Un equipo de perforación es una máquina que crea agujeros en el subsuelo de la tierra. Las plataformas de perforación pueden ser estructuras masivas que albergan equipos utilizados para perforar pozos de agua, pozos de petróleo o pozos de extracción de gas natural, o pueden ser lo suficientemente pequeñas como para ser movidas manualmente por una persona y se denominan sinfines. Las plataformas de perforación pueden muestrear depósitos minerales subterráneos, probar las propiedades físicas de la roca, el suelo y el agua subterránea, y también se pueden utilizar para instalar fabricaciones subterráneas, tales como servicios públicos subterráneos, instrumentación, túneles o pozos. Las plataformas de perforación pueden ser equipos móviles montados en camiones, vías o remolques, o estructuras terrestres o marinas más permanentes (tales como plataformas petrolíferas, comúnmente llamadas"plataformas petrolíferas costa afuera" incluso si no contienen una plataforma de perforación). Por lo tanto, el término "aparejo" se refiere generalmente al complejo equipo que se utiliza para penetrar en la superficie de la corteza terrestre.
Los equipos de perforación pequeños y medianos son móviles, como los que se utilizan en la exploración de minerales, perforación de pozos, pozos de agua e investigaciones ambientales. Las plataformas más grandes son capaces de perforar a través de miles de metros de la corteza terrestre, utilizando grandes "bombas de lodo" para hacer circular el lodo de perforación (lodo) a través de la broca y hasta el espacio anular de la tubería, para enfriar y eliminar los "recortes" mientras se perfora un pozo.
Los polipastos en la plataforma pueden levantar cientos de toneladas de tubería. Otros equipos pueden forzar la entrada de ácido o arena en los reservorios para facilitar la extracción del petróleo o el gas natural; y en lugares remotos puede haber alojamiento permanente y servicios de catering para tripulaciones (que pueden ser más de cien). Las plataformas marinas pueden operar a miles de millas de distancia de la base de abastecimiento con una rotación o ciclo poco frecuente de la tripulación.
1 Clasificación del equipo de perforación
1.1 Por potencia utilizada
1.2 Por tubería utilizada
1.3 Por altura
1.4 Por el método de rotación o perforación
1.5 Por posición de la torre de perforación
2 Tipos de brocas
2.1 Taladrado con taladro
2.2 Perforación por chorro de aire rotativo por percusión (RAB)
2.3 Perforación con núcleo de aire
2.4 Taladrado de la herramienta de cable
2.5 Taladrado por circulación inversa (RC)
2.6 Perforación con núcleo de diamante
2.7 Equipos de empuje directo
2.8 Taladrado rotativo hidráulico
Perforadoras o barrenadoras clacificadas por Potencia utilizada
Equipo de perforación móvil montado en un camión
En las primeras etapas de la exploración petrolera, las plataformas de perforación eran de naturaleza semipermanente y las torres de perforación a menudo se construían en el sitio y se dejaban en su lugar después de la finalización del pozo. En tiempos más recientes, los equipos de perforación son máquinas costosas construidas a medida que se pueden mover de un pozo a otro. Algunos equipos de perforación de trabajo ligero son como una grúa móvil y se utilizan más comúnmente para perforar pozos de agua. Las plataformas terrestres más grandes deben dividirse en secciones y cargas para trasladarse a un nuevo lugar, un proceso que a menudo puede llevar semanas.
Los pequeños equipos de perforación móviles también se utilizan para perforar o perforar pilotes. Los aparejos pueden variar desde aparejos de 100 toneladas con sinfín de vuelo continuo (CFA) hasta pequeños aparejos neumáticos utilizados para perforar pozos en canteras, etc. Estas plataformas utilizan la misma tecnología y equipo que las plataformas petrolíferas, sólo que a menor escala.
Los mecanismos de perforación que se describen a continuación difieren mecánicamente en cuanto a la maquinaria utilizada, pero también en cuanto al método mediante el cual los recortes de perforación se retiran de la cara de corte de la broca y se devuelven a la superficie.
Clasificación del equipo de perforación
Hay muchos tipos y diseños de equipos de perforación, con muchos equipos de perforación capaces de cambiar o combinar diferentes tecnologías de perforación según sea necesario. Los equipos de perforación pueden describirse utilizando cualquiera de los siguientes atributos:
Por potencia utilizada
Mecánico - el equipo utiliza convertidores de par, embragues y transmisiones propulsadas por sus propios motores, a menudo diesel.
Eléctrico - los principales elementos de la maquinaria son impulsados por motores eléctricos, por lo general con energía generada in situ utilizando motores de combustión interna.
Hidráulica - la plataforma utiliza principalmente energía hidráulica
Neumático - el equipo es impulsado principalmente por aire presurizado
Vapor - el equipo utiliza motores y bombas de vapor (obsoleto desde mediados del siglo XX).
Por tubería utilizada
Cable: se utiliza un cable para elevar y soltar la broca.
Convencional - utiliza tubos de perforación de metal o plástico de diferentes tipos
Tubo en espiral: utiliza un espiral gigante de tubo y un motor de perforación de fondo de pozo.
Por altura
(Los equipos de perforación se diferencian por la altura en función del número de tubos conectados que pueden"pararse" en la torre de perforación cuando necesitan retirar temporalmente el tubo de perforación del pozo. Típicamente esto se hace cuando se cambia una broca o cuando se"registra" el pozo.
Simple - sólo puede tirar de tubos de perforación simples. La presencia o ausencia de "dedos" verticales en las estanterías de tuberías varía de un equipo a otro.
Doble - puede sostener un soporte de tubería en la torre de perforación que consiste en dos tubos de perforación conectados, llamado un "soporte doble".
Triple - puede sostener un soporte de tubería en la torre de perforación que consiste en tres tubos de perforación conectados, llamado un "soporte triple".
Quadri - puede almacenar el soporte de tubería en la torre de perforación compuesta por cuatro tubos de perforación conectados, llamado "quadri stand".
Por método de rotación o método de perforación
La no rotación incluye equipos de empuje directo y la mayoría de los equipos de servicio.
Mesa giratoria - la rotación se consigue girando un tubo cuadrado o hexagonal (la "Kelly") a nivel del suelo de perforación.
Accionamiento superior - la rotación y circulación se realiza en la parte superior de la barra de perforación, en un motor que se mueve en una pista a lo largo de la torre de perforación.
Sonic: utiliza principalmente energía vibratoria para hacer avanzar las barras de perforación.
Martillo - utiliza rotación y fuerza de percusión (ver Perforación en el fondo del pozo)
Por posición de la torre de perforación
Convencional - la torre de perforación es vertical
Inclinación - la torre de perforación está inclinada en un ángulo de 45 grados para facilitar la perforación horizontal.
Tipos de brocas
Hay una variedad de mecanismos de perforación que se pueden utilizar para hundir un pozo en el suelo. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas, en términos de la profundidad a la que puede perforar, el tipo de muestra devuelta, los costos involucrados y las tasas de penetración logradas. Hay dos tipos básicos de taladros: taladros que producen astillas de roca, y taladros que producen muestras de testigos.
Taladrado con barrena
La perforación con tornillo sinfín se realiza con un tornillo helicoidal que se introduce en el suelo con rotación; la tierra es levantada hacia arriba por la cuchilla del tornillo. La perforación con tornillo sinfín de vástago hueco se utiliza para terrenos más blandos, como los pantanos, donde el pozo no permanece abierto por sí solo para la perforación ambiental, la perforación geotécnica, la ingeniería de suelos y los trabajos de reconocimiento geoquímico en la exploración de yacimientos minerales. Los sinfines de distribución de sólidos se utilizan en perforaciones de construcción en terrenos más duros. En algunos casos, los pozos de la mina se excavan con perforadoras de tornillo sinfín. Los sinfines pequeños se pueden montar en la parte trasera de un camión de servicios públicos, con sinfines grandes usados para hundir pilotes para los cimientos de puentes.
La perforación por barrena está restringida a materiales generalmente blandos no consolidados o roca débilmente erosionada. Es barato y rápido.
Perforación por chorro de aire rotativo por percusión (RAB)
Las perforaciones RAB se utilizan con mayor frecuencia en la industria de exploración minera. El taladro utiliza un "martillo" neumático impulsado por pistón reciprocante para clavar enérgicamente una pesada broca en la roca. La broca es hueca, de acero macizo y tiene varillas de tungsteno de ~20 mm de espesor que sobresalen de la matriz de acero como "botones". Los botones de tungsteno son la cara de corte de la broca.
Los esquejes se vuelan por la parte exterior de las varillas y se recogen en la superficie. Aire o una combinación de aire y espuma levantan los esquejes.
La perforación RAB se utiliza principalmente para exploración de minerales, perforación de pozos de agua y perforación de pozos de explosión en minas, así como para otras aplicaciones tales como ingeniería, etc. RAB produce muestras de menor calidad debido a que los esquejes son volados por fuera de las varillas y pueden estar contaminados por el contacto con otras rocas. Las perforaciones del RAB a profundidades extremas, si se encuentran con agua, pueden obstruir rápidamente el exterior del pozo con escombros, impidiendo la remoción de los cortes de perforación del pozo. Esto puede ser contrarrestado, sin embargo, con el uso de "estabilizadores" también conocidos como "escariadores", que son grandes piezas cilíndricas de acero unidas a la barra de perforación, y hechas para encajar perfectamente en el tamaño del agujero que se está perforando. Estos tienen juegos de rodillos laterales, generalmente con botones de tungsteno, que constantemente rompen los esquejes que se empujan hacia arriba.
El uso de compresores de aire de alta potencia, que empujan 900-1150 pcm de aire a 300-350 psi dentro del pozo también asegura la perforación de un pozo más profundo hasta ~1250 m debido a una mayor presión de aire que empuja todos los cortes de roca y cualquier agua a la superficie. Esto, por supuesto, depende de la densidad y el peso de la roca que se perfora y del desgaste de la broca.
Perforación con núcleo de aire
La perforación con núcleo de aire y los métodos relacionados utilizan cuchillas de acero endurecido o de tungsteno para perforar un agujero en el suelo no consolidado. La broca tiene tres cuchillas dispuestas alrededor del cabezal de la broca, que cortan el terreno no consolidado. Las varillas son huecas y contienen un tubo interior que se asienta dentro del barril exterior hueco de la varilla. Los recortes de perforación se eliminan inyectando aire comprimido en el agujero a través del área anular entre el tubo interno y la varilla de perforación. A continuación, los esquejes vuelven a salir a la superficie por el tubo interior, donde pasan a través del sistema de separación de muestras, y se recogen si es necesario. La perforación continúa con la adición de varillas en la parte superior de la barra de perforación. La perforación con núcleo de aire puede ocasionalmente producir pequeños trozos de roca con núcleo.
Este método de perforación se utiliza para perforar el regolito erosionado, ya que el equipo de perforación y las cuchillas de acero o tungsteno no pueden penetrar la roca fresca. Siempre que sea posible, se prefiere la perforación con núcleo de aire a la perforación RAB, ya que proporciona una muestra más representativa. La perforación con núcleo de aire puede alcanzar profundidades de hasta 300 metros en buenas condiciones. Como los esquejes se retiran dentro de las varillas y son menos propensos a la contaminación en comparación con la perforación convencional, donde los esquejes pasan a la superficie a través del retorno exterior entre el exterior de la varilla de perforación y las paredes del pozo. Este método es más costoso y lento que el RAB.
Taladrado de herramientas de cable
Máquina perforadora de pozos de agua con herramienta de cable en West Virginia. Estos equipos de perforación lentos han sido reemplazados en su mayoría por equipos de perforación rotativa en los EE.UU.
Los aparejos de herramientas de cable son una forma tradicional de perforar pozos de agua. La mayoría de los pozos de suministro de agua de gran diámetro, especialmente los pozos profundos completados en acuíferos rocosos, se completaron utilizando este método de perforación. Aunque este método de perforación ha sido reemplazado en gran medida en los últimos años por otras técnicas de perforación más rápidas, sigue siendo el método de perforación más practicable para pozos de fondo rocoso de gran diámetro y profundidad, y de uso generalizado para pequeños pozos rurales de suministro de agua. El impacto de la broca fractura la roca y en muchas situaciones de roca de esquisto aumenta el flujo de agua hacia un pozo sobre rotatorio.
También conocidas como perforación de pozos balísticos y a veces llamadas "spudders", estas plataformas levantan y sueltan una barra de perforación con una broca de carburo pesado que cincela a través de la roca pulverizando finamente los materiales del subsuelo. La barra de perforación está compuesta por las barras de perforación superiores, un conjunto de "tarros" (correderas de interbloqueo que ayudan a transmitir energía adicional a la broca y ayudan a extraer la broca si está atascada) y la broca. Durante el proceso de perforación, las barras de perforación se retiran periódicamente del pozo y se baja un achicador para recoger los cortes de perforación (fragmentos de roca, suelo, etc.). El desagüe es una herramienta en forma de cubo con una trampilla en la base. Si el pozo está seco, se agrega agua para que los recortes de perforación fluyan hacia el desagüe. Cuando se levanta, la trampilla se cierra y los esquejes se levantan y se retiran. Debido a que las barras de perforación deben elevarse y bajarse para hacer avanzar la perforación, la tubería (tubería externa de mayor diámetro) se utiliza típicamente para retener los materiales de la parte superior del suelo y estabilizar la perforación.
Los aparejos de herramientas de cable son más simples y baratos que los aparejos rotativos de tamaño similar, aunque ruidosos y muy lentos de operar. El pozo récord mundial de herramientas para cables fue perforado en Nueva York a una profundidad de casi 3.700 m (12.000 pies). El Bucyrus-Erie 22 común puede perforar hasta aproximadamente 1,100 pies (340 m). Debido a que la perforación de la herramienta de cable no utiliza aire para expulsar las virutas de perforación como un rotativo, sino que utiliza un desatascador encordado por cable, técnicamente no hay ninguna limitación en la profundidad.
Los aparejos de herramientas de cable ahora son casi obsoletos en los Estados Unidos. Se utilizan principalmente en África o en países del Tercer Mundo. Al ser lenta, la perforación con herramientas de cable significa mayores salarios para los perforadores. En los Estados Unidos los salarios de perforación promediarían alrededor de US$200 por día por hombre, mientras que en África son sólo US$6 por día por hombre, por lo que una máquina de perforación lenta todavía puede ser usada en países subdesarrollados con salarios bajos. Un equipo de herramientas de cable puede perforar de 7,6 m (25 pies) a 18 m (60 pies) de roca dura al día. Una nueva máquina perforadora rotativa de cabezal superior equipada con un martillo en el fondo del pozo (DTH) puede perforar 150 m (500 pies) o más por día, dependiendo del tamaño y la dureza de la formación.
La perforación RC es similar a la perforación con núcleo de aire, en el sentido de que los recortes de perforación se devuelven a la superficie dentro de las varillas. El mecanismo de perforación es un pistón reciprocante neumático conocido como "martillo" que impulsa una broca de acero al tungsteno. La perforación RC utiliza plataformas y maquinaria mucho más grandes y se alcanzan rutinariamente profundidades de hasta 500 metros. La perforación RC produce de forma ideal virutas de roca seca, ya que los grandes compresores de aire secan la roca antes que la broca que avanza. La perforación con RC es más lenta y costosa, pero logra una mejor penetración que la perforación con RAB o con núcleo de aire; es más barata que la perforación con núcleo de diamante y, por lo tanto, se prefiere para la mayoría de los trabajos de exploración minera.
La circulación inversa se consigue soplando aire hacia abajo por las varillas, la presión diferencial crea un levantamiento de aire del agua y corta el "tubo interior" que está dentro de cada varilla. Llega al "desviador" en la parte superior del agujero, luego se mueve a través de una manguera de muestreo que se fija a la parte superior del "ciclón". Los recortes de perforación viajan por el interior del ciclón hasta que caen a través de una abertura en el fondo y se recogen en una bolsa de muestra.
Las brocas RC más comúnmente usadas son de 5-8 pulgadas (13-20 cm) de diámetro y tienen'botones' redondos de tungsteno que sobresalen de la broca, los cuales son necesarios para perforar a través de esquisto y roca abrasiva. A medida que los botones se desgastan, la perforación se hace más lenta y la sarta de varillas puede atascarse en el agujero. Este es un problema ya que tratar de recuperar las varillas puede tomar horas y en algunos casos semanas. Las barras y las brocas son muy caras, lo que a menudo resulta en un gran costo para las compañías de perforación cuando el equipo se pierde en el pozo. La mayoría de las compañías reafilan regularmente los botones de sus brocas para prevenir esto y acelerar el progreso. Por lo general, cuando algo se pierde (se rompe) en el pozo, no es la barra de perforación, sino más bien desde la broca, martillo o estabilizador hasta el fondo de la barra de perforación (broca). Esto generalmente es causado por un error del operador, metal sobre-esforzado, o condiciones adversas de perforación que causan que el equipo de fondo de pozo se atasque en una parte del pozo.
Aunque la perforación RC es neumática, también se utiliza agua para reducir el polvo, mantener la broca fría y ayudar a empujar el corte hacia arriba, pero también cuando se"collarea" un nuevo agujero. Un lodo llamado "Liqui-Pol" se mezcla con agua y se bombea a la sarta de varillas, por el agujero. Esto ayuda a subir la muestra a la superficie haciendo que la arena se pegue. Ocasionalmente, también se utiliza "Super-Foam" (también conocido como "Quik-Foam"), para sacar a la superficie todos los cortes muy finos y para limpiar el agujero. Cuando la broca llega a la roca dura, se coloca un "collar" en el suelo.
que normalmente son tuberías de PVC. Ocasionalmente, el cuello puede estar hecho de una cubierta metálica. Es necesario hacer un agujero para evitar que las paredes se derrumben y que la cuerda de la varilla se atasque en la parte superior del agujero. Los cuellos pueden tener hasta 60 metros de profundidad, dependiendo del terreno, aunque si se perfora a través de roca dura puede no ser necesario un cuello.
Las configuraciones del equipo de circulación inversa generalmente consisten en un vehículo de apoyo, un vehículo auxiliar, así como el equipo mismo. El vehículo de apoyo, normalmente un camión, tiene tanques de agua y diesel para reabastecer la plataforma. También contiene otros suministros necesarios para el mantenimiento de la plataforma. El auxiliar es un vehículo que lleva un motor auxiliar y un motor de propulsión. Estos motores están conectados a la plataforma por mangueras de aire de alta presión. Aunque los equipos de RC tienen su propio booster y compresor para generar presión de aire, se necesita potencia extra que normalmente no es suministrada por el equipo debido a la falta de espacio para estos grandes motores. En su lugar, los motores se montan en el vehículo auxiliar. Los compresores en una plataforma RC tienen una salida de alrededor de 1000 cfm a 500 psi (500 L-s-1 a 3.4 MPa). Alternativamente, los compresores de aire autónomos que tienen una salida de 900-1150cfm a 300-350 psi cada uno se utilizan en grupos de 2, 3 ó 4, que se dirigen al equipo a través de un múltiple de válvulas.
La perforación con núcleo de diamante (perforación diamantina de exploración) utiliza una broca anular impregnada de diamante unida al extremo de las barras de perforación huecas para cortar un núcleo cilíndrico de roca sólida. Los diamantes utilizados para fabricar las brocas de diamante son una variedad de tamaños, de diamantes finos a microfinos de grado industrial, y la relación de diamantes a metal utilizada en la matriz afecta el rendimiento de la capacidad de corte de las brocas en diferentes tipos de formaciones rocosas. Los diamantes se engastan en una matriz de dureza variable, desde el latón hasta el acero inoxidable. La dureza de la matriz, el tamaño del diamante y la dosificación pueden variar según la roca a cortar. Las brocas de acero duro con bajo contenido de diamantes son ideales para roca más blanda y altamente fracturada, mientras que otras de aceros más blandos y alta relación de diamantes son buenas para la extracción de núcleos en roca sólida dura. Los orificios dentro de la broca permiten que el agua llegue a la superficie de corte. Esto proporciona tres funciones esenciales: lubricación, enfriamiento y eliminación de los recortes de perforación del orificio.
La perforación diamantina es mucho más lenta que la perforación de circulación inversa (RC) debido a la dureza del terreno que se está perforando. Perforaciones de 1200 a 1800 metros son comunes y en estas profundidades, el suelo es principalmente roca dura. Las técnicas varían entre los operadores de perforación y lo que el equipo que están utilizando es capaz de hacer, algunos equipos de perforación de diamante necesitan perforar lentamente para alargar la vida de las brocas y varillas de perforación, que son muy costosas y llevan mucho tiempo para reemplazarlas a profundidades extremadamente profundas. Como los núcleos de un equipo de perforación diamantina son cada vez más profundos, la parte del proceso que consume tiempo no es cortar de 5 a 10 pies más de núcleo de roca, sino la recuperación del núcleo con la línea de alambre y la herramienta de desbordamiento. Las muestras de testigos se recuperan mediante el uso de un tubo de testigos, un tubo hueco colocado dentro de la sarta de varillas y bombeado con agua hasta que se bloquea en el barril de testigos. A medida que se perfora el núcleo, el barril de núcleo se desliza sobre el núcleo mientras se corta. Un "sobregiro" unido al extremo del cable del malacate se baja dentro de la sarta de varillas y se bloquea en el extremo trasero (también conocido como ensamble de cabeza), ubicado en el extremo superior del barril central. El cabrestante se retrae, tirando del tubo central hacia la superficie. El núcleo no se cae del interior del tubo central cuando se levanta porque un elevador de núcleo de anillo partido o un retenedor de cesta permiten que el núcleo entre, pero no salga del tubo.
Una vez que el tubo de núcleo se retira del orificio, la muestra de núcleo se retira del tubo de núcleo y se cataloga. El asistente del perforador desenrosca el extremo trasero del tubo central usando llaves para tubos, luego se toma cada parte del tubo y se sacude el núcleo en las bandejas centrales. El núcleo se lava, se mide y se rompe en trozos más pequeños utilizando un martillo o un serrucho para que quepa en las bandejas de muestras. Una vez catalogadas, las bandejas del núcleo son recuperadas por geólogos que analizan el núcleo y determinan si el sitio de perforación es un buen lugar para expandir futuras operaciones mineras.
Las plataformas Diamond también pueden ser parte de una plataforma multi-combinación. Los equipos de perforación multicombinación son equipos de doble configuración capaces de operar tanto en circulación inversa (RC) como en perforación diamantina (aunque no al mismo tiempo). Este es un escenario común donde la perforación de exploración se realiza en un lugar muy aislado. El aparejo se prepara primero para perforar como un aparejo RC y una vez que se perforan los metros deseados, el aparejo se prepara para la perforación diamantina. De esta manera, los metros más profundos del agujero se pueden perforar sin mover el equipo y esperando a que se instale un equipo de diamante en la plataforma.
La tecnología de empuje directo incluye varios tipos de máquinas perforadoras y equipos de perforación que avanzan una barra de perforación empujando o martillando sin girar la barra de perforación. Si bien esto no cumple con la definición adecuada de perforación, logra el mismo resultado: una perforación. Los equipos de empuje directo incluyen equipos de prueba de penetración de cono (CPT) y equipos de muestreo de empuje directo tales como PowerProbe o Geoprobe. Las plataformas de empuje directo normalmente se limitan a la perforación en materiales de suelo no consolidados y roca muy blanda.
Los equipos de CPT avanzan con equipos de prueba especializados (tales como conos electrónicos) y muestreadores de suelo que utilizan grandes cilindros hidráulicos. La mayoría de los equipos CPT tienen un alto nivel de lastre (20 toneladas métricas es lo típico) como contrapeso a la fuerza de empuje de los cilindros hidráulicos, que a menudo tienen una capacidad de hasta 20 kN. Alternativamente, las plataformas CPT pequeñas y ligeras y las plataformas CPT en alta mar utilizarán anclajes tales como anclajes de tierra atornillados para crear la fuerza reactiva. En condiciones ideales, los equipos CPT pueden alcanzar tasas de producción de hasta 250-300 metros por día.
Las máquinas perforadoras de empuje directo utilizan cilindros hidráulicos y un martillo hidráulico para hacer avanzar un muestreador de núcleo hueco para recoger muestras de suelo y agua subterránea. La velocidad y profundidad de penetración dependen en gran medida del tipo de suelo, el tamaño del muestreador y el peso y potencia del equipo. Las técnicas de empuje directo generalmente se limitan a la recuperación de muestras de suelos poco profundos en materiales de suelos no consolidados. La ventaja de la tecnología de empuje directo es que en el tipo de suelo adecuado puede producir un gran número de muestras de alta calidad de forma rápida y económica, generalmente de 50 a 75 metros por día. En lugar de martillar, el empuje directo también puede combinarse con métodos sónicos (vibratorios) para aumentar la eficiencia de la perforación.
La perforación de pozos de petróleo utiliza un rodillo de tres conos, diamante de corte fijo incrustado de carburo o brocas impregnadas de diamante para desgastar la superficie de corte. Esto es preferible porque no es necesario devolver las muestras intactas a la superficie para el ensayo, ya que el objetivo es alcanzar una formación que contenga petróleo o gas natural. Se utiliza maquinaria de grandes dimensiones que permite penetrar a profundidades de varios kilómetros. Los tubos de perforación huecos giratorios transportan los lodos de perforación bentoníticos y de infusión de barita para lubricar, enfriar y limpiar la broca de perforación, controlar las presiones en el fondo del pozo, estabilizar la pared del pozo y eliminar los recortes de perforación. El lodo viaja de regreso a la superficie alrededor del exterior del tubo de perforación, llamado el anillo. El examen de los fragmentos de roca extraídos del lodo se conoce como tala de lodo. Otra forma de registro de pozos es electrónica y se emplea comúnmente para evaluar la existencia de posibles depósitos de petróleo y gas en el pozo. Esto puede ocurrir mientras se está perforando el pozo, usando herramientas de Medición Mientras se Perfora, o después de perforar, bajando las herramientas de medición dentro del pozo recién perforado.
El sistema rotativo de perforación era de uso general en Texas a principios del siglo XX. Es una modificación de la inventada por Fauvelle en 1845, y utilizada en los primeros años de la industria petrolera en algunos de los países productores de petróleo de Europa. Originalmente se usaba agua presurizada en lugar de barro, y era casi inútil en roca dura antes de la broca de diamante.El principal avance para la perforación rotativa se produjo en 1901, cuando Anthony Francis Lucas combinó el uso de un equipo impulsado por vapor y de lodo en lugar de agua en el pozo de descubrimiento Spindletop.[10]
La perforación y producción de petróleo y gas puede suponer un riesgo para la seguridad y para el medio ambiente debido a la ignición del gas arrastrado que causa incendios peligrosos y también debido al riesgo de fuga de petróleo que contamina el agua, la tierra y las aguas subterráneas. Por estas razones, los sistemas de seguridad redundantes y el personal altamente capacitado son requeridos por ley en todos los países con producción significativa.
Un equipo de perforación automatizado (ADR) es un equipo de perforación con base en tierra de tamaño completo, automatizado y de última generación que perfora secciones laterales largas en pozos horizontales para la industria petrolera y de gas.11] Los ADRs son equipos ágiles que pueden moverse de plataforma a plataforma a nuevos sitios de pozos más rápido que otros equipos de perforación de tamaño completo. Cada equipo cuesta alrededor de 25 millones de dólares. El ADR se utiliza ampliamente en las arenas petrolíferas de Athabasca. Según el "Oil Patch Daily News", "cada plataforma generará 50.000 horas-hombre de trabajo durante la fase de construcción y, una vez terminada, cada plataforma operativa empleará directa e indirectamente a más de 100 trabajadores". En comparación con los equipos de perforación convencionales", Ensign, un contratista internacional de servicios de yacimientos petrolíferos con sede en Calgary, Alberta, que afirma que los ADR son "más seguros de operar, tienen "inteligencia de controles mejorada", "huella ambiental reducida, movilidad rápida y comunicaciones avanzadas entre el campo y la oficina"."En junio de 2005, la primera máquina perforadora automática inclinada (ADR) específicamente diseñada, Ensign Rig No. 118, para aplicaciones de drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD) fue movilizada por Deer Creek Energy Limited, una compañía de arenas petrolíferas con sede en Calgary.[12]
La tecnología de perforación ha avanzado constantemente desde el siglo XIX. Sin embargo, hay varios factores limitantes básicos que determinarán la profundidad a la que se puede perforar un pozo.
Todos los orificios deben mantener el diámetro exterior; el diámetro del orificio debe permanecer más ancho que el diámetro de las varillas o las varillas no pueden girar en el orificio y el progreso no puede continuar. La fricción causada por la operación de perforación tenderá a reducir el diámetro exterior de la broca. Esto se aplica a todos los métodos de perforación, excepto que en la perforación con núcleo de diamante el uso de varillas y revestimientos más delgados puede permitir que el pozo continúe. La tubería de revestimiento es simplemente una vaina hueca que protege el agujero contra el colapso durante la perforación, y está hecha de metal o PVC. A menudo los agujeros de diamante comienzan con un diámetro grande y cuando se pierde el diámetro exterior, se colocan varillas más delgadas dentro del revestimiento para continuar, hasta que finalmente el agujero se vuelve demasiado estrecho. Alternativamente, el agujero puede ser escariado; esta es la práctica usual en la perforación de pozos petroleros donde el tamaño del agujero se mantiene hasta el siguiente punto de la tubería de revestimiento.
Para las técnicas de percusión, la principal limitación es la presión del aire. Se debe suministrar aire al pistón a suficiente presión para activar la acción recíproca y, a su vez, introducir la cabeza en la roca con suficiente fuerza para fracturarla y pulverizarla. Con la profundidad, el volumen se añade a la cadena en la varilla, requiriendo compresores más grandes para alcanzar las presiones de operación. En segundo lugar, el agua subterránea es ubicua y aumenta su presión con la profundidad del suelo. El aire dentro de la sarta de varillas debe estar lo suficientemente presurizado para superar esta presión de agua en la cara de la broca. Entonces, el aire debe ser capaz de llevar los fragmentos de roca a la superficie. Esta es la razón por la que rara vez se alcanzan profundidades superiores a los 500 m para la perforación de circulación inversa, ya que el coste es prohibitivo y se acerca al umbral en el que la perforación con núcleo de diamante es más económica.
La perforación diamantina puede alcanzar rutinariamente profundidades superiores a 1200 m. En los casos en los que el dinero no es un problema, se han alcanzado profundidades extremas, porque no hay necesidad de superar la presión del agua. Sin embargo, se debe mantener la circulación de agua para que los esquejes de perforación vuelvan a la superficie y, lo que es más importante, para mantener el enfriamiento y la lubricación de la superficie de corte de la broca y, al mismo tiempo, reducir la fricción en las paredes de acero de las varillas que giran contra las paredes de roca del pozo. Cuando se pierde el retorno de agua, las varillas vibran, esto se llama "vibración de varilla", y eso dañará las varillas de perforación y agrietará las juntas.
Sin suficiente lubricación y refrigeración, la matriz de la broca se ablandará. Mientras que el diamante es la sustancia más dura conocida, a 10 en la escala de dureza de Mohs, debe permanecer firmemente en la matriz para lograr el corte. El peso sobre la broca, la fuerza ejercida sobre la cara de corte de la broca por las barras de perforación en el agujero por encima de la broca, también debe ser monitoreada.
Los equipos de perforación pequeños y medianos son móviles, como los que se utilizan en la exploración de minerales, perforación de pozos, pozos de agua e investigaciones ambientales. Las plataformas más grandes son capaces de perforar a través de miles de metros de la corteza terrestre, utilizando grandes "bombas de lodo" para hacer circular el lodo de perforación (lodo) a través de la broca y hasta el espacio anular de la tubería, para enfriar y eliminar los "recortes" mientras se perfora un pozo.
Los polipastos en la plataforma pueden levantar cientos de toneladas de tubería. Otros equipos pueden forzar la entrada de ácido o arena en los reservorios para facilitar la extracción del petróleo o el gas natural; y en lugares remotos puede haber alojamiento permanente y servicios de catering para tripulaciones (que pueden ser más de cien). Las plataformas marinas pueden operar a miles de millas de distancia de la base de abastecimiento con una rotación o ciclo poco frecuente de la tripulación.
1 Clasificación del equipo de perforación
1.1 Por potencia utilizada
1.2 Por tubería utilizada
1.3 Por altura
1.4 Por el método de rotación o perforación
1.5 Por posición de la torre de perforación
2 Tipos de brocas
2.1 Taladrado con taladro
2.2 Perforación por chorro de aire rotativo por percusión (RAB)
2.3 Perforación con núcleo de aire
2.4 Taladrado de la herramienta de cable
2.5 Taladrado por circulación inversa (RC)
2.6 Perforación con núcleo de diamante
2.7 Equipos de empuje directo
2.8 Taladrado rotativo hidráulico
Perforadoras o barrenadoras clacificadas por Potencia utilizada
- Mecánico - el equipo utiliza convertidores de par, embragues y transmisiones propulsadas por sus propios motores, a menudo diesel.
- Eléctrico - los principales elementos de la maquinaria son impulsados por motores eléctricos, por lo general con energía generada in situ utilizando motores de combustión interna.
- Hidráulica - la plataforma utiliza principalmente energía hidráulica
- Neumático - el equipo es impulsado principalmente por aire presurizado
- Vapor - el equipo utiliza motores y bombas de vapor (obsoleto desde mediados del siglo XX).
Equipo de perforación móvil montado en un camión
En las primeras etapas de la exploración petrolera, las plataformas de perforación eran de naturaleza semipermanente y las torres de perforación a menudo se construían en el sitio y se dejaban en su lugar después de la finalización del pozo. En tiempos más recientes, los equipos de perforación son máquinas costosas construidas a medida que se pueden mover de un pozo a otro. Algunos equipos de perforación de trabajo ligero son como una grúa móvil y se utilizan más comúnmente para perforar pozos de agua. Las plataformas terrestres más grandes deben dividirse en secciones y cargas para trasladarse a un nuevo lugar, un proceso que a menudo puede llevar semanas.
Los pequeños equipos de perforación móviles también se utilizan para perforar o perforar pilotes. Los aparejos pueden variar desde aparejos de 100 toneladas con sinfín de vuelo continuo (CFA) hasta pequeños aparejos neumáticos utilizados para perforar pozos en canteras, etc. Estas plataformas utilizan la misma tecnología y equipo que las plataformas petrolíferas, sólo que a menor escala.
Los mecanismos de perforación que se describen a continuación difieren mecánicamente en cuanto a la maquinaria utilizada, pero también en cuanto al método mediante el cual los recortes de perforación se retiran de la cara de corte de la broca y se devuelven a la superficie.
Clasificación del equipo de perforación
Hay muchos tipos y diseños de equipos de perforación, con muchos equipos de perforación capaces de cambiar o combinar diferentes tecnologías de perforación según sea necesario. Los equipos de perforación pueden describirse utilizando cualquiera de los siguientes atributos:
Por potencia utilizada
Mecánico - el equipo utiliza convertidores de par, embragues y transmisiones propulsadas por sus propios motores, a menudo diesel.
Eléctrico - los principales elementos de la maquinaria son impulsados por motores eléctricos, por lo general con energía generada in situ utilizando motores de combustión interna.
Hidráulica - la plataforma utiliza principalmente energía hidráulica
Neumático - el equipo es impulsado principalmente por aire presurizado
Vapor - el equipo utiliza motores y bombas de vapor (obsoleto desde mediados del siglo XX).
Por tubería utilizada
Cable: se utiliza un cable para elevar y soltar la broca.
Convencional - utiliza tubos de perforación de metal o plástico de diferentes tipos
Tubo en espiral: utiliza un espiral gigante de tubo y un motor de perforación de fondo de pozo.
Por altura
(Los equipos de perforación se diferencian por la altura en función del número de tubos conectados que pueden"pararse" en la torre de perforación cuando necesitan retirar temporalmente el tubo de perforación del pozo. Típicamente esto se hace cuando se cambia una broca o cuando se"registra" el pozo.
Simple - sólo puede tirar de tubos de perforación simples. La presencia o ausencia de "dedos" verticales en las estanterías de tuberías varía de un equipo a otro.
Doble - puede sostener un soporte de tubería en la torre de perforación que consiste en dos tubos de perforación conectados, llamado un "soporte doble".
Triple - puede sostener un soporte de tubería en la torre de perforación que consiste en tres tubos de perforación conectados, llamado un "soporte triple".
Quadri - puede almacenar el soporte de tubería en la torre de perforación compuesta por cuatro tubos de perforación conectados, llamado "quadri stand".
Por método de rotación o método de perforación
La no rotación incluye equipos de empuje directo y la mayoría de los equipos de servicio.
Mesa giratoria - la rotación se consigue girando un tubo cuadrado o hexagonal (la "Kelly") a nivel del suelo de perforación.
Accionamiento superior - la rotación y circulación se realiza en la parte superior de la barra de perforación, en un motor que se mueve en una pista a lo largo de la torre de perforación.
Sonic: utiliza principalmente energía vibratoria para hacer avanzar las barras de perforación.
Martillo - utiliza rotación y fuerza de percusión (ver Perforación en el fondo del pozo)
Por posición de la torre de perforación
Convencional - la torre de perforación es vertical
Inclinación - la torre de perforación está inclinada en un ángulo de 45 grados para facilitar la perforación horizontal.
Tipos de brocas
Hay una variedad de mecanismos de perforación que se pueden utilizar para hundir un pozo en el suelo. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas, en términos de la profundidad a la que puede perforar, el tipo de muestra devuelta, los costos involucrados y las tasas de penetración logradas. Hay dos tipos básicos de taladros: taladros que producen astillas de roca, y taladros que producen muestras de testigos.
Taladrado con barrena
La perforación con tornillo sinfín se realiza con un tornillo helicoidal que se introduce en el suelo con rotación; la tierra es levantada hacia arriba por la cuchilla del tornillo. La perforación con tornillo sinfín de vástago hueco se utiliza para terrenos más blandos, como los pantanos, donde el pozo no permanece abierto por sí solo para la perforación ambiental, la perforación geotécnica, la ingeniería de suelos y los trabajos de reconocimiento geoquímico en la exploración de yacimientos minerales. Los sinfines de distribución de sólidos se utilizan en perforaciones de construcción en terrenos más duros. En algunos casos, los pozos de la mina se excavan con perforadoras de tornillo sinfín. Los sinfines pequeños se pueden montar en la parte trasera de un camión de servicios públicos, con sinfines grandes usados para hundir pilotes para los cimientos de puentes.
La perforación por barrena está restringida a materiales generalmente blandos no consolidados o roca débilmente erosionada. Es barato y rápido.
Perforación por chorro de aire rotativo por percusión (RAB)
Las perforaciones RAB se utilizan con mayor frecuencia en la industria de exploración minera. El taladro utiliza un "martillo" neumático impulsado por pistón reciprocante para clavar enérgicamente una pesada broca en la roca. La broca es hueca, de acero macizo y tiene varillas de tungsteno de ~20 mm de espesor que sobresalen de la matriz de acero como "botones". Los botones de tungsteno son la cara de corte de la broca.
Los esquejes se vuelan por la parte exterior de las varillas y se recogen en la superficie. Aire o una combinación de aire y espuma levantan los esquejes.
La perforación RAB se utiliza principalmente para exploración de minerales, perforación de pozos de agua y perforación de pozos de explosión en minas, así como para otras aplicaciones tales como ingeniería, etc. RAB produce muestras de menor calidad debido a que los esquejes son volados por fuera de las varillas y pueden estar contaminados por el contacto con otras rocas. Las perforaciones del RAB a profundidades extremas, si se encuentran con agua, pueden obstruir rápidamente el exterior del pozo con escombros, impidiendo la remoción de los cortes de perforación del pozo. Esto puede ser contrarrestado, sin embargo, con el uso de "estabilizadores" también conocidos como "escariadores", que son grandes piezas cilíndricas de acero unidas a la barra de perforación, y hechas para encajar perfectamente en el tamaño del agujero que se está perforando. Estos tienen juegos de rodillos laterales, generalmente con botones de tungsteno, que constantemente rompen los esquejes que se empujan hacia arriba.
El uso de compresores de aire de alta potencia, que empujan 900-1150 pcm de aire a 300-350 psi dentro del pozo también asegura la perforación de un pozo más profundo hasta ~1250 m debido a una mayor presión de aire que empuja todos los cortes de roca y cualquier agua a la superficie. Esto, por supuesto, depende de la densidad y el peso de la roca que se perfora y del desgaste de la broca.
Perforación con núcleo de aire
La perforación con núcleo de aire y los métodos relacionados utilizan cuchillas de acero endurecido o de tungsteno para perforar un agujero en el suelo no consolidado. La broca tiene tres cuchillas dispuestas alrededor del cabezal de la broca, que cortan el terreno no consolidado. Las varillas son huecas y contienen un tubo interior que se asienta dentro del barril exterior hueco de la varilla. Los recortes de perforación se eliminan inyectando aire comprimido en el agujero a través del área anular entre el tubo interno y la varilla de perforación. A continuación, los esquejes vuelven a salir a la superficie por el tubo interior, donde pasan a través del sistema de separación de muestras, y se recogen si es necesario. La perforación continúa con la adición de varillas en la parte superior de la barra de perforación. La perforación con núcleo de aire puede ocasionalmente producir pequeños trozos de roca con núcleo.
Este método de perforación se utiliza para perforar el regolito erosionado, ya que el equipo de perforación y las cuchillas de acero o tungsteno no pueden penetrar la roca fresca. Siempre que sea posible, se prefiere la perforación con núcleo de aire a la perforación RAB, ya que proporciona una muestra más representativa. La perforación con núcleo de aire puede alcanzar profundidades de hasta 300 metros en buenas condiciones. Como los esquejes se retiran dentro de las varillas y son menos propensos a la contaminación en comparación con la perforación convencional, donde los esquejes pasan a la superficie a través del retorno exterior entre el exterior de la varilla de perforación y las paredes del pozo. Este método es más costoso y lento que el RAB.
Taladrado de herramientas de cable
Máquina perforadora de pozos de agua con herramienta de cable en West Virginia. Estos equipos de perforación lentos han sido reemplazados en su mayoría por equipos de perforación rotativa en los EE.UU.
Los aparejos de herramientas de cable son una forma tradicional de perforar pozos de agua. La mayoría de los pozos de suministro de agua de gran diámetro, especialmente los pozos profundos completados en acuíferos rocosos, se completaron utilizando este método de perforación. Aunque este método de perforación ha sido reemplazado en gran medida en los últimos años por otras técnicas de perforación más rápidas, sigue siendo el método de perforación más practicable para pozos de fondo rocoso de gran diámetro y profundidad, y de uso generalizado para pequeños pozos rurales de suministro de agua. El impacto de la broca fractura la roca y en muchas situaciones de roca de esquisto aumenta el flujo de agua hacia un pozo sobre rotatorio.
También conocidas como perforación de pozos balísticos y a veces llamadas "spudders", estas plataformas levantan y sueltan una barra de perforación con una broca de carburo pesado que cincela a través de la roca pulverizando finamente los materiales del subsuelo. La barra de perforación está compuesta por las barras de perforación superiores, un conjunto de "tarros" (correderas de interbloqueo que ayudan a transmitir energía adicional a la broca y ayudan a extraer la broca si está atascada) y la broca. Durante el proceso de perforación, las barras de perforación se retiran periódicamente del pozo y se baja un achicador para recoger los cortes de perforación (fragmentos de roca, suelo, etc.). El desagüe es una herramienta en forma de cubo con una trampilla en la base. Si el pozo está seco, se agrega agua para que los recortes de perforación fluyan hacia el desagüe. Cuando se levanta, la trampilla se cierra y los esquejes se levantan y se retiran. Debido a que las barras de perforación deben elevarse y bajarse para hacer avanzar la perforación, la tubería (tubería externa de mayor diámetro) se utiliza típicamente para retener los materiales de la parte superior del suelo y estabilizar la perforación.
Los aparejos de herramientas de cable son más simples y baratos que los aparejos rotativos de tamaño similar, aunque ruidosos y muy lentos de operar. El pozo récord mundial de herramientas para cables fue perforado en Nueva York a una profundidad de casi 3.700 m (12.000 pies). El Bucyrus-Erie 22 común puede perforar hasta aproximadamente 1,100 pies (340 m). Debido a que la perforación de la herramienta de cable no utiliza aire para expulsar las virutas de perforación como un rotativo, sino que utiliza un desatascador encordado por cable, técnicamente no hay ninguna limitación en la profundidad.
Los aparejos de herramientas de cable ahora son casi obsoletos en los Estados Unidos. Se utilizan principalmente en África o en países del Tercer Mundo. Al ser lenta, la perforación con herramientas de cable significa mayores salarios para los perforadores. En los Estados Unidos los salarios de perforación promediarían alrededor de US$200 por día por hombre, mientras que en África son sólo US$6 por día por hombre, por lo que una máquina de perforación lenta todavía puede ser usada en países subdesarrollados con salarios bajos. Un equipo de herramientas de cable puede perforar de 7,6 m (25 pies) a 18 m (60 pies) de roca dura al día. Una nueva máquina perforadora rotativa de cabezal superior equipada con un martillo en el fondo del pozo (DTH) puede perforar 150 m (500 pies) o más por día, dependiendo del tamaño y la dureza de la formación.
La perforación RC es similar a la perforación con núcleo de aire, en el sentido de que los recortes de perforación se devuelven a la superficie dentro de las varillas. El mecanismo de perforación es un pistón reciprocante neumático conocido como "martillo" que impulsa una broca de acero al tungsteno. La perforación RC utiliza plataformas y maquinaria mucho más grandes y se alcanzan rutinariamente profundidades de hasta 500 metros. La perforación RC produce de forma ideal virutas de roca seca, ya que los grandes compresores de aire secan la roca antes que la broca que avanza. La perforación con RC es más lenta y costosa, pero logra una mejor penetración que la perforación con RAB o con núcleo de aire; es más barata que la perforación con núcleo de diamante y, por lo tanto, se prefiere para la mayoría de los trabajos de exploración minera.
La circulación inversa se consigue soplando aire hacia abajo por las varillas, la presión diferencial crea un levantamiento de aire del agua y corta el "tubo interior" que está dentro de cada varilla. Llega al "desviador" en la parte superior del agujero, luego se mueve a través de una manguera de muestreo que se fija a la parte superior del "ciclón". Los recortes de perforación viajan por el interior del ciclón hasta que caen a través de una abertura en el fondo y se recogen en una bolsa de muestra.
Las brocas RC más comúnmente usadas son de 5-8 pulgadas (13-20 cm) de diámetro y tienen'botones' redondos de tungsteno que sobresalen de la broca, los cuales son necesarios para perforar a través de esquisto y roca abrasiva. A medida que los botones se desgastan, la perforación se hace más lenta y la sarta de varillas puede atascarse en el agujero. Este es un problema ya que tratar de recuperar las varillas puede tomar horas y en algunos casos semanas. Las barras y las brocas son muy caras, lo que a menudo resulta en un gran costo para las compañías de perforación cuando el equipo se pierde en el pozo. La mayoría de las compañías reafilan regularmente los botones de sus brocas para prevenir esto y acelerar el progreso. Por lo general, cuando algo se pierde (se rompe) en el pozo, no es la barra de perforación, sino más bien desde la broca, martillo o estabilizador hasta el fondo de la barra de perforación (broca). Esto generalmente es causado por un error del operador, metal sobre-esforzado, o condiciones adversas de perforación que causan que el equipo de fondo de pozo se atasque en una parte del pozo.
Aunque la perforación RC es neumática, también se utiliza agua para reducir el polvo, mantener la broca fría y ayudar a empujar el corte hacia arriba, pero también cuando se"collarea" un nuevo agujero. Un lodo llamado "Liqui-Pol" se mezcla con agua y se bombea a la sarta de varillas, por el agujero. Esto ayuda a subir la muestra a la superficie haciendo que la arena se pegue. Ocasionalmente, también se utiliza "Super-Foam" (también conocido como "Quik-Foam"), para sacar a la superficie todos los cortes muy finos y para limpiar el agujero. Cuando la broca llega a la roca dura, se coloca un "collar" en el suelo.
que normalmente son tuberías de PVC. Ocasionalmente, el cuello puede estar hecho de una cubierta metálica. Es necesario hacer un agujero para evitar que las paredes se derrumben y que la cuerda de la varilla se atasque en la parte superior del agujero. Los cuellos pueden tener hasta 60 metros de profundidad, dependiendo del terreno, aunque si se perfora a través de roca dura puede no ser necesario un cuello.
Las configuraciones del equipo de circulación inversa generalmente consisten en un vehículo de apoyo, un vehículo auxiliar, así como el equipo mismo. El vehículo de apoyo, normalmente un camión, tiene tanques de agua y diesel para reabastecer la plataforma. También contiene otros suministros necesarios para el mantenimiento de la plataforma. El auxiliar es un vehículo que lleva un motor auxiliar y un motor de propulsión. Estos motores están conectados a la plataforma por mangueras de aire de alta presión. Aunque los equipos de RC tienen su propio booster y compresor para generar presión de aire, se necesita potencia extra que normalmente no es suministrada por el equipo debido a la falta de espacio para estos grandes motores. En su lugar, los motores se montan en el vehículo auxiliar. Los compresores en una plataforma RC tienen una salida de alrededor de 1000 cfm a 500 psi (500 L-s-1 a 3.4 MPa). Alternativamente, los compresores de aire autónomos que tienen una salida de 900-1150cfm a 300-350 psi cada uno se utilizan en grupos de 2, 3 ó 4, que se dirigen al equipo a través de un múltiple de válvulas.
Perforación con núcleo de diamante
Máquina perforadora multi-combinación (capaz de perforar tanto con diamante como con circulación inversa). El equipo está actualmente listo para la perforación diamantina.La perforación con núcleo de diamante (perforación diamantina de exploración) utiliza una broca anular impregnada de diamante unida al extremo de las barras de perforación huecas para cortar un núcleo cilíndrico de roca sólida. Los diamantes utilizados para fabricar las brocas de diamante son una variedad de tamaños, de diamantes finos a microfinos de grado industrial, y la relación de diamantes a metal utilizada en la matriz afecta el rendimiento de la capacidad de corte de las brocas en diferentes tipos de formaciones rocosas. Los diamantes se engastan en una matriz de dureza variable, desde el latón hasta el acero inoxidable. La dureza de la matriz, el tamaño del diamante y la dosificación pueden variar según la roca a cortar. Las brocas de acero duro con bajo contenido de diamantes son ideales para roca más blanda y altamente fracturada, mientras que otras de aceros más blandos y alta relación de diamantes son buenas para la extracción de núcleos en roca sólida dura. Los orificios dentro de la broca permiten que el agua llegue a la superficie de corte. Esto proporciona tres funciones esenciales: lubricación, enfriamiento y eliminación de los recortes de perforación del orificio.
La perforación diamantina es mucho más lenta que la perforación de circulación inversa (RC) debido a la dureza del terreno que se está perforando. Perforaciones de 1200 a 1800 metros son comunes y en estas profundidades, el suelo es principalmente roca dura. Las técnicas varían entre los operadores de perforación y lo que el equipo que están utilizando es capaz de hacer, algunos equipos de perforación de diamante necesitan perforar lentamente para alargar la vida de las brocas y varillas de perforación, que son muy costosas y llevan mucho tiempo para reemplazarlas a profundidades extremadamente profundas. Como los núcleos de un equipo de perforación diamantina son cada vez más profundos, la parte del proceso que consume tiempo no es cortar de 5 a 10 pies más de núcleo de roca, sino la recuperación del núcleo con la línea de alambre y la herramienta de desbordamiento. Las muestras de testigos se recuperan mediante el uso de un tubo de testigos, un tubo hueco colocado dentro de la sarta de varillas y bombeado con agua hasta que se bloquea en el barril de testigos. A medida que se perfora el núcleo, el barril de núcleo se desliza sobre el núcleo mientras se corta. Un "sobregiro" unido al extremo del cable del malacate se baja dentro de la sarta de varillas y se bloquea en el extremo trasero (también conocido como ensamble de cabeza), ubicado en el extremo superior del barril central. El cabrestante se retrae, tirando del tubo central hacia la superficie. El núcleo no se cae del interior del tubo central cuando se levanta porque un elevador de núcleo de anillo partido o un retenedor de cesta permiten que el núcleo entre, pero no salga del tubo.
Brocas diamantadas para perforación de núcleos
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| Brocas diamantadas para perforación de núcleos |
Una vez que el tubo de núcleo se retira del orificio, la muestra de núcleo se retira del tubo de núcleo y se cataloga. El asistente del perforador desenrosca el extremo trasero del tubo central usando llaves para tubos, luego se toma cada parte del tubo y se sacude el núcleo en las bandejas centrales. El núcleo se lava, se mide y se rompe en trozos más pequeños utilizando un martillo o un serrucho para que quepa en las bandejas de muestras. Una vez catalogadas, las bandejas del núcleo son recuperadas por geólogos que analizan el núcleo y determinan si el sitio de perforación es un buen lugar para expandir futuras operaciones mineras.
Las plataformas Diamond también pueden ser parte de una plataforma multi-combinación. Los equipos de perforación multicombinación son equipos de doble configuración capaces de operar tanto en circulación inversa (RC) como en perforación diamantina (aunque no al mismo tiempo). Este es un escenario común donde la perforación de exploración se realiza en un lugar muy aislado. El aparejo se prepara primero para perforar como un aparejo RC y una vez que se perforan los metros deseados, el aparejo se prepara para la perforación diamantina. De esta manera, los metros más profundos del agujero se pueden perforar sin mover el equipo y esperando a que se instale un equipo de diamante en la plataforma.
Equipos de empuje directo
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| barrenadoras de empuje directo |
La tecnología de empuje directo incluye varios tipos de máquinas perforadoras y equipos de perforación que avanzan una barra de perforación empujando o martillando sin girar la barra de perforación. Si bien esto no cumple con la definición adecuada de perforación, logra el mismo resultado: una perforación. Los equipos de empuje directo incluyen equipos de prueba de penetración de cono (CPT) y equipos de muestreo de empuje directo tales como PowerProbe o Geoprobe. Las plataformas de empuje directo normalmente se limitan a la perforación en materiales de suelo no consolidados y roca muy blanda.
Los equipos de CPT avanzan con equipos de prueba especializados (tales como conos electrónicos) y muestreadores de suelo que utilizan grandes cilindros hidráulicos. La mayoría de los equipos CPT tienen un alto nivel de lastre (20 toneladas métricas es lo típico) como contrapeso a la fuerza de empuje de los cilindros hidráulicos, que a menudo tienen una capacidad de hasta 20 kN. Alternativamente, las plataformas CPT pequeñas y ligeras y las plataformas CPT en alta mar utilizarán anclajes tales como anclajes de tierra atornillados para crear la fuerza reactiva. En condiciones ideales, los equipos CPT pueden alcanzar tasas de producción de hasta 250-300 metros por día.
Las máquinas perforadoras de empuje directo utilizan cilindros hidráulicos y un martillo hidráulico para hacer avanzar un muestreador de núcleo hueco para recoger muestras de suelo y agua subterránea. La velocidad y profundidad de penetración dependen en gran medida del tipo de suelo, el tamaño del muestreador y el peso y potencia del equipo. Las técnicas de empuje directo generalmente se limitan a la recuperación de muestras de suelos poco profundos en materiales de suelos no consolidados. La ventaja de la tecnología de empuje directo es que en el tipo de suelo adecuado puede producir un gran número de muestras de alta calidad de forma rápida y económica, generalmente de 50 a 75 metros por día. En lugar de martillar, el empuje directo también puede combinarse con métodos sónicos (vibratorios) para aumentar la eficiencia de la perforación.
Perforación rotativa hidráulica
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| PERFORADORA ROTATIVA HIDRAULICA |
La perforación de pozos de petróleo utiliza un rodillo de tres conos, diamante de corte fijo incrustado de carburo o brocas impregnadas de diamante para desgastar la superficie de corte. Esto es preferible porque no es necesario devolver las muestras intactas a la superficie para el ensayo, ya que el objetivo es alcanzar una formación que contenga petróleo o gas natural. Se utiliza maquinaria de grandes dimensiones que permite penetrar a profundidades de varios kilómetros. Los tubos de perforación huecos giratorios transportan los lodos de perforación bentoníticos y de infusión de barita para lubricar, enfriar y limpiar la broca de perforación, controlar las presiones en el fondo del pozo, estabilizar la pared del pozo y eliminar los recortes de perforación. El lodo viaja de regreso a la superficie alrededor del exterior del tubo de perforación, llamado el anillo. El examen de los fragmentos de roca extraídos del lodo se conoce como tala de lodo. Otra forma de registro de pozos es electrónica y se emplea comúnmente para evaluar la existencia de posibles depósitos de petróleo y gas en el pozo. Esto puede ocurrir mientras se está perforando el pozo, usando herramientas de Medición Mientras se Perfora, o después de perforar, bajando las herramientas de medición dentro del pozo recién perforado.
El sistema rotativo de perforación era de uso general en Texas a principios del siglo XX. Es una modificación de la inventada por Fauvelle en 1845, y utilizada en los primeros años de la industria petrolera en algunos de los países productores de petróleo de Europa. Originalmente se usaba agua presurizada en lugar de barro, y era casi inútil en roca dura antes de la broca de diamante.El principal avance para la perforación rotativa se produjo en 1901, cuando Anthony Francis Lucas combinó el uso de un equipo impulsado por vapor y de lodo en lugar de agua en el pozo de descubrimiento Spindletop.[10]
La perforación y producción de petróleo y gas puede suponer un riesgo para la seguridad y para el medio ambiente debido a la ignición del gas arrastrado que causa incendios peligrosos y también debido al riesgo de fuga de petróleo que contamina el agua, la tierra y las aguas subterráneas. Por estas razones, los sistemas de seguridad redundantes y el personal altamente capacitado son requeridos por ley en todos los países con producción significativa.
Equipo de perforación automatizado
Un equipo de perforación automatizado (ADR) es un equipo de perforación con base en tierra de tamaño completo, automatizado y de última generación que perfora secciones laterales largas en pozos horizontales para la industria petrolera y de gas.11] Los ADRs son equipos ágiles que pueden moverse de plataforma a plataforma a nuevos sitios de pozos más rápido que otros equipos de perforación de tamaño completo. Cada equipo cuesta alrededor de 25 millones de dólares. El ADR se utiliza ampliamente en las arenas petrolíferas de Athabasca. Según el "Oil Patch Daily News", "cada plataforma generará 50.000 horas-hombre de trabajo durante la fase de construcción y, una vez terminada, cada plataforma operativa empleará directa e indirectamente a más de 100 trabajadores". En comparación con los equipos de perforación convencionales", Ensign, un contratista internacional de servicios de yacimientos petrolíferos con sede en Calgary, Alberta, que afirma que los ADR son "más seguros de operar, tienen "inteligencia de controles mejorada", "huella ambiental reducida, movilidad rápida y comunicaciones avanzadas entre el campo y la oficina"."En junio de 2005, la primera máquina perforadora automática inclinada (ADR) específicamente diseñada, Ensign Rig No. 118, para aplicaciones de drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD) fue movilizada por Deer Creek Energy Limited, una compañía de arenas petrolíferas con sede en Calgary.[12]
Límites de la tecnología
La tecnología de perforación ha avanzado constantemente desde el siglo XIX. Sin embargo, hay varios factores limitantes básicos que determinarán la profundidad a la que se puede perforar un pozo.
Todos los orificios deben mantener el diámetro exterior; el diámetro del orificio debe permanecer más ancho que el diámetro de las varillas o las varillas no pueden girar en el orificio y el progreso no puede continuar. La fricción causada por la operación de perforación tenderá a reducir el diámetro exterior de la broca. Esto se aplica a todos los métodos de perforación, excepto que en la perforación con núcleo de diamante el uso de varillas y revestimientos más delgados puede permitir que el pozo continúe. La tubería de revestimiento es simplemente una vaina hueca que protege el agujero contra el colapso durante la perforación, y está hecha de metal o PVC. A menudo los agujeros de diamante comienzan con un diámetro grande y cuando se pierde el diámetro exterior, se colocan varillas más delgadas dentro del revestimiento para continuar, hasta que finalmente el agujero se vuelve demasiado estrecho. Alternativamente, el agujero puede ser escariado; esta es la práctica usual en la perforación de pozos petroleros donde el tamaño del agujero se mantiene hasta el siguiente punto de la tubería de revestimiento.
Para las técnicas de percusión, la principal limitación es la presión del aire. Se debe suministrar aire al pistón a suficiente presión para activar la acción recíproca y, a su vez, introducir la cabeza en la roca con suficiente fuerza para fracturarla y pulverizarla. Con la profundidad, el volumen se añade a la cadena en la varilla, requiriendo compresores más grandes para alcanzar las presiones de operación. En segundo lugar, el agua subterránea es ubicua y aumenta su presión con la profundidad del suelo. El aire dentro de la sarta de varillas debe estar lo suficientemente presurizado para superar esta presión de agua en la cara de la broca. Entonces, el aire debe ser capaz de llevar los fragmentos de roca a la superficie. Esta es la razón por la que rara vez se alcanzan profundidades superiores a los 500 m para la perforación de circulación inversa, ya que el coste es prohibitivo y se acerca al umbral en el que la perforación con núcleo de diamante es más económica.
La perforación diamantina puede alcanzar rutinariamente profundidades superiores a 1200 m. En los casos en los que el dinero no es un problema, se han alcanzado profundidades extremas, porque no hay necesidad de superar la presión del agua. Sin embargo, se debe mantener la circulación de agua para que los esquejes de perforación vuelvan a la superficie y, lo que es más importante, para mantener el enfriamiento y la lubricación de la superficie de corte de la broca y, al mismo tiempo, reducir la fricción en las paredes de acero de las varillas que giran contra las paredes de roca del pozo. Cuando se pierde el retorno de agua, las varillas vibran, esto se llama "vibración de varilla", y eso dañará las varillas de perforación y agrietará las juntas.
Sin suficiente lubricación y refrigeración, la matriz de la broca se ablandará. Mientras que el diamante es la sustancia más dura conocida, a 10 en la escala de dureza de Mohs, debe permanecer firmemente en la matriz para lograr el corte. El peso sobre la broca, la fuerza ejercida sobre la cara de corte de la broca por las barras de perforación en el agujero por encima de la broca, también debe ser monitoreada.
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