(R) Sistema de Izaje

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FACULTA DE INGENIERIA

Elementos de Perforacin

TEMA 2 Principales componentes del equipo de peroracinObjetivo: El alumno identificar el funcionamiento e interrelacin de los sistemas que constituyen el equipo de perforacin rotatorio.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Sistema de suministro de energa. Sistema de izaje. Sistema de circulacin. Sistema rotatorio. Sistema de control. Sistema de medidor de parmetros de perforacin.

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Elementos de Perforacin

Objetivo: Aportar los medios para levantar y bajar la sarta de perforacin, la tubera de revestimiento y otros equipos sub superficiales, para realizar conexiones y viajes. El sistema de izaje es un componente vital de un equipo de perforacin. Este sistema suministra un medio por el cual se da movimiento vertical a la tubera que esta dentro del pozo; esto es, bajar y sacar la sarta de perforacin y la T.R. Los principales componentes de este sistema son: Mstil y subestructura. El malacate. La corona y la polea viajera (sistema de poleas). El cable de perforacin. Equipo auxiliar tal como elevadores, gancho, etc.

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Elementos de Perforacin Componentes

Componentes del sistema izaje.

Componentes de izaje

Corona

Lnea viva Lnea muerta Malacate Ancla Polea viajera Carrete del cable

Gancho

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Elementos de Perforacin Mstil

Las torres convencionales son unas pirmides de cuatro lados construidas en acero estructural y pueden ser porttiles o fijas. Las fijas estn en desuso y las porttiles se conocen como mstil. Evolucin de las torres de perforacin.

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Elementos de Perforacin Mstil

Mstil, Es una estructura de acero con capacidad para soportar todas las cargas verticales, cargas excedentes y el empuje por la accin del viento. La longitud de estos vara de 24 a 57 m y soportan cargas estticas de 125 a 1,500 tons. Por su construccin se dividen en:

VoladizoAltura capacidad

Plegable

Telescpico

9 a 12 m

FACULTA DE INGENIERIA 2. Sistema de izajeConsideraciones para el diseo del mstil: 1. 2. 3.

Elementos de Perforacin Mstil

El mstil debe soportar con seguridad todas las cargas (jaln) y cargas que excedan la capacidad del cable. Deber soportar el empuje mximo por la velocidad del viento. La plataforma de trabajo tiene que estar a la altura apropiada para el buen manejo de la tubera (lingadas).

La capacidad del mstil (CM) se obtiene con la siguiente frmula:Carga suspendida (Cs) x Nmero de lneas corona (N)

CM =

Eficiencia (E) x Nmero de lneas en polea viajera (n) Donde: E = Carga real / Carga equivalente

+ Peso de corona (Pc) + Peso polea viajera (Ppv)

Ej. Determine la capacidad de un mstil (de dos piernas) si la carga a levantar (carga muerta) es de 375,000 lbs, teniendo un arreglo de 6 lneas en la polea viajera, 8 en la corona, una eficiencia del 85% y un peso de la corona y la polea viajera de 12,000 lbs.375000 x 8 (0.85 x 6)

CM =

+ 12000 = 600,235 lbs

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Elementos de Perforacin Subestructura

Subestructura. La subestructura se construye de acero estructural y las cargas que debe soportar son superiores a las que soporta el mstil, ya que adems de soportar al mstil con su carga, soporta al malacate, a la mesa rotaria, el piso de trabajo y debe tener una altura suficiente para permitir la instalacin del conjunto de preventores y la lnea de flote.

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Elementos de Perforacin

MALACAT E

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Elementos de Perforacin Malacate

Malacate. Es el elemento que utiliza la energa del sistema de potencia para aplicarle una fuerza al cable de perforacin. Esta provisto de un sistema de frenos para controlar las altas cargas y un sistema de enfriamiento para disipar el calor generado por la friccin en las balatas. El tambor del malacate tiene un ranurado (lebus) para acomodar el cable de perforacin.

ComponentesCabrestante Tambor elevador Frenos Embrague

Tambor principal.- Es el que transmite la fuerza al cable de perforacin y realiza la accin de subir o bajar la polea viajera. Cabrestante.- . Son tambores colocados a ambos lados del malacate y son usados para realizar operaciones rutinarias. Frenos.- Son unidades importantes ya que de ellos depende parar el movimiento. El freno principal de un malacate es mecnico del tipo de friccin (tambor o disco). Para reducir el calor generado por los frenos de friccin se utilizan frenos auxiliares que ejecutan una gran parte de la accin de frenar.

Embrague.- Se usa para acoplar mecnicamente el tambor elevador con la fuerza transmitida.

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Elementos de Perforacin Malacate

Sistemas auxiliares de frenado. Los equipos mecnicos utilizan un freno auxiliar del tipo hidromtico, el cual trabaja impulsando agua en direccin opuesta a la rotacin del tambor principal. Los equipos elctricos usan un freno auxiliar del tipo electromagntico en el cual se generan dos campos magnticos opuestos cuya magnitud depende de la velocidad de rotacin.

Capacidades

Ranurado lebus

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Elementos de Perforacin Malacate

El sistema de frenos de friccin del carrete del malacate es importante para la correcta operacin. Sus requerimientos generales son: Seguridad y confiabilidad Efectividad Facilidad de mantenimiento La seguridad y la confiabilidad, se obtiene con diseos cuidadosos. Para que un sistema de frenado sea efectivo debe tener las siguientes caractersticas: Debe reducir la fuerza que debe ser aplicada para operar el freno. Debe relevarse as mismo conforme el carrete empieza a girar en la direccin de levantamiento. La fuerza de frenado del malacate proporciona una ventaja mecnica muy alta, permitiendo que el frenado, an para grandes cargas, se realice con una fuerza manual razonable aplicada sobre la palanca de operacin del freno. Se dice que un sistema de frenado esta bien calibrado, cuando el peso de la polea viajera es sostenido nicamente con el peso de la palanca.

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Elementos de Perforacin Malacate

Dimensiones del tambor elevador Como la clasificacin del malacate y el dimetro del cable de perforacin estn relacionados, el dimetro del tambor elevador debe aumentar con la capacidad del equipo. El uso de un tambor de menor capacidad de la requerida causara esfuerzos mximos en el cable, dandolo y acortando su vida til. El dimetro mnimo del tambor debe ser de 24 veces mayor que el dimetro del cable. La longitud del carrete deber estar en funcin a una lingada de tubera, de tal manera que se maneje sin que la lnea enrollada en el carrete, sea mayor de tres camas. Si existen ms de tres camas ocurrir una abrasin sobre el cable.

l d

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Elementos de Perforacin Malacate

La longitud del tambor elevador puede ser obtenida con la siguiente frmula: Ll x N x Dc 6 x RtLt Ll N Dc Rt Dt longitud del tambor (pg) longitud de la lingada (pug) nmero de lneas en el gancho dimetro del cable (pg) radio del tambor (pg) dimetro del tambor (pg)

Lc =

+ 9 (pg); Donde:

Dt = 24 Dc

Ej: Cul deber ser la longitud del tambor elevador para un equipo de perforacin que opera con 6 lneas en la polea viajera, si la longitud de la lingada es de 29 m y el dimetro del cable de perforacin es de 1 1/8 pg?. Dt = 24 Dc = 24 x 1.125 = 27 pg Rt = Dt / 2 = 13.5 pg (29x39.37) 6 x 1.125 6 x 1.125 x 24 /2

Lc =

+ 9 = 39.3 pg

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Elementos de Perforacin Cable

CAB LE

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Elementos de Perforacin Cable

Cable. El cable de perforacin une al malacate con el ancla del cable y est guarnido a travs de la corona y la polea viajera con objeto de darle movimientos verticales a esta .Corona

El cable esta formado por torones y un alma, varios torones se tuercen alrededor de un alma para formar el cable.Toron Alma Ancla

Lnea viva Lnea muerta Malacate Polea viajera Carrete del cable

El alma o ncleo puede ser de fibra o acero

La trama de un cable describe la direccin en la que los alambres y los torones estn envueltos uno del otro. Es el tipo de construccin del cable. El trabajo principal que desarrolla un cable es: Durante la perforacin. Viajes para cambio de barrena. Introduccin de tuberas de revestimiento. Operaciones diversas (pesca, ncleos, etc.)

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Elementos de Perforacin Cable

La resistencia de un cable depende de: su construccin, la resistencia del material y de su dimetro. Dependiendo de su construccin los cables se clasifican en:El cable ms utilizado en la industria petrolera tiene una clasificacin 6 x 19 SEALE con centro de cable independiente. El nmero 6, se refiere al nmero de torones que rodean al alma de cada acero independiente; el nmero 19, indica que cada toron tiene 19 alambres.6 x 19 SEALE El diseo SEALE nos indica el nmero de alambres internos y externos del toron.

El API clasifica los cables como se indica a continuacin: De acero ranurado extra mejorado (EIPS) De acero ranurado mejorado (IPS) De acero ranurado (PS) De acero ranurado suave (MPS)

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Elementos de Perforacin Cable

El dimetro correcto del cable es el del circulo circunscrito tangente a todos los torones exteriores como se muestra en la figura. Para medir el dimetro en la forma correcta se recomienda el uso de un calibrador en la forma indicada.

El cable es un elemento de transmisin entre el sistema de potencia y el trabajo de levantamiento del aparejo y durante su operacin es sometido a: rozamiento, escoriado, vibrado, torcido, compresin y estirado; razn por la cual se debe aplicar un factor de seguridad en su diseo. El API proporciona los siguientes factores: Tipo de servicio Sondeo Levantar y bajar mstil Introducir TR Pescas Factor de diseo 3 2.5 2 2La resistencia a la ruptura de un cable extramejorado se puede obtener mediante la siguiente expresin:

Rc = D2 x 100,000 lb

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Elementos de Perforacin Cable

La principal funcin de un cable de perforacin conjuntamente con otros componentes (poleas) del sistema de izaje es la de dar una ventaja mecnica (Vm) para levantar o bajar la sarta de perforacin. Si la tensin en la lnea viva que esta unida al malacate se define como Tf, entonces la ventaja mecnica es:

Vm =

Wg Tf

donde:

Wg es el peso en el gancho (lbs) Tf tensin en la lnea viva (lbs) N Eg es el nmero de lneas en la polea viajera (gancho) es la eficiencia aplicada al gancho

Tf =

Wg N Eg

donde:

Ej: Se usar un cable de 1 3/8 pg, 6 x 19 SEALE para correr una T.R. que pesa 500,000 lbs. Se desea saber si con un guarnido de 10 lneas el cable cumple con un factor de seguridad de 2. La resistencia del cable es de 192,000 lb y la eficiencia por polea de 0.98. Eg = (0.98)10

= 0.817 192,000 61 199

Tf =

Wg N Eg

=

500,000 (10) (0.817)

= 61,199 lbs

Fs =

Rcable Tf

=

= 3.137

Si cumple con el factor de seguridad

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Elementos de Perforacin Cable

El factor de seguridad (FS) del cable tambin puede ser obtenido de la siguiente forma: Fs = (Rc x N x Eg) / Wg Donde: Fs = (192000 x 10 x 0.817) / 500000 Fs = 3.137Rc resistencia del cable (lbs)

Si el Fs hubiese resultado menor de 2, se tendra que cambiar el cable o aumentar el nmero de lneas en la polea viajera.

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Elementos de Perforacin Cable

La potencia requerida (HP) al gancho para levantar una determinada carga, se calcula con:

Wg V HPg = 33000 HPm = HPg 33000 Eg Em

HPg caballos de potencia al gancho (HP)

donde:

V

velocidad de izaje en (pies/min)

HPm caballos de potencia de salida en los motores (HP)

donde:

Eg Em

eficiencia del gancho eficiencia del malacate

La unidad normal de potencia es el caballo de fuerza (HP) = 75 kg-m/seg Ej: Se usar una sarta de perforacin para perforar un pozo que tendr un peso de 300,000 lb, la velocidad de izamiento ser de 93 pies/min. Se tienen 8 lneas guarnidas al gancho. El equipo tiene los siguientes componentes: Motor 2 6 5 11 Suponga una eficiencia del 75% en los convertidores de torsin y del 98% para cada polea. Calcular los requerimientos mnimos de potencia en los motores.

1 Flechas 4 Cadenas 3 7 Total

3 7 4 11

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Elementos de Perforacin Cable

Solucin: HPg = (300000) (93) / 33000 = 845 HP Eg = (0.98) 8 = 0.850 HPm = HPg / 0.850 = 994 HP E = [(0.98)7 (0.98)11 (0.98)11] / 3 = 0.823 HPm = 994 / 0.823 = 1,207 HP HHP = HPM / Ec = 1207 / 0.75 = 1,609 HHP Caballos requeridos en el gancho. Eficiencia del sistema del gancho Caballos requeridos en el malacate Eficiencia entre los motores Potencia en los motores Requerimiento mnimo de potencia en los motores

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Elementos de Perforacin Cable

Durante la vida operativa de un cable es necesario estar revisando su desgaste. La prctica ms comn es calcular el nmero de toneladas kilmetro (TK) de trabajo realizado por el cable. Una tonelada - kilmetro se define como el trabajo realizado por el cable para levantar 1 Ton de peso a lo largo de 1 Km. Los principales factores que afectan el desgaste del cable son: los viajes redondos, la corrida de la T.R. y la perforacin. Las tons Km se obtienen con la siguiente ecuacin: TK = DWtp(Ll+D) 1 579 326 + D Wg 588.65 + Llb D W 789 665 donde:

TK = Toneladas kilmetro del cable D = Profundidad del pozo (m)

Wtp = Peso unitario (flotado) de la TP; (lb/pie) Ll = Longitud de la lingada (m)

Wg = Peso del gancho (ton) Llb = Longitud de los lastrabarrenas (m) W = Peso unitario flotado de los lastrabarrenas - peso unitario flotado de la TP (lb/pie)

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Elementos de Perforacin Cable

Ej: Calcular las toneladas kilmetro en un viaje redondo para un pozo con las siguientes condiciones: Profundidad = 4000 m T.P. 4 , 16.6 lb/pie Lastrabarrenas = 180 m y 107 lb/pie Longitud de la lingada = 29 m TK = DWtp(Ll+D) 1 579 326 + D Wgc 588.65 + Llb D W 789 665 W = Wlb - Wtp Dens. del lodo () = 1.45 gr/cc Peso gancho = 8 ton

Wtp = Wtp (Ff)

Wlb = Wlb (Ff)

Donde: Ff = 1 (l /a)

Ff =1 (1.45 /7.85) = 0.815

Wtp = 16.6 x 0.815 = 13.53 lb/pie

Wlb = 107 x 0.815 = 87.26 lb/pie

W = Wlb Wtp = 87.26 13.53 = 73.73 lb/pie 4000(13.53)(4000+29) 1 579 326 4000(8) 588.65 180(4000)(73.73) 789 665

TK =

+

+

TK = 259.66 toneladas - kilmetro

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Elementos de Perforacin Cable

Tarea No. 2 Calcular las toneladas kilmetro en un viaje redondo para un pozo con las siguientes condiciones: Profundidad = 14,760 pies T.P. 5, S-135 = 29.05 kg/m Lastrabarrenas 8 x 3= 165 m y 107 lb/pie Densidad del lodo: 1.80 gr/cc Longitud de la lingada = 28 m Peso del gancho = 26,400 lbs

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Elementos de Perforacin Sistema de poleas

SISTEMA DE POLEAS

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Elementos de Perforacin Sistema de poleas

El sistema de poleas es el que une mediante el cable de perforacin al malacate con la tubera de perforacin o revestimiento y proporciona un medio mecnico para bajar o levantar dichas tuberas. El sistema de poleas se compone de: la corona y la polea viajera. La corona es una serie de poleas fijas colocadas en la parte superior del mstil.

La polea viajera, como su nombre lo indica, es de libre movilidad. Tambin se le conoce como: Block y Gancho.

FACULTA DE INGENIERIA 2. Sistema de izajeUna polea W = 136,200 kg levantar 0.3 m T = F x d = 136200 x 0.3 = 40,860 kg -m Si realiza el trabajo en un segundo: Potencia = Trabajo / tiempo Potencia = 40,860 kg -m Si 1 HHP = 75 kg m HP requeridos = 544.8 HP La distancia que recorre el cable en el malacate es la misma que recorre la carga (0.3 m).

Elementos de Perforacin Sistema de poleasTres poleas en la corona y dos en la polea viajera W = 136,200 lb levantar 0.3 m Distancia recorrida en el malacate = No. de lneas x la distancia recorrida por la carga. D = 4 x 0.3 = 1.2 m Fuerza del malacate = W / No. Lneas F = 136200 / 4 = 34,050 kg T = F x d = 34050 x 1.2 = 40,860 kg - m Potencia = Trabajo / tiempo Potencia = 40,860 kg -m Si 1 HHP = 75 kg m HP requeridos = 544.8 HP

El sistema de poleas nos permita reducir la fuerza requerida para sacar o meter la tubera.

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Elementos de Perforacin Sistema de poleas

El equipo de perforacin deber evaluarse en su sistema de poleas para asegurar que cumpla con los requerimientos de seguridad. Las especificaciones para los factores de seguridad son:CARGA CALCULADA (TONS) FACTOR DE SEGURIDAD EFICIENCIA D LAS POLEAS VIAJERA

De 0.0 a 150 151 a 500 501 ms

4 4 (R-150) /350 3

Fg = (0.98) n n es el nmero de lneas poleas del gancho)Nota R es la carga calculada

Ej: Se desea correr una T R de 9 5/8, 53.5 lb/pie a 4,300 m en un lodo de 1.82 gr/cm. Si el gancho tiene una capacidad para 350 ton. Estar bien diseado el sistema de la polea viajera?. Ff = 1 (l /a) = 1 (1.82/7.85) = 0.77 WTR = 4300 x 3.28 x 53.5 x 0.77 = 581,014 lbs = 264 ton Fs = 4 (R-150) / 350 = 4 (264-150) / 350 = 3.67 La capacidad requerida del equipo = Fs (WTR) = 3.67 x 264 = 968.9 tons De acuerdo a los requerimientos del API el equipo esta bajo diseado No soporta

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Elementos de Perforacin Sistema de poleas

Ej: Se requiere correr una T R de 13 3/8, 77 lb/pie a 2,300 m en un lodo de 1.52 gr/cm. Si el gancho tiene una capacidad para 420 ton. Estar bien diseado el sistema de la polea viajera?.