CENTRIFUGAS

INTRODUCCION

El sistema de control de sólidos de lodo de perforación es de vital importancia para el correcto funcionamiento de las operaciones de perforación y las cualidades que se necesitan en el lodo; por ello es recomendable que el ingeniero de petróleo conozca el principal funcionamiento y algunas generalidades de los equipos usados para el control de sólidos.

En este trabajo se pretende obtener un conocimiento básico a cerca de las centrifugas en el tratamiento del lodo: su función, su operación y su ubicación en el sistema; lo cual permitirá conocer este elemento de tal forma que al identificarlo en campo seamos capases de manejarlo apropiadamente, y en el momento necesario utilizarlo de la mejor manera posible para una función específica.La información de este trabajo fue conseguida mediante consulta bibliográfica y gracias a la orientación del profesor se aclararon los conceptos necesarios.

GENERALIDADES DE LAS CENTRIFUGAS

La centrifuga es un elemento usado en el sistema de control de sólidos de los lodos de perforación, el cual utiliza como mecanismo de trabajo la rotación de una estructura central que transmite al fluido una fuerza centrifuga, la cual permite separar del lodo sus elementos mas pesados, generalmente Barita o ripios de perforación.

Esencialmente las centrifugas tiene cinco maneras de usar en el tratamiento de un lodo, de acuerdo a la actividad especifica que se vaya a realizar:

a. En lodos pesados base aguaTratar el sistema activoTratar el lodo del tanque de almacenamiento

b. En lodos livianosTratar el flujo bajo hidrociclonesTratar el flujo bajo limpiadores de lodoTratar el sistema activo

En lodos pesados la centrifuga disminuye la viscosidad del lodo de una manera económica, pues retira los sólidos tamaño coloidal (barita y partículas de arcillas) del líquido que fluye. Este tratamiento se hace solamente a una parte del fluido, por ello la centrifuga toma el lodo del tanque para no descartar la mayoría de dichos sólidos y la

parte liquida seguirá en la corriente de circulación del lodo sin necesidad de hacer dilucion, la cual, no es recomendable y costosa.

En lodos livianos se busca remover tantos sólidos como sea posible (excepto polímeros y bentonita), para ello se coloca la centrifuga en el sistema activo en reemplazo de los hidrociclones; tomando todo el lodo que circula, separando las partículas mas finas que las que ellas remueven; los sólidos retenidos se desechan y los líquidos son enviados al compartimento siguiente. Como la centrifuga maneja todo el volumen de circulación se usan dos o más de gran tamaño.

En ciertas ocasiones en que el fluido de perforación es costoso o posee químicos costosos (polímeros o lodos base aceite) o cuando no se puede malgastar fluido, el cual es necesario controlar los desechos del hidrociclon, pues ellos salen con cierta porción de liquido, entonces se usan las centrifugas para que tomen estos desechos y logren recuperar la mayor cantidad de fluido posible, en estos casos no se aconseja operar la centrifuga en el sistema activo, pues son mas económicos y manejan mas fluidos que los hidrociclones.

Las centrifugas también se usan para procesar el flujo en un limpiador de lodo, donde se retiran las partículas mas gruesas y las centrifugas separan las mas finas, por lo tanto la ubicación de esta seria entre el limpiador y el tanque final de almacenamiento.

Existen dos tipos principales de centrifugas de acuerdo a su diseño: centrifuga de decantación y la centrifuga de separación.

CENTRIFUGA DE DECANTACION

Una centrifuga consta de una carcasa, un tornillo transportador y una caja de engranajes, los cuales son llamados ensambles rotatorios.

En un tratamiento de un lodo, una carga de lodo entra estacionariamente por medio de un tubo “línea de carga” a la centrifuga, el lodo es acelerado en el eje del transportador, y por medio de su aspa y la velocidad centrifuga separa las partículas más grandes de las mas finas (aproximadamente 2 micrones) en la cámara de separación. Aquí la carga de lodo es arrojada contra el interior de la pared de la carcasa. El lodo es dividido en dos flujos dentro de la carcasa; un subflujo el cual lleva la partícula más grande (mayor de 2-4 micrones), los cuales son expulsados por sus respectivos orificios.

Los sólidos más pesados y grandes se asientan contra la pared de la carcasa y son empujados hacia arriba por la fuerza centrifuga hasta llegar al orificio del subflujo por medio del tornillo transportador.

La caja de engranaje hace rotar al tornillo a una velocidad significativamente diferente a la carcasa. Esta diferencia de velocidad entre la velocidad de la carcasa y el tornillo transportador es requerida para que los sólidos sean descargados. En la mayoría de los casos la caja de engranaje hace girar al tornillo transportador con una relación de 80:1 con respecto a la carcasa, ósea que por cada 80 revoluciones que da la carcasa la caja de engranaje de una revolución (el tornillo transportador).

FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO Y EJECUCION

Teóricamente la capacidad de las centrifugas para separar partículas sólidas de una lechada de lodo esta gobernada por las características de la carga de lechada, la cual esta definida por la ley de Stoke.

Donde:

VT = velocidad final de las partículas pies/segg =constante de gravedad lbf.pie/lbm.seg2Dp =diámetro de la partícula (proyectada) pieDs = densidad de los sólidos, lb/pie3D1 =densidad de los líquidos, lb/pie3V =viscosidad del liquido lb/pie-seg

Esta ecuación sirve par predecir teóricamente la capacidad de la centrifuga y la profundidad del "charco". La carcasa puede ser cónica o la combinación cilindrico-conico. En muchos pozos en perforación se utilizan los diseños cónicos, sin embargo los diseños cilindrico-conico provee mas estabilidad en el volumen interno y el cual permite residir mas tiempo y aumentar la capacidad de separación, las ventajas que tienen estos diseños son:

1. Un mismo punto de corte a altas ratas de carga.

2. Un punto bajo de corte a una constante rata de carga.

Ya que al aumentar la capacidad del diseño cilindrico-conico deseado depende de las especificaciones de la profundidad del "charco". Estas especificaciones están dadas en las recomendaciones que dan los fabricantes, pero un factor que hay que tener en cuenta para establecer la profundidad de la "charca" es la costra húmeda formada por las particular más grandes que 4 micrones.

FUERZA CENTRIFUGA

La fuerza centrifuga aplicada a una lechada de lodo llegaría a ser más grande que la velocidad centrifuga incrementada por debajo de las condiciones ideales establecidas por el fabricante. Los sólidos removidos llegarían a ser más efectivos si la fuerza centrifuga es aumentada. Seria anotar que la mayor velocidad traducida en el incremento del uso y mantenimiento de la centrifuga seria desventajoso. El mantenimiento de las características de una centrifuga es función de la velocidad y costo:

Mantenimiento = costo por mantenimiento * (velocidad)3

CARACTERISTICAS DEL TORQUE

Generalmente la fuerza centrifuga es aplicad para poder mover la costra, que es difícil de remover, dando como resultado un torque en el tornillo transportador. Para permanecer en esos niveles de torque permitido es necesario reducir la velocidad de operación y la rata de carga para que la maquinaria no sufra ningún daño.

APLICACIONES

2.4.1. Lodos pesados base agua

El propósito de la centrifuga es de controlar la viscosidad el cual es logrado por la concentración de coloides y fracciones sólidas de tamaño arcilla en una corriente fuente y disponiendo de esta fase.

La justificación económica es la recuperación del material pesado. Usando una centrifuga sobre un lodo pesado base aceite elimina el costo arrojado para controlar la viscosidad, el agua diluida y el exceso de volumen gastado son minimizados. La centrifuga no separa la barita de los sólidos de gravedad especifica baja.

2.4.2 Lodos pesados base aceite/invertidos.

Algunas veces la barita y los sólidos de perforación llegan a ser mojados por el agua o contaminados, los cuales causan desagradables propiedades al lodo. La centrifuga y los convenientes tratadores químicos son excelente ayuda para controlar tales condiciones. El problema que tiene es la determinación de cualquier fase (sólido o liquido) la cual podría ser removida del sistema de circulación.

Lodos de perforación no pesados

El uso adecuado de una centrifuga sobre un lodo no pesado ha llegado a ser mas practico con la ventaja de grandes unidades con procesos eficientes. La centrifuga de decantación es aplicada cuando la fase del fluido es valorado, por ejemplo en lodos base agua en

zonas áridas, cuando el costo de los depósitos son altos y la continua preocupación de la contaminación ambiental.

Lodos combinados (no pesados/pesados)

En muchos casos la centrifuga es más eficiente cuando es aplicado a pilotes TD en el cual los lodos no pesados forman los lodos pesados. La mayoría de las centrifugas podría tener la capacidad de ahorrar o desperdiciar la fase liquida o la fase sólida dependiendo del tipo de lodo que se este utilizando. Para lodos no pesados, los sólidos de perforación desechados son descargados, mientras que el fluido es recuperado.

CAPACIDADES

Hay que tener en cuenta las consideraciones sobre el funcionamiento de la maquinaria por las siguientes razones: la capacidad de la carga (liquida inyectada) y la masa de los sólidos descargados.

La capacidad de la rata de carga es gobernada por los siguientes factores:

Tamaño de la carcasa y el tornillo transportador Velocidad de la cuenca Potencia disponible Limitaciones en el sistema de carga lodo Profundidad de la charca La tolva El diseño de la línea de carga

Otros factores que hay que tener en cuenta es el manejo del factor masa-solido que es influenciada por los diseños de la centrifuga, tales como.

Tamaño de la carcasa y el tornillo transportador Velocidad de la carcasa Características del torque de la caja de engranaje Velocidad relativa del tornillo transportador de la carcasa Numero de aspa guías de tornillo transportador Angulo de las aspas guías del tornillo transportador Distancia entre las aspas del tornillo transportador

El otro factor que gobierna la capacidad de la centrifuga son las características físicas de los sólidos y líquidos en una carga de lodo. Por ejemplo hay sólidos que son pesados y pegajosos como la barita, la cual forma costra muy compactada y dura que es difícilmente transportadas, creando altos torques. Un correcto diseño de los componentes de la centrifuga y el cumplimiento de la s recomendaciones de los fabricantes para asegurar la máxima capacidad de remoción de sólidos.

CENTRIFUGAS DE SEPARACION CON ROTOR PERFORADO

Estas centrifugas están diseñadas específicamente para remover sólidos de tamaño coloidal de un sistema de lodo activo para proveer un lodo con el peso apropiado.

Las maquinas son de manejo mecánico e hidráulico; consiste generalmente en un pequeño remolque en donde se encuentra instalada la centrifuga lista para ser conectada al sistema de control de sólidos.

PARTES BASICAS

La cámara de separación consta de un carcasa estacionaria con medidas estándares de 8" de diámetro y 43" de largo, y un rotor perforado que se instala dentro de la carcas, este rotor posee unas venas internas y esta ajustado a un eje ahuecado el cual se extiende a lo largo de toda la cámara.

El lodo de alimentación de la centrifuga se combina con agua y entra pro encima de la carcasa fluyendo entre esta y el rotor, luego este fluido se divide en dos corrientes: Una sale por la parte inferior, que es la que contiene mayor cantidad de sólidos, y la otra corriente sale pro el centro del eje y corresponde al fluido con la menor cantidad de sólidos; estas corrientes son denominadas subflujo y sobreflujo respectivamente.

La separación de sólidos entre las dos corrientes se controla ajustando el tamaño de la salida inferior. Caso todos los sólidos mayores de 5 micrones salen por el subflujo y la mayoría de sólidos de menos de 2 micrones salen por el sobreflujo.

El promedio de dilución lodo-agua en la alimentación, para una centrifuga de las dimensiones antes anotadas, es 0.7 y la rata optima de alimentación es de 28 gpm o menos. Es de anotar que el peso del fluido que sale pro el sobreflujo no debe sobrepasar 20 libras por gallón.

APLICACIONES

Cuando se tiene un lodo pesado el objetivo que se tiene es disminuir la cantidad de sólido de tamaño coloidal, para ello la centrifuga se instala en el sistema activo y solamente las partículas extremadamente finas continúan en el lodo. La barita es retenida y devuelta otra vez al sistema.

Las centrifugas de separación permiten también prepara baches de lodo de alto peso, esto se hace tomando la corriente de subflujo y se envía a un tanque especial que lo almacena hasta que sea necesario usarlo.

La centrifuga también es utilizada para construir nuevos volúmenes de lodo; recuperando la barita de la reserva de lodo y adicionándola al sistema activo esto permite al mezclar aumentar al densidad el lodo porque el flujo inferior es el que se conduce al sistema.

La instalación de la centrifuga de separación en el sistema de control de sólidos puede observarse, de acuerdo a cada aplicación.

4. CONCLUSIONES

Las centrifugas son elementos opcionales en el sistema de control de sólidos de un lodo de perforación; se usan en casos especiales cuando se justifique el costo de compra y funcionamiento.

En algunos casos varias centrifugas pueden remplazar varios elementos del sistema de control de sólidos tales como los hidrociclones y los limpiadores de lodo.

Las centrifugas permiten separar sólidos de tamaño coloidal, operación que no pueden desarrollar otros elementos del sistema de control de sólidos.

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