta velocidad el que colecta datos de evaluación mientras la herramienta es corrida dentro del agujero. Abarca los tres ejes inerciales de navegación y tiene una precisión de 1-2 pies/ 1000pies de hueco registrado con una precisión horizontal de 2.6 pies/ 1000 pies. Estos



resultados son típicamente tres veces más precisos y completados en la mitad del tiempo en comparación con el uso de un giroscopio. Al inicio de la evaluación, la herramienta es alineada para derivar la referencia del norte real mediante la medición de la rotación terrestre. Cuando es bajada en el pozo, el sistema de navegación inercial mide cambios en espacios tridimensionales generando coordenados para norte/sur, este/oeste. Este sistema de monitoreo continuo elimina los errores generados usando el método de cálculo de punto a punto de la geometría del hueco como es hecho con los giroscopios y otros sistemas de evaluación convencionales. Un registro eléctrico de medición de profundidad y un localizador de coples de tubería son usados para verificar el sensor de profundidad y restringir los errores a menos de 0.5 pies / 1000 pies mientras que centralizadores mantienen la herramienta centralizada en el hueco perforado. La herramienta puede ser utilizada solamente en agujeros para tuberías de revestimiento menores a 7” debido a su tamaño físico. Un registro típico utilizando el sistema RIGS consiste de: • Alinear el sensor a la superficie - 12 min. • Hacer un chequeo a la variación – 3 min. • Correr la herramienta en el agujero a 300ft/min. • A la profundidad final, revisar la variación inercial – 3 min. • Recuperar la herramienta mientras se completa la segunda evaluación (survey) a 300ft/ min. • En superficie, completa la variación final – 3 min. Tiempo Total para evaluar un pozo simple de 10,000 pies = 88 min. 2.4 Sistemas de Medición de Evaluación de MWD Los sistemas de MWD de hoy utilizan sistemas transmisión mediante cables a superficie. La energía es generada por una turbina dentro del agujero por la vía de una turbina de lodos o de baterías. Los datos son transferidos por un pulso de presión vía la columna del fluido de perforación (ya sea un pulso negativo o positivo). Estos sistemas fueron desarrollados en los años 70 Por Teleco, siendo la primera compañía en proveer comercialmente el servicio en 1978. Estos tomaron parte en forma común durante los 80 y han continuado desarrollándose con sensores adicionales, siendo ahora la norma como los sensores de Rayos Gama y de Resistividad. Estos sistemas son, sin embargo, basados en mediciones magnéticas y deben ser compensados o protegidos de interferencia magnética. 2.4.1 Inclinación en MWD Ejemplos: “Teledrift” o “Anderdrift” Estos sistemas se componen de un instrumento de señales mecánicas capaz de detectar inclinaciones en el agujero mayores a 10.5° (Anderdrift 5°, Teledrift 10.5°). La transmisión de la señal es por la vía de una serie de pulsos emitidos a través del lodo, los cuales son detectados por un transductor usualmente colocado en la tubería vertical. En principio, la herramienta contiene un péndulo en el fondo que puede moverse a través de una serie de Bordes y un pistón de señal capaz de atravesar una serie de restricciones anulares. Este ultimo crea los pulsos en el lodo. En el sistema Teledrift, hay un sistema de código por lo que la desviación de la vertical se incrementa con el número de pulsos emitidos. Un máximo de siete pulsos pueden ser generados (0.5°/ pulso), lo que significa que la herramienta puede operar en un rango de 3.5° entre 0 y 10.5°. Los ajustes son fácilmente alcanzables en el campo para asegurar que la herramienta pueda responder a cualquier ángulo en el agujero mayor a 10.5°. Muchas otras opciones también existen para permitir que la herramienta detecte un rango



de ángulo mayor en el agujero. Esto se hace incrementando el ángulo medido por pulso el cual puede reportar 1° o 1.5° por pulso. Esto da un máximo, de inclinación de agujero de 15°. El sistema Anderdrift genera pulsos de lodo similares pero es diferente en la relación entre la posición del péndulo y el pistón. El Anderdrift puede generar más de once pulsos, cada uno representando 0.5°, pero esto funciona en sentido inverso. Así un pulso indicará un ángulo de agujero de 5° o más mientras que once pulsos un ángulo de cero grados. Las lecturas, son generalmente tomadas en la conexión. Las bombas deben apagarse por un minuto para permitir que la herramienta mida el ángulo de desviación y se prepare para la señalización. La tubería debe permanecer estacionaria durante este periodo. Las bombas son encendidas nuevamente y puestas a un máximo de 360 gpm, manteniendo el gasto. Con la herramienta Teledrift el primer pulso llega después de 10–15 segundos y las lecturas subsecuentes deben llegar después de un periodo similar. El bombeo debe continuar hasta alrededor de un minuto después de grabado el último pulso. El periodo de pulso para el Anderdrift es de alrededor de 5 Segundos. 2.4.2 Interferencia Magnética Durante el proceso de perforación, los componentes metálicos de la sarta de perforación se magnetizan debido al campo magnético de la tierra. Este magnetismo inducido influencia las herramientas de evaluación (survey) magnéticas por lo que deben se protegidas resguardándolas con coples no magnéticos. La longitud requerida de los espaciadores magnéticos depende de los siguientes factores: • Fuerza del campo magnético del acero magnetizado de la sarta de perforación por encima y por debajo del mecanismo sensor. • Dirección de dirección del agujero como relativo al norte magnético o al sur. • Inclinación de agujero • Locación geográfica (relacionada al “ángulo de inclinación”) 2.4.2.1 Fuerza del Polo Magnético Cuando la sarta de perforación se magnetiza, los dos extremos se convierten en los polos magnéticos de la sarta. En el hemisferio norte, el polo norte es el extremo de la sarta que se encuentra dentro del agujero. La interferencia magnética varía de forma inversa con el cuadrado de la distancia entre la fuente y el sensor/brújula. Fuerza de Interferencia (Fuerza del Polo) / (Distancia)2 Así, si la fuerza F1 es encontrada como resultado de la separación de 4 pies entre el cople de acero magnetizado y el sensor, por lo que a la separación de 12 pies, la fuerza de interferencia F2 sería: F1 x (4)2 = F2 x (12)2

F2 = F1 / 9 Ya que la sarta de perforación es mucho más larga que su diámetro, puede analizarse sin embargo está compuesto de fuentes de puntos discretos localizados en los extremos del agujero. La fuerza de los polos magnéticos depende de los componentes individuales del acero que componen la sarta de perforación. Grindrod y Wolf en1983 presentaron valores para el campo magnético de cuatro diferentes ensambles. Estos valores generalizados son:

Componente Unidades Electro-magnéticos Parte superior de la Sarta de Perforación 300 EMU Barrena, mores de lodo y un substituto curvo 2500 EMU



Barrena, Estabilizadores NB , ensamble corto (packed assy) 200 EMU

Barrena y Estabilizador NB 500 EMU Combinaciones 250 EMU La fuerza aproximada del polo es seleccionada para el polo apropiado – ya sea el superior (UP) o El inferior (LP). Si la fuerza del polo es medida en (µWb), entonces la distancia es en metros; Si la fuerza del polo es medida en Unidades Electromagnéticas (EMU), entonces la distancia es en pies. La distancia superior (UD) y la distancia inferior (LD) son meramente distancias respectivas del sensor a la sección magnetizada más cercana de la sarta. La sarta de interferencia (IF) puede ser ahora calculada: IF (Superior) = UP/(UD)2 y IF (inferior) = LP/(LD)2

Así IF (Total) = IF (Superior) + IF (inferior) o = IF (Superior 1) + IF (Superior 2) + IF (lnferior) Estos dos casos se representan esquemáticamente en las Fig. 13A y 13B.

Ambas sección la superior y la inferior tienen polos individuales

2.4.2.2 Inclinación del Agujero Una herramienta de medición magnética (brújula o magnetómetro) solo utiliza la componente horizontal del campo magnético terrestre. Similarmente, será influenciado por la componente



horizontal de cualquier magnetismo inducido en la sarta de perforación. Cuando la sarta se aproxime a mayores ángulos en los pozos desviados, la fuerza de interferencia será mayor. 2.4.2.3 Dirección del Agujero La dirección (azimutal) en la que la sarta es posicionada es también un factor en la determinación del efecto de la fuerza de interferencia en el sensor magnético. Cuando la dirección es de Este u Oeste, el efecto es mayor. Para un pozo, que esté siendo perforado en dirección Este, el sensor magnético leerá un azimutal que es menos que el azimutal real. Para un pozo, que este siendo perforado en dirección Oeste, el sensor leerá un azimutal mayor que el real.

2.4.2.4 Locación Geográfica Así como el sensor se afectará por la componente horizontal del campo magnético terrestre, también se afectará por la amplitud de la componente horizontal. Esto varía según la locación geográfica (Fig. 8) y es mayor en la zona del ecuador, ya que el ángulo de desviación del campo magnético terrestre aumenta. El efecto resultante de esto es que la componente vertical de campo magnético terrestre aumenta mientras que la componente decrece. Así, cualquier herramienta que dependa de la componente horizontal de campo magnético terrestre Será más fácilmente afectada por otros efectos del campo horizontal más allá del Ecuador . Un sensor magnético será por tanto mas sensible al norte magnético en el ecuador que en los polos. Si no hay fuerza de interferencia presente, se verá mayor influencia en las lecturas direccionales cerca de los polos que en el ecuador Aunque la fuerza de interferencia permanezca igual. En efecto, cualquier Reducción en el campo natural terrestre permitirá que el campo magnético de la sarta tenga mayor impacto. 2.4.2.5 Selección de Lastra Barrenas No-Magnéticas



Los sensores magnéticos deben estar dentro de Lastra barrenas no magnéticos para minimizar los efectos de la interferencia derivados del magnetismo inducido en la sarta de perforación y para prevenir cualquier distorsión del campo magnético terrestre en la cercanía de los sensores. La composición de los Lastra barrenas no magnéticos es regularmente una de las siguientes: 1. K Moneles, en aleación conteniendo 30% Cobre y 65% Níquel 2. Acero Cromo/ Níquel compuesto de 18% Cromo y 13% Níquel 3. Acero Austenítico (Aleación de hierro en forma cristalizada) a partir de cromo y manganeso (> 18% Mn) 4. Aleación de Bronce a parir de Cobre y berilio • Los K Moneles y la aleación Berilio-Cobre son costosas pero resistentes a la corrosión • El Acero Austenítico es el más común, pero es susceptible a la corrosión en ambientes altamente salinos. • El Acero Cromo / Níquel tiende a corroerse, causando daño al enroscado. Como se describe, el número de lastra barrenas no magnéticos y la posición del sensor/brújula, dependen de la inclinación del hueco perforado, el azimutal y la locación geográfica. Los gráficos son provistos por la mayoría de los contratistas desviadores que indican el número de lastra barrenas Requeridos para diferentes inclinaciones y azimutales en diferentes locaciones geográficas. Alternativamente los datos obtenidos pueden ser corregidos por la interferencia magnética de la sarta de perforación, uno de los paquetes computacionales disponibles en el mercado. 3.0 Métodos de Cálculo de Evaluación Una herramienta de evaluación direccional mide la inclinación y el azimutal en un número de estaciones de registro a profundidades especificadas. Estos valores son usados para calcular a una profundidad dada, las coordenadas Norte y Este , la profundidad vertical real según el sistema de referencia especificado. La severidad de la pata de perro y la sección vertical (Desplazamiento horizontal) pueden también ser calculadas. Hay muchos métodos para calcular la localización tridimensional de una estación de evaluación. Estos métodos se listan a continuación por orden de precisión: • Método Tangencial • Método del Angulo Promedio • Método del Radio de Curvatura • Método de la Curvatura Mínima



3.1 Método Tangencial Este fue el primer método utilizado. Los cálculos están basados en el ángulo de inclinación y la dirección del ángulo de desviación (Azimutal) al menor de dos puntos de monitoreo (survey). La distancia de curso (distancia entre dos puntos monitoreados) es tomada como una línea recta. Se asume que la línea tenga el mismo ángulo de desviación y dirección que el punto inferior de registro. Los errores con este método pueden ser significativos y por tanto este método es impreciso. Para dos estaciones de monitoreo, S1 y S2, donde la profundidad medida, MD1 y MD2, la inclinación, I1 y I2, y el azimutal, A1 y A2, son conocidos, el Norte, Este y la Profundidad Real (TVD) pueden ser calculadas en S2 . Norte2 = Norte1 + [(MD2 – MD1) x sen I2 x cos A2] Este2 = Este1 + [(MD2 – MD1) x sen I2 x sen A2] TVD2 = TVD1 + [(MD2 – MD1) x cos I2] Ejemplo



3.2 Método de Angulo Promedio Este método utiliza en ángulo de inclinación y un promedio de la dirección del ángulo de desviación (azimutal) entre dos puntos de evaluación. Este reduce significativamente los errores generados utilizando los métodos anteriores y asume que el curso varia en línea recta entre dos puntos evaluados. El método de pata de perro entre dos puntos registrados debe ser corto. Si la distancia entre los dos puntos es corta, por lo que una trayectoria en línea recta se asume se aproxima de forma cercana al agujero perforado real. Es simple calcular a mano en el campo. Para dos estaciones de monitoreo dadas , S1 y S2, donde las profundidades medidas, MD1 y MD2, la inclinación, I1 y I2, y el azimutal, A1 y A2, son conocidos, Entonces el Norte, Este y Profundidad Real (TVD) puede ser calculado en S2 como se muestra:

Ejemplo



3.3 Método del Radio de Curvatura Este método asume que el agujero es un arco sin irregularidades entre los registros. Requiere de algunos cálculos complejos que son mejor utilizados en una calculadora programable o computadora. El método de cálculo no es afectado por longitudes mayores. Asume que la trayectoria tiene un radio constante de curvatura. Para dos puntos de registro, S1 y S2, donde la profundidad medida, MD1 y MD2, la Inclinación, I1 y I2, y el azimutal, A1 y A2, son conocidos, el Norte, Este y la Profundidad Real TVD pueden ser calculadas en S2 de la siguiente forma

Ejemplo



3.4 Método de Curvatura Mínima Este método toma información de la inclinación y el azimutal de cada punto registrado y crea una curva suavizada. Este es un método complejo no recomendado para hacer cálculos a mano. Es ampliamente utilizado por operadores y compañías de perforación direccional. Para dos puntos de monitoreo, S1 y S2, donde las profundidades medidas, MD1 y MD2, la inclinación, I1 y I2, y el azimutal, A1 y A2, son conocidos, el Norte, Este y Profundidad Real TVD pueden ser calculadas en S2 de la siguiente forma

Ejemplo



3.5 Incertidumbre en la Evaluación La incertidumbre en la evaluación es el rango en 3D en que la posición actual de un punto de registro puede ser comparada con la posición calculada. Este es el resultado de la combinación de datos ambiguos individuales registrados durante las evaluaciones. La magnitud de incertidumbre es determinada por un tipo de herramienta, calidad y modelo combinados con imprecisiones utilizadas para correr la herramienta y el ambiente en el que se utiliza. La incertidumbre se clasifica de dos modos: • Estadística en las lecturas del sensor de los que los valores de inclinación y azimutal son obtenidos. • Sistemática, tales como variaciones en la calibración de linealidad, sensibilidad, sesgo y tendencia. Para evaluaciones normales de hueco descubierto, los cuales tienen una longitud significativa y un numero de puntos de monitoreo significativo, la incertidumbre sistemática dominará la incertidumbre estadística. Por lo que, Wolf y de Wardt introdujeron en 1981 una herramienta sistemática de error. Este acercamiento para calcular la posición se ha convertido en un estándar de la industria. El efecto de estas diferencias es una incertidumbre en las posiciones medidas, resultante en una incertidumbre acerca de la posición calculada para el agujero descubierto. Típicamente, la incertidumbre en la dirección lateral es mayor que las incertidumbres por arriba o por debajo de la profundidad medida.. Consecuentemente, la incertidumbre resultante en una estación de evaluación tiene una forma elipsoidal. La incertidumbre se acumula a través de la trayectoria del pozo, y será la mayor durante la última estación de registro La herramienta FINDS (Herramienta de Dirección Inercial o Ferranti Inercial Direccional Tool, en inglés) ha sido la herramienta mas precisa de evaluación utilizada a 0.5 pies en cualquier dirección. De cualquier modo, su tamaño (10.625”) efectivamente la restringe en corridas de Tuberías de Revestimiento de 13.375”. Actualmente los registros giroscópicos tienen una precisión de 1.5° / 1000 pies y más de 3° / 1000 pies en secciones horizontales. La precisión de las herramientas MWD es cuantificada en variación de grados: Inclinación 0.1 – 0.25° Azimutal 1.0 – 1.5° Frente de Herramienta 1.5 – 3.0° En agujeros menores a 5°, la precisión disminuye y un sistema alternativo debe ser utilizado. 4.0 PERFORACIÓN DIRECCIONAL 4.1 POR QUE PERFORAR DIRECCIONALMENTE? La perforación direccional es la ciencia de dirigir el agujero a través de una trayectoria predeterminada a un objetivo designado en el subsuelo. Las aplicaciones más comunes de perforación direccional son: • Perforación de pozos múltiples de estructuras costa afuera • Inclinación controlada en pozos verticales • Perforación Lateral (Ventana) • Perforación de pozos de alivio • Perforación horizontal o pozos multilaterales para mayor exposición en la formación productora



4.2 Técnicas de Desviación Las principales técnicas de desviación son: • Cucharas de Desviación (Whipstock) • Propulsión • Perforación Rotaria • Motores 4.2.1 Cucharas de Desviación (Whipstock) Este fue el principal método de desviación de pozos utilizado entre 1930 – 1950. Fue reemplazado por la introducción de los motores de fondo. Recientemente se ha visto un resurgimiento debido a los pozos multilaterales y re-perforaciones. Existen dos variantes de esta herramienta, el recuperable y la cuchara permanente. Ambas proveen los medios para orientar mediante una cuña cóncava de acero, la cual es utilizada para desviar la sarta de perforación. Dependiendo del estilo de cuchara utilizada, el número de viajes para iniciar a desviar el agujero, puede ser uno o varios. Mucho depende de como la cuchara es y orientada en el agujero y como se efectué la molienda de inicio. 4.2.2 Propulsión (Jetting) La propulsión puede ser utilizada para orientarse en formaciones suaves y es típicamente utilizada en la parte superior del agujero. El ensamblado consiste de una barrena tricónica Modificada con una de las toberas (jets) significativamente más grande que las otras dos o con una abierta y las otras dos tapadas . En esencia, la barrena es orientada hacia abajo y las bombas de lodos son puestas al gasto máximo por 5-10 pies, la mesa rotaria perfora los residuos y un monitoreo (survey) es tomado en la superficie con un giroscopio . Este procedimiento puede repetirse hasta alcanzar el ángulo deseado y es así como la desviación es obtenida. Esta técnica puede utilizarse para construir ángulos mayores a los 15° y crear patas de perro 3° / 100 pies. El método de propulsión es económico y facilita que el agujero sea rápidamente perforado sin efectuar cambios en el ensamblado de la sarta. Permite que un agujero en calibre sea perforado con pequeños cambios en la dirección en formaciones suaves con horas de rotación reducidas y provee un medio de direccional seguramente en un agujero somero donde existen numerosos conductores de pozos adyacentes . 4.2.3 Perforación Rotaria Históricamente, siempre ha sido posible controlar la inclinación de los pozos direccionales durante la perforación rotaria mediante la corrección del diseño de ensamble y el uso de los parámetros de perforación apropiados. El control de azimutal, de cualquier forma, siempre ha sido difícil. Los factores que afectan el comportamiento de los ensambles rotarios serán discutidos posteriormente . 4.2.4 Motores Motores (ya sean motores de desplazamiento positivo o turbinas), equipados con un substituto curvo o un “bent housing”, permiten que la barrena sea orientada y perfore en la dirección seleccionada sin ninguna rotación de la sarta de perforación. Esto permite un control total sobre el azimutal y la inclinación. Otros factores que afectan el desempeño de estos sistemas de direccionamiento serán discutidos posteriormente. 4.3 Control Direccional con Sistemas Rotatorios Las tendencias direccionales están relacionadas a la dirección de la fuerza resultante en la barrena. Al respecto, el ángulo de inclinación de la barrena (ángulo entre el eje de la barrena y el eje del hueco) se cree influye. Esto es debido a que la barrena está diseñada para perforar



paralelo a su eje. En ensambles rotarios con un estabilizador cercano a la barrena, el ángulo de inclinación de la barrena Es pequeño y la magnitud de la fuerza resultante es un factor clave. La trayectoria está afectada por los siguientes parámetros: • Calibre y localización de los estabilizadores • Diámetro y longitud de lastra barrenas • Peso en la barrena • Velocidad de Rotación • Tipo de Barrena • Anisotropía de Formación (propiedades varían horizontal/verticalmente) y el ángulo de desviación de los planos del lecho. • Dureza de Formación • Gasto • Velocidad de Penetración 4.3.1 Calibre y Localización de Estabilizadores El calibre y la localización de estabilizadores, combinados con los parámetros de perforación, tienen un marcado efecto en la habilidad del ensamble rotario pata construir, caer o mantener la inclinación. Existen tres principios fundamentales: • Principio Fulcrum • Principio de Estabilización • Principio de Péndulo 4.3.1.1 Principio Fulcrum Un ensamble con un agujero en calibre cerca de la barrena tendrá un estabilizador y de 40 – 120 pies de lastra barrenas antes de colocar el siguiente estabilizador que construirá el ángulo cuando se le aplique peso. El aplicar peso causará que las lastra barrenas se flexionen y que cerca del estabilizador de la barrena se cree un Fulcrum o punto de pivote. Esto crea una fuerza de oposición en la barrena la cual crea una curvatura hacia arriba en el agujero hasta que el peso es reducido.



Principio Fulcrum

La velocidad de construcción se incrementa cuando: • Hay un incremento en la distancia entre la barrena y el primer estabilizador – este es el elemento de diseño más importante en un ensamblaje Fulcrum para construir el ángulo. Cuando la distancia se incrementa, la capacidad de construcción se incrementa debido a un mayor efecto de palanca ejercido en el punto de pivote (Cerca del estabilizador de la barrena). Una vez que el estabilizador de la primer sarta se encuentra a los 120 pies de la barrena, no se verá mayor efecto ya que los lastra barrenas estarán en contacto con el agujero descubierto. • Incremento en la inclinación del agujero – Conforme se incrementa, los lastra barrenas tienen una componente mayor en los ángulos rectos al eje del agujero y ejercen una fuerza mayor en el Fulcrum. • Reducción del diámetro de lastra barrenas – la rigidez de este es proporcional a la cuarta potencia del diámetro. Así que, usando un diámetro ligeramente menor la flexibilidad del ensamble se incrementará enormemente. Un lastra barrena más pequeño de la misma forma incrementará el espacio anular y permitirá flexionarse antes de entrar en contacto con el hueco perforado. • Incremento en el peso en la barrena - cuando este se incrementa, dobla las lastra barrenas entre los estabilizadores, lo que incrementa la fuerza de carga en la barrena. • Reducción a la velocidad rotaria – Una velocidad de rotación alta tenderá a enderezar la sarta. Por lo que, Bajas velocidades (70 – 100 RPM) serán utilizadas con estos ensambles. • Reducción en el gasto – En formaciones suaves, un alto gasto de bombeo puede lavar el agujero y reducir las velocidades de construcción. 4.3.1.2 Principio de Estabilización El principio usado es que tres o más estabilizadores en calibre cada uno separado por un cople desviado Incluyendo el cercano a la barrena, estos resistirán cualquier efecto de deflexión y preferirá seguir una trayectoria recta. Estos ensambles son llamados ensambles empacados y típicamente se utilizan en secciones tangenciales en conjunto con altas velocidades de rotación (120 – 160 RPM). 4.3.1.3 Principio de Péndulo Este fue el primer principio direccional desarrollado y se compone de un estabilizador menor al calibre del hueco o de ninguno cerca de la barrena. La barrena experimenta una menor fuerza debido a la gravedad.. Reduciendo el peso en la barrena y manteniendo la posición para ayudar a prevenir la caída puede incrementar el efecto. Si la barrena para el primer estabilizador es muy grande entonces, las lastra barrenas pueden reducir su contacto con las paredes, disminuyendo su efectividad y pueden hacer que la barrena se direccione hacia arriba. Manteniendo una velocidad de rotación (120 – 160 RPM) aunado a un bajo peso en la barrena inicialmente ayudará a iniciar la caída. Una vez que la trayectoria ha iniciado, más peso puede ser puesto para acelerar el proceso. Guías: • Las secciones entre la barrena y el primer estabilizador así como entre el primer y el Segundo estabilizador deben ser tan rígidas como sea posible .



• No se requiere de estabilizador cerca de la barrena si es del tipo PDC o cuando no se presenten problemas de azimutal. Si se utiliza una barrena tricónica o de tres conos, se recomienda el uso de un estabilizador bajo calibre por (¼” o ½”) de diámetro. • Debe haber dos estabilizadores con una longitud no mayor a los 30 pies entre ellos. • Utilice una barrena con bajo peso de forma inicial hasta que la tendencia de caída se hay estabilizado entonces incremente el peso gradualmente. • Use alta velocidad de rotación (dependiendo del tipo de barrena). 4.3.1.4 Estabilizadores de Calibración Variable Estas herramientas permiten que el ensamble rotario se comporte de forma dependiente según el calibre del estabilizador. Ej.: Ya sea en calibre o bajo calibre. La herramienta “Andergauge” se compone de un estabilizador con aspas ajustables creadas por la activación de cilindros, los cuales pueden extenderse o ser retirados para variar el calibre de la herramienta en el hueco . Este es afectado por el peso en la barrena con las bombas fuera para asegurar en su lugar y repetir el procedimiento para retraer los pistones, por ejemplo si se desean que esté bajo calibre. Si se coloca apropiadamente en la parte inferior del ensamble, entonces el ensamble puede comportarse de acuerdo al calibre y como es discutido por ensambles rotarios tradicionales. Las aspas ajustables en el Sperry-Sun AGS™ de estabilizador ajustable, también se componen de de muchas filas de cilindros los cuales pueden ser extendidos y retraídos mediante en uso de “encendido-apagado de bombas”. Este ciclo de bombas permite que los cilindros se retraigan por completo y luego sen asienten alternadamente en posiciones en calibre y bajo calibre . La posición de la herramienta puede ser fácilmente monitoreada por observación de la presión en la sarta (Fig. 16), ya que hay una presión diferencial de 150-250psi entre posiciones.



4.3.2 Diámetro de la Lastra Barrena Proveen de rigidez, así como dan peso al ensamble perforador y pueden ser comparados a cilindros de paredes gruesas para propósitos de diseño. Su rigidez depende de su momento axial de inercia y su módulo de elasticidad (Vea Sección 8 Diseño de Sarta de Perforación). Con un ensamble del tipo Fulcrum, reduciendo el diámetro del cople para incrementar la tendencia de construcción debido a que los coples son mas flexibles y que pueden flexionarse ante de entrar en contacto con el agujero. Una vez que esta situación ocurra, incrementar el peso en la barrena tendrá muy poco efecto adicional. Con ensamble de tipo empacado, el reducir el diámetro del cople puede crear una ligera tendencia construir ya que los coples son más flexibles. Con un ensamble de tipo péndulo, este debe ser tan rígido como sea posible y por tanto los coples más grandes deben ser usados. Reducir el diámetro del cople incrementará el espacio anular y permitirá a los coples flexionarse en la parte inferior antes de hacer contacto. Esto reducirá la velocidad de caída ya que hará que la barrena gire hacia arriba. Utilizando coples de diámetro menor se reducirá el efecto del peso en la BHA y con ello se reducirá el efecto de péndulo debido a la gravedad. 4.3.3 Tipo de Barrena Las barrenas tricónicas no tienen efecto en la construcción, permanencia o ángulo de caída. Pero tienen, un impacto en el azimutal y tenderán a “deslizarse” hacia la derecha . Este efecto es enfatizado con los dientes largos en formaciones suaves, Parcialmente debido a que la velocidad de penetración se acentúa y parcialmente debido a que el cono mayor se contrarresta. De manera contraria, barrenas con dientes cortos en formaciones duras tendrán mucho menos tendencia a deslizarse a la derecha. Las barrenas PDC usando poco efecto de peso en y altas velocidades de rotación han mostrado producir una ligera tendencia al “deslizamiento”. Sin embargo, no producen efecto en el ángulo de desviación. Una barrena con un calibre menor tendrá un mayor impacto en el ajuste del ángulo que una barrena con un calibre mayor, la cual tenderá a mantener la trayectoria. El calibre de una barrena actúa como estabilizador y a mayor calibre, mayor será el efecto estabilizador. 4.3.4 Anisotropía de Formación La anisotropía de formación (la variación en las propiedades de la formación en diferentes direcciones en la roca) tiene cierto efecto en la respuesta direccional. La mayor parte de la perforación petrolera se da lugar en rocas sedimentarias, las que por definición, fueron normalmente depositadas en capas y así exhiben su anisotropía. La experiencia en perforación ha demostrado que la barrena será defeccionada de manera dependiente al ángulo de incidencia de la barrena , diferentes teorías han sido propuestas para describir l reacción de la barrena bajo estas condiciones . La “ teoría de formación de astillas” sugiere que los dientes de la barrena generan un esfuerzo compresivo perpendicular a la cara del diente y que la falla del corte mas fácilmente entre las capas. Así el tamaño de la astilla variará dependiendo del diente/ángulo de capa. Como se muestra en la Fig. 17, la barrena es preferentemente dirigida hacia el área de máxima remoción de astillas por la fuerza de desviación resultante ( Fd ) y la siguiente gráfica, derivada experimentalmente, puede ser usada como guía para indicar tendencias en la deflexión. Esta tendencia a la deflexión no deseada puede ser reducida a través del uso de ensambles empacados. Un estabilizador en calibre cerca de la barrena reducirá el deslizamiento mientras tendencias de deflexión más serias requerirán ser tomadas en cuentas antes de armar el ensamble de perforación.



Formación de Astillas



Máxima fuerza de desviación como función del decremento en la formación

Significado de “Declinación hacia arriba” y “Declinación hacia abajo”



Respuestas a la desviación para diferentes ángulos de declinación

4.3.5 Dureza de Formación Formaciones muy suaves pueden ser lavadas, por la simple acción de la propulsión o la circulación del lodo. Bajo estas condiciones, puede resultar complicado construir un ángulo. Si por anticipado, la barrena puede equiparse con toberas grandes para reducir la velocidad. Gastos reducidos en las bombas pueden ser usados excepto previo a que las conexiones sean levantadas para asegurar que la barrena y BHA no se encuentran obstruidas con recortes. Un lavado excesivo puede producir un efecto de caída aun con un ensamble bastante rígido. En formaciones duras, las BHA se comportan de forma más predecible debido a que el agujero siendo regularmente en calibre y con la habilidad de proveer de mayor fuerza de contacto entre las lastra barrenas crea un ángulo de declive en la barrena. El mayor problema en formaciones duras es crear un ensamble para efectuar la inclinación. La reducción del peso en la barrena puede ser requerida para maximizar la velocidad de caída pero esto posiblemente cree un conflicto con un incremento en peso en la barrena para alcanzar una velocidad de penetración razonable . 4.4 Control Direccional con Motores de Fondo Hay dos clases distintivas de motores – las turbinas y los motores de desplazamiento positivos (PDM’s). Los cuales ofrecen las siguientes ventajas en relación directa a su transmisión de fuerza motriz a la barrena más que transmitir lo a la superficie. • Eliminación de la vibración lateral • Reducción de desgaste en sarta y tubería de revestimiento



• Menor torque en sarta, especialmente en agujeros desviados • Fatiga de carga reducida en tubería de perforación • Puede correrse con poco peso a velocidades continuas • Habilidad para orientarse y perforar hacia adelante 4.4.1 Turbinas El desarrollo de las Turbinas comenzó en 1924 in la antigua URSS y los EU. El desarrollo ha continuado en Rusia hasta el día de hoy para utilizarlos como la norma para la perforación de sus pozos direccionales. Esta situación ha sido favorecida por la falta de suficiente tubería resistente a la fatiga para la perforación rotaria. En otras partes, los PDM han reemplazado a las turbinas como el primer tipo de motor direccional seleccionado, mientras las turbinas son usadas más selectivamente según las condiciones. • Las turbinas solo pueden ser energizadas por un fluido de perforación líquido • Una turbina consiste de aspas y estatores montados en ángulos rectos al flujo del fluido • Los rotores están colocados en la flecha propulsora mientras que los estatores están pegados a la tubería externa • Cada par de rotor / estator son conocidos como un etapa • Las turbinas típicamente están equipadas con 75 – 250 etapas. • Los estatores direccionan el flujo a los rotores accionando la flecha en sentido de las manecillas del reloj • La potencia de "turbodrill" es proporcional al número de etapas • La potencia de salida de cualquier etapa es dependiente de el número de aspas, espacio entre aspas, Ángulo, forma y área de flujo. • Las turbinas de desvío son unidades cortas (30 pies) mientras que las turbinas de ángulo recto son mucho mayores y están compuestas de muchas secciones – sub de circulación, Sección superior de motor, Secciones de Potencia 1 – 2 , una sección de rodamientos y una sección de flecha incorporando el estabilizador cercano a la barrena. • Las turbinas son mecanismos de alta velocidad (500 – 1000 RPM). Cuando hay una vía por la que fluya el fluido, el aplicar peso excesivo causará que se atasque. • Las turbinas regularmente operan mayor en formaciones de mayor dureza o durezas media donde las altas velocidades y el bajo peso en la barrena proveerán los parámetros óptimos para perforación . • Para formaciones altamente abrasivas, las turbinas usadas pueden correrse con barrenas de dientes de diamante. Hoy día con el uso de las barrenas PDC, tiende a reemplazarlas. • El continuo desarrollo del Motor de Desplazamiento Positivo/barrena combinado ha llevado al reemplazo mayoritario de turbinas desde fines de los 80.



4.4.2 Motores de Desplazamiento Positivo (PDM) • Los conceptos originales PDM fueron desarrollados en 1956 basados en el concepto Moineau, principio de la bomba en reversa Ej.: El flujo de un fluido mueve la flecha de una bomba. • La bomba puede ser energizada por el fluido de perforación, aire o gas y se compone de cuatro secciones: 1. Válvula de descarga – una válvula de desviación permitiendo a la sarta llenarse o vaciarse cuando es puesta en movimiento. 2. Ensamble de Motor – Se componer de un estator con forma espiral, una flecha de acero sólido rota a través de la longitud de la cavidad. La parte superior está libre mientras que la inferior está fija a un vástago conector. 3. Vástago Conector – Equipado con una junta universal a cada extremo para acomodar la rotación excéntrica del rotor y transferir esta rotación a la flecha. 4. El rodamiento y el ensamble de la flecha – consisten de rodamientos de empuje y un rodamiento radial para permitir una rotación suave de la flecha. Los rodamientos son lubricados por el lodo. La flecha es conectada a un sub en la barrena la que es la única parte rotatoria externa del motor de lodo. • El motor está diseñado para que el rotor sea forzado a girar en sentido de las manecillas del reloj cuando el fluido de perforación es bombeado a través de las cavidades entre el rotor y el estator. • Los Motores son definidos por la razón del número de lóbulos en la sección del rotor al estator. Siempre hay más de un lóbulo estados y estos pueden variar de 2 a 11 por lóbulos estatores con su correspondiente 1 a 10 lóbulos rotores. • El torque producido por los PDM es proporcional a la presión diferencial a través del motor. Cuando se aplica peso en la barrena, la presión de circulación se incrementa. Cuando la barrena deja de perforar, la presión disminuye. Así, la presión en la bomba puede utilizase como ambas, peso en la barrena e indicador de torque. 4.4.3 Inclinación de la Barrena El control direccional con los motores de fondo está basado en la inclinación de los ejes de la barrena con respecto al eje del agujero y / o creando una fuerza en la barrena. Si la sarta y por consecuencia el cuerpo del motos son rotados desde la superficie, la barrena tenderá a perforar en línea recta hacia delante. Sin embargo, si la sarta no es rotada, la barrena perforará en forma curva determinada por la orientación de la fuerza lateral o la inclinación de los ejes de la barrena. La inclinación de los ejes de la barrena es causada por la incorporación del substituto curvo por encima del motor o por el uso de otro motor con inclinación ajustable. El ángulo de inclinación es dependiente de los requerimientos direccionales. • Un ángulo de inclinación alto es recomendado para iniciar el desvío. Así mismo producirá una mayor pata de perro, que la programada para permitir que una parte de la perforación sea



completada en modo rotatorio el cual producirá una mayor velocidad de penetración. Así, una sección típicamente desviada, será perforara por orientar el desplazamiento de los 10 pies iniciales y los restantes 20 pies perforados en modo rotatorio. Como regla, el ángulo de inclinación seleccionado producirá una pata de perro 1.25 veces la severidad máxima requerida por el plan de pozo. • Cuando se tenga la posibilidad de escoger, un herramienta con una mayor capacidad de pata de perro debe ser seleccionada ya que permitirá que una mayor parte de la perforación sea completado en modo rotario . • Cuando haya tangente o se perfore un agujero recto, un ángulo de inclinación menor es recomendado para reducir el desgaste de la barrena . 4.4.3.1 Substituto Curvo o “Bent Sub” Este es un cople corto que se posiciona directamente por encima del motor, con su sección inferior compensada de la vertical. La cantidad de descentralización varía entre 1 y 3 grados comúnmente. El interior indica la dirección en la que la barrena perforará (frente de la herramienta) y una herramienta de orientación (MWD) es normalmente posicionado por encima del substituto curvo. Este tipo de ensamble ofrece control sobre la dirección, una desviación suave y puede ser usado para construir a hacer un ángulo de descenso. 4.4.3.2 “Bent Housing” Ajustable Un elemento ajustable de inclinación es posicionado en el motor que también mantiene el acople flexible/conexión del vástago. Este toma lugar por debajo del ensamble del motor y cercano a la barrena, dando un mayor control direccional (Fig. 21). El rango del ángulo de inclinación “bent housing” es entre los 0 a 3 grados y es fácilmente reasentable en el sitio.



Sistema Direccional – Motor/”Bent Housing” 4.4.4 Torque Reactivo El torque reactivo es la tendencia de la sarta para girar en dirección opuesta a la de la barrena. Cuando el rotor gira a la derecha, el estator es sujeto de una fuerza de giro a la izquierda. Dependiendo del tipo de formación y longitud de la sarta, la tubería girará causando que la barrena perfore hacia la izquierda. Este torque hacia la izquierda se incrementa cuando más peso es puesto en la barrena y presión de la bomba es aplicada. La experiencia en la locación puede ser utilizada para controlar este efecto mediante el ajuste de la orientación del substituto curvo. 4.4.5 Tamaño de Estabilizador y Localización La mayoría de las combinaciones “bent housing” / motor los utilizan: • Sistema completamente estabilizado con rodamientos y estabilizadores superiores (primera sarta) • Sistema parcialmente estabilizado con rodamientos • Sistema resbaladizo Ej. Sin estabilización El grado de estabilización es determinado por la respuesta direccional deseada. La severidad de la pata de perro que puede ser generada como función de • El ángulo de inclinación • El tamaño del motor estabilizador y la primera sarta estabilizadora arriba de la barrena



• Las distancias entre la barrena, el motor estabilizador y la primer sarta estabilizada (esta es la combinación del Fulcrum y el principio de estabilización para ensamble rotario). 4.4.5.1 Motor Estabilizador El motor estabilizador posiciona la barrena y el motor en el agujero de forma centralizada. • Es usualmente enroscado o de diseño de conexión rápida. • Siempre es bajo calibre • Típicamente, 1/8” por debajo de los diámetros de agujero, para mayores de 17½” y mayores la diferencia es de ¼”. • La longitud del calibre no debe exceder la longitud en calibre de la barrena. 4.4.5.2 Primer Estabilizador Este es normalmente corrido directamente después del motor o con un cople muy corto como espaciador. • No debe ser mayor que el motor estabilizador y debe ser de un diseño similar. • Para construir o hacer descender la BHA se incrementa el grado de bajo calibre del primer estabilizador • Con motores grandes (los que generan una tendencia de construcción con la rotación), el primer estabilizador debe siempre tener el mismo calibre que el rodamiento estabilizador. • Con motores de tamaño estándar, un bajo calibre del primer estabilizador es requerido para producir una tendencia para mantener el ángulo en la rotación. Para mantener en rotación, use la siguiente guía:

Tamaño de Agujero Calibre del Primer Estabilizador

8-1/2” 8” a 8-3/8” 9-7/8” 9-1/8” a 9-5/8” 12-1/4” 11-3/4” a 12” 14-3/4” 14-1/8” a 14-1/2” 17-1/2” 16” a 17”

Para construir a 0.25°/100 pies en modo rotario, use la siguiente guía:

8-1/2” 1/8” 12-1/4” ¼” 17-1/2” 3/8”

Nota: La anterior no aplica a motores grandes. Note: La anterior debe ser utilizada solo como guía. Los resultados pueden verse afectados por las formaciones perforadas y variarán de una región a otra. 4.4.5.3 Estabilizadores de Calibre Variable Los estabilizadores de calibre variable son normalmente corridos como estabilizadores en la primera sarta estabilizadora para dar un mayor grado de control durante la perforación rotaria. Algunos proveedores también se encuentran diseñando estabilizadores para motores con calibre variable. 4.4.6 Desplazamiento de Perforación



Un estimado de la proporción de deslizamiento de perforación que será requerido puede ser determinado por la siguiente ecuación: % Porcentaje de Desplazamiento en Pies = DL – DLR X 100 (DLO-DLR) Donde DL = Pata de perro requerida DLO = Pata de perro actual orientada DLR = Pata de perro cuando hay perforación rotaria Debe recordarse que el desplazamiento perjudica la limpieza del agujero, especialmente en secciones largas tangenciales a ángulos relativamente altos. Por lo que debe haber un equilibrio entre ser contundente al limpiar el hueco y el desplazamiento. 5.0 ENSAMBLAJES TÍPICOS DE BHA 5.1 Ensambles Rotarios 5.1.1 Ensamble BHA para mantener ángulo Dependiendo de las características de la formación, WOB, RPM, Tipo de Barrena, etc. El ensamble siguiente generalmente mantendrá o mostrará un ligera tendencia de variación de 0.1 – 0.5 °/100 pies. Barrena Estabilizador en calibre cercano a la barrena Lastra Barrena Estabilizador en calibre Lastra Barrena Estabilizador en calibre Lastra Barrena para dar peso a la barrena (WOB) Martillo Lastra Barrena para operar el Martillo Tubería de Perforación Ultrapesada (HWDP) 5.1.2 Ensamble (BHA) para construcción Dependiendo de las características de la formación, WOB, RPM, Tipo de Barrena, etc. El siguiente ensamble normalmente construirá un ángulo de 1.5 – 2.5 °/100 pies Barrena Estabilizador en calibre cercano a la barrena 2 Lastra Barrena Estabilizador en calibre Lastra Barrena Estabilizador en calibre Lastra Barrena para dar peso a la barrena (WOB) Martillo Lastra Barrena para operar el Martillo Tubería de Perforación Ultrapesada (HWDP) El ensamble es comúnmente referenciado como Ensamble de Construcción de 60 pies. Incrementando el espacio entre la barrena y el primer estabilizador se incrementará el ángulo de



construcción. Disminuyendo el espacio entre la barrena y el primer estabilizador disminuirá la velocidad de construcción. 5.1.3 Ensamble (BHA) para descenso Dependiendo de las características de la formación, WOB, RPM, tipo de barrena, etc. El siguiente ensamble creará un descenso de 1.5 – 2.0 °/100 pies Barrena Estabilizador en Calibre Lastra Barrena Estabilizador en Calibre Lastra Barrena para dar peso en Barrena WOB Martillo Lastra Barrena para operar el martillo Tubería de Perforación Ultrapesada (HWDP) Este ensamble es referido comúnmente como Ensamble de Péndulo de 30 pies. Incrementando el espacio entre la barrena y el primer estabilizador se incrementará la velocidad de descenso. El decremento del espacio entre la barrena y el primer estabilizador disminuirá la velocidad de descenso. Un ensamble de Péndulo de 60 pies es a veces utilizado para perforar pozos verticales a través de formaciones suaves o de dureza media, aunque debe tenerse en consideración que si mucho peso en la barrena es aplicado, puede causar puede convertirse en un ensamble de construcción. 5.2 Ensambles de Desviación 5.2.1 Ensamble (BHA) para agujero de 17½” – Tendencia Constante (Mantener Angulo) 17½” Barrena tricónica 11¼” Motor direccional con motor estabilizador de 17¼” 16½” Primer sarta de estabilizador Substituto Flotador 9½” NMDC (Coples No Magnéticos) 9½” MWD 16½” Estabilizador no magnético 2 x 9½” NMDC (Coples No Magnéticos) Combinación 2 x 8” Coples de Acero (incremento o decremento si es requerido) Martillo 8” Coples de Acero Combinación Tubería de Perforación Ultrapesada (Lo suficiente para proveer peso en la barrena) 5.2.2 Ensamble (BHA) para agujero de 17½” – Tendencia de Construcción 17½” Barrena PDC 11¼” Motor direccional con motor estabilizador de 17¼” motor 17¼” Primer sarta de estabilizador Substituto Flotador 9½” NMDC (Coples No Magnéticos) 9½” MWD 16½” Estabilizador No Magnético



2 x 9½” NMDC (Coples No Magnéticos) Combinación 2 x 8” Coples de Acero (incremento o decremento si es requerido) Martillo 8” Coples de Acero Combinación Tubería de Perforación Ultrapesada (Lo suficiente para proveer peso en la barrena) 5.2.3 Ensamble (BHA) para agujero de 12¼”– Tendencia Constante (Mantener Angulo) 12¼” Barrena 9½” Motor direccional con motor estabilizador de 12-1/8” 12” primer sarta de estabilizador 8” NMDC (Coples No Magnéticos) 8” MWD 12” Estabilizador No Magnético 2 x 8” NMDC (Coples No Magnéticos) Martillo 8” Coples de Acero Combinación Tubería de Perforación Ultrapesada (Lo suficiente para proveer peso en la barrena) 5.2.4 Ensamble (BHA) para agujero de 12¼” – Tendencia de Construcción 12¼” Barrena 9½” Motor Direccional con motor estabilizador de 12-1/8” motor 11” primer sarta de estabilizador 8” NMDC (Coples No Magnéticos) 8” MWD 11¾” Estabilizador No Magnético 2 x 8” NMDC (Coples No Magnéticos) Martillo 8” Coples de Acero Combinación Tubería de Perforación Ultrapesada (Lo suficiente para proveer peso en la barrena) 5.3 Ensamblajes Direccionales Rotatorios Los ensamblajes direccionales rotatorios, permiten la inclinación y un control de azimutal mientras se efectúa la perforación rotaria. Estos serán discutidos en la Sección 13- Avances en Tecnología.

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