MOTORES DE FONDO

1. INTRODUCCION.-

Los “Motores de Fondo (downhole motors – DHM)” son herramientas que convierten la energía hidráulica del flujo del lodo en energía mecánica que permiten la rotación del trepano sin necesidad transmitir esta rotación desde superficie.

2. METODOS DE PERFORACION

SLIDING:

Perforación sin rotación de superficie donde el DHM proporciona toda la rotación al trepano.

Usado para la construcción del tramo direccional del pozo.

ROTARY:

Perforación con rotación de superficie mas la rotación transmitida por el motor de fondo.

Usado para la construcción del tramo tangente del pozo.

3. TIPOS DE MOTORES DE FONDO

Los motores de fondo son potenciados por el flujo del lodo de perforación. Los dos importantes tipos de motores de fondo son:

Los Motores de Desplazamiento Positivo – PDM. Las Turbinas que básicamente son bombas centrifugas o axiales.

El diseño de ambas herramientas es totalmente diferente. Las turbinas fueron ampliamente usadas hace algunos años atrás. Sin embargo, las mejoras en los diseños de los trépanos y PDM han hecho que hoy en día las turbinas solo sean usadas en aplicaciones especiales. Los principios de operación tanto de los PDM como de las turbinas se muestran a continuación.

PRINCIPIOS DE OPERACION

Turbina de FondoTurbina de Fondo Motor de Desplazamiento PositivoMotor de Desplazamiento Positivo

FlujoFlujo

FlujoFlujo

RotaciRotacióónn

RotaciRotacióónn

Turbina de FondoTurbina de Fondo Motor de Desplazamiento PositivoMotor de Desplazamiento Positivo

FlujoFlujo

FlujoFlujo

RotaciRotacióónn

RotaciRotacióónn

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4. MOTORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO – PDM’s

El primer motor de fondo usado en los campos petroleros fue el Dinadrill (Configuración lobular 1:2). Todos los motores de fondo constan basicamente de los siguientes elementos:

Válvula de Descarga (Dump Valve Assembly). Sección de Poder o Potencia (Power Section) Sección Ajustable. Transmisión Sección de Rodamientos (Bearing Section) Sección Giratoria (Drive Shaft Assembly)

4.1.- Válvula de Descarga (Dump Valve Assembly)

Permite que el lodo llene el interior de la sarta de perforación durante los viajes y la vacíe mientras realizamos alguna conexión o sacamos la tubería fuera del pozo.

Permite el paso de lodo hacia la sección de potencia. La válvula opera a través de un resorte el cual presiona un pistón. El pistón de la válvula es activado por presión diferencial (requiere aprox. 30% del

flujo de lodo para forzar el pistón abajo) La válvula evita el influjo del pozo por el interior de la herramienta y permite que en

los viajes la tubería salga seca.

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4.2.- Sección de Potencia (Rotor/Estator)

Los motores de desplazamiento positivo son una aplicación inversa de las bombas de Moineau.

El fluido es bombeado dentro de las cavidades progresivas del motor. La fuerza del fluido causa el movimiento rotatorio de la transmisión dentro del

estator. La fuerza rotacional entonces es transmitida a través de la transmisión al trepano

Stator (Elastometro)

Rotor

Flujo del Fluido

Dirección de la Rotación

Universal Joint

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► El rotor es un vástago de acero con chapa cromada en forma de hélice espiral.► El estator es una cavidad de acero hueca, donde se aloja una goma compuesta de

elastómero, la cual adopta una forma espiral durante su fabricación.► El rotor es elaborado con un perfil de “lóbulos” coincidente y similar al armado

helicoidal del estator.

EstatorEstator Regular Regular –– montadomontado en un en un tubotubo

EstatorEstator Regular Regular –– montadomontado en en unauna cavidadcavidad especialespecial

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Rotor Rotor

LOBULOS

► El estator siempre tiene un lóbulo más que el rotor.► Una vez ensamblado el rotor y el estator forman un sello continúo a lo largo de

puntos coincidentes de contacto.► La rotación y el torque disponible en un PDM dependen del ángulo de contacto y el

número de lóbulos en el estator y el rotor.

Drive Sub(Bit Box)

BearingAssembly

DeflectionDevice

Stator By-PassValve

Drive Sub Universal Joint Assembly

Rotor

1 StageDrive Sub(Bit Box)

BearingAssembly

DeflectionDevice

Stator By-PassValve

Drive Sub Universal Joint Assembly

Rotor

1 Stage

► Las configuraciones rotor/estator (o relación de lóbulos) actualmente en uso son: ½, ¾, 5/6, 7/8 o 9/10.

► Las configuraciones ½ desarrollan las mayores velocidades y solo están disponibles para trépanos de PDC y diamante natural.

► A mayor cantidad de lóbulos se tiene menores velocidades (<RPM) pero se aumenta el torque desarrollado por el motor (> Torque).

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1/2

5/6 7/8

3/42/3

9/10

1/2

5/65/6 7/87/8

3/43/42/32/3

9/109/10

ConfiguracionConfiguracion Rotor/Rotor/EstatorEstator ((RelaciRelacióónn de de LobulosLobulos) )

► La magnitud de la rotación producida es proporcional al volumen de lodos bombeado a través del motor.

► El torque generado a través del PDM es proporcional a la caída de presión a través del motor y es también una función del peso sobre el trepano (WOB).

► Un incremento en el WOB creará mas torque y de la misma manera un incremento en la presión diferencial requerida a través de la sección de poder.

Resumen

El Torque y las RPM están determinadas por la configuración Rotor/estator. La potencia del motor esta determinada por el número de vueltas del espiral

(Etapas) y la relación de lóbulos Rotor/Estator. La interferencia Rotor/Estator puede ser ajustada de acuerdo a las condiciones del

pozo.

4.3.- Sección Ajustable (Bent Housing)

Permite graduar la curvatura del motor de fondo para cualquier aplicación direccional deseada

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4.4.- Sección de Transmisión

Es colocado en la parte baja del rotor, dentro de la sección ajustable (bent housing).

Transmite la velocidad rotacional y el torque hacia la sección giratoria y de este al trepano.

Una junta universal convierte el movimiento excéntrico del motor en un movimiento concéntrico dentro de la sección rotaria.

Algunos modelos de motores PDM son reforzados con goma sobre la junta universal.

Compensa la vibración causada por el movimiento excéntrico del rotor y la excentricidad de la sección ajustable (bent housing).

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4.5.- Sección de Rodamientos (Bearing Section) y Sección Giratoria (Drive Shaft Section)

La sección giratoria es un componente de acero construido rígidamente. Se encuentra apoyado dentro de la sección de rodamientos (bearing section) a través rodamientos que soportan esfuerzos radiales y axiales.

La sección de rodamientos (bearing section) transmite la potencia rotacional y el esfuerzo de la perforación al trépano de perforación.

4.6.- Sección de rodamientos (Bearing Section)

Permite la rotación de la barrena sin necesidad de rotación de la sarta. Posee bolas que giran en pistas de carburo de tungsteno. Son sellados o lubricados por lodo. Sobre la sección de baleros esta la Camisa Estabilizadora que es intercambiable

de acuerdo a la aplicación direccional requerida. Soportan el peso axial cuando se perfora.

ComparaciComparacióón entre un PDM 1:2 Vs. n entre un PDM 1:2 Vs. MultilobulosMultilobulos

PDM 1:2 PDM MultilóbuloAltas Velocidades Bajas velocidades

Bajos Torques Altos torquesBajos Caudales de Flujo Altos caudales de Flujo

Bajo WOB Altos WOBBajas presiones en el motor

Bajas presiones en el trépanoAltas presiones en el motor

Altas presiones en el trépanoNecesitan trépanos de alta

velocidadRelativamente fácil de orientar Mas difícil de orientar

Usado con junta ajustableUsado con junta ajustable o

arreglo dirigible

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5. TURBINAS DE PERFORACION

5.1.- Introducción

► Turbina de Perforación : La turbina convierte la energía hidráulica proveniente del lodo en energía mecánica rotativa para se entregada a la mecha de perforación.

► La velocidad de rotación en fondo está entre las 600 rpm y 1500 rpm.► La rotación del trépano es independiente de la rotación de tubería.

Las turbinas de perforación básicamente constan de dos partes:

Sección de Poder o Potencia. Sección de Rodamientos.

Etapas blades

Estabilizador Intercambiable

*Seccion Rodamientos

Rodamientos PDC

Adjustable Bent Housing

*Seccion de Potencia

Estabilizador de seccion

Rodamientos

Etapas blades

Estabilizador Intercambiable

*Seccion Rodamientos

Rodamientos PDC

Adjustable Bent Housing

*Seccion de Potencia

Estabilizador de seccion

Rodamientos

Etapas blades

Estabilizador Intercambiable

*Seccion Rodamientos

Rodamientos PDC

Adjustable Bent Housing

*Seccion de Potencia

Estabilizador de seccion

Rodamientos

5.2.- Sección de Potencia

► Esta sección provee la potencia a la turbina.► Dependiendo del requerimiento podemos tener configuraciones de 1 , 2 hasta 3

secciones de potencia por turbina.► Se pueden contar con 70 a 150 piezas de alabes (Rotor/Estator) por sección de

potencia.

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Downward

Mud Flujo

AlabeMovilRotor

AlabeFijoEstator

Stator Blading

Disk

Rotor Blading

Disk

EnsamblajeEn ConjuntoUna Etapa

SeccionMotora

CuerpoTurbina

TurbinaEje de la

ThrustDownward

Mud Flujo

AlabeMovilRotor

AlabeFijoEstator

Stator Blading

Disk

Rotor Blading

Disk

EnsamblajeEn ConjuntoUna Etapa

SeccionMotora

CuerpoTurbina

TurbinaEje de la

Thrust

Mud Flujo

AlabeMovilRotor

AlabeFijoEstator

Stator Blading

Disk

Rotor Blading

Disk

EnsamblajeEn ConjuntoUna Etapa

SeccionMotora

CuerpoTurbina

TurbinaEje de la

Thrust

SecciSeccióón de Potencian de Potencia

5.3.- Sección de Rodamientos:

► Soporta la fuerza axiale que se transmite a través del eje, desde la sección de potencia.

Disco Movil

Disco Fijo

Disco Movil

Espaciador Front Bearing

Labyrinth

RodamientosAxiales

Eje

Flexible

Bent Housing

Front Bearing Stabiliser

Bit Box Stabilizador

ComponentesComponentes RodamientoRodamiento AxialAxial

Disco Movil

Disco Fijo

Disco Movil

Espaciador Front Bearing

Labyrinth

RodamientosAxiales

Eje

Flexible

Bent Housing

Front Bearing Stabiliser

Bit Box Stabilizador

ComponentesComponentes RodamientoRodamiento AxialAxial

SecciSeccióón de Rodamientosn de Rodamientos

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5.4.- Se clasifica según:

Tamaño de Turbina. El numero de secciones de potencia El perfil del Alabe

Tamaño de la Turbina

TamaTamañño de la Turbina Tamao de la Turbina Tamañño de Trepanoo de Trepano

2 7/82 7/8”” turbine ( 23 rev/gpm) (1500 a 2200 rpm)turbine ( 23 rev/gpm) (1500 a 2200 rpm) 3 ¼” – 4 ½”

3 3/83 3/8”” turbine ( 14.8 rev/gpm) (800 a 1800 rpm)turbine ( 14.8 rev/gpm) (800 a 1800 rpm) 4 ¾” – 5 3/8”

4 4 ¾”¾” turbine (7.44 rev/gpm) (800 a 1600 rpm)turbine (7.44 rev/gpm) (800 a 1600 rpm) 5 5/8” – 6 ¾”

6 5/86 5/8”” turbine (2.2 a 2.6 rev/gpm) (400 a 1000 rpm)turbine (2.2 a 2.6 rev/gpm) (400 a 1000 rpm) 7 5/8” – 9 7/8”

9 9 ½”½” turbine (1.02 rev/gpm) (500 a 800 rpm)turbine (1.02 rev/gpm) (500 a 800 rpm) 12 ¼” – 17 ½”

Numero de Secciones de la Turbina

T1 - Turbina con una sección de Potencia. T2 - Turbina con dos secciones de Potencia. T3 - Turbina con tres secciones de Potencia. T1XL- Turbina con una sección Potencia extendida.

T1T1

T2T2

T1 XLT1 XL

T1T1

T2T2

T1 XLT1 XL

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El Perfil del Alabe o Aleta

Tipos de Aletas o Alabes: Mk1, Mk2 o Mk3, los cuales son seleccionados para optimizar una aplicación particular.

TEST MW 10 lpg , 200 gpmTEST MW 10 lpg , 200 gpm

5.5.- Características de las Turbinas:

Capaz de generar altas potencias. La herramienta presenta un perfecto balance con los esfuerzos radiales La potencia a generar no depende de elastómeros, o elementos de goma

(componentes metálicos). Las turbinas de perforación tienen una excelente resistencia al calor. La velocidad y le torque son manipulables desde Superficie.

5.6.- Desventajas de las Turbinas:

Las turbinas no tiene aplicación con trépanos triconicos. Genera alta potencia a expensa del flujo de lodo, lo que da poca aplicación en

agujeros profundos. La fabricación y el desarrollo de turbinas que sean comercialmente viable y confiable

es difícil y costosa.

5.7.- Ventajas en Pozos Desviados:

o Reduce el número de viajes por cambio en el arreglo de fondo de pozo (BHA).o Evita realizar viajes por cambios de junta ajustable (bent sub) o por fallas en la

herramienta.o Es capaz de girar progresivamente a la izquierda usando una estabilización

convencional de turbina recta.

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6. PDM’s Vs. TURBINAS

Respuesta del efecto WOB y BHA

Tiene un confiable control de ángulo y azimut. Mantiene uniforme el perfil del pozo, reduciendo de esta manera el incremento del

torque. Mantiene los regímenes de penetración (ROP) en modo deslizamiento (sliding) como

en modo rotario (rotary).

Desventajas comparado con motor de Fondo - PDM

Presenta limitaciones en el bombeo de material para perdidas de circulación (sellantes).

El costo diario de la herramienta es mayor que los PDM.

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TurbinasTurbinas Motor PDMMotor PDM

Formaciones DurasFormaciones Duras Formaciones Blandas / Formaciones Blandas / SemiSemidurasduras

Hoyos profundos / pequeHoyos profundos / pequeññosos Hoyos profundos/ pequeHoyos profundos/ pequeññosos

Alta potencia y velocidadAlta potencia y velocidad Alto torque y baja velocidadAlto torque y baja velocidad

Mechas impregnada / PDCMechas impregnada / PDC PDC / Mechas PDC / Mechas TriconicasTriconicas

Bajo FlujoBajo Flujo Alto FlujoAlto Flujo

Altas TemperaturasAltas Temperaturas Bajas TemperaturasBajas Temperaturas

TurbinasTurbinas Motor PDMMotor PDM

Formaciones DurasFormaciones Duras Formaciones Blandas / Formaciones Blandas / SemiSemidurasduras

Hoyos profundos / pequeHoyos profundos / pequeññosos Hoyos profundos/ pequeHoyos profundos/ pequeññosos

Alta potencia y velocidadAlta potencia y velocidad Alto torque y baja velocidadAlto torque y baja velocidad

Mechas impregnada / PDCMechas impregnada / PDC PDC / Mechas PDC / Mechas TriconicasTriconicas

Bajo FlujoBajo Flujo Alto FlujoAlto Flujo

Altas TemperaturasAltas Temperaturas Bajas TemperaturasBajas Temperaturas

TurbinasTurbinasTurbinasTurbinas Motor PDMMotor PDMMotor PDMMotor PDM

Formaciones DurasFormaciones DurasFormaciones DurasFormaciones Duras Formaciones Blandas / Formaciones Blandas / SemiSemidurasduras

Formaciones Blandas / Formaciones Blandas / SemiSemidurasduras

Hoyos profundos / pequeHoyos profundos / pequeññososHoyos profundos / pequeHoyos profundos / pequeññosos Hoyos profundos/ pequeHoyos profundos/ pequeññososHoyos profundos/ pequeHoyos profundos/ pequeññosos

Alta potencia y velocidadAlta potencia y velocidadAlta potencia y velocidadAlta potencia y velocidad Alto torque y baja velocidadAlto torque y baja velocidadAlto torque y baja velocidadAlto torque y baja velocidad

Mechas impregnada / PDCMechas impregnada / PDCMechas impregnada / PDCMechas impregnada / PDC PDC / Mechas PDC / Mechas TriconicasTriconicasPDC / Mechas PDC / Mechas TriconicasTriconicas

Bajo FlujoBajo FlujoBajo FlujoBajo Flujo Alto FlujoAlto FlujoAlto FlujoAlto Flujo

Altas TemperaturasAltas TemperaturasAltas TemperaturasAltas Temperaturas Bajas TemperaturasBajas TemperaturasBajas TemperaturasBajas Temperaturas

Las Altas velocidades son demasiadas para usar trépanos triconicos . Pero hoy en día ya existen turbinas de baja revolución las cuales tiene aplicación con este tipo de trépanos.

Tiene muy poca aplicación en las primeras secciones del pozo y en formaciones blandas.

Presenta altas caída de presión, lo que es una limitación para los trepanos de poca capacidad de bombas.

Tiene un menor torque de salida.

7. METODOS DE DIRECCIONAMIENTO

Fuerza Lateral Directa: Push-the-bit

Fuerza opuesta a la del trepano, aplicada a las paredes del pozo (a través de aletas – pads) haciendo que el trepano adquiera la dirección hacia donde necesitamos dirigir el pozo.

Eje Excéntrico de la Barrena: Point-the-bit

El trepano es direccionado hacia la dirección donde necesitamos perforar introduciendo un offset – sistema parecido a perforar con un motor con bend housing.

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