ENSAMBLAJE DE FONDO (BHA)

El ensamblaje de fondo es la sección de la sarta de perforación que agrupa el conjunto de herramientas entre la mecha y la tubería de perforación.

Tiene como funciones proporcionar el peso requerido sobre la mecha para maximizar la tasa de penetración, producir hoyos en calibre, evitar la formación de desviaciones tipo pata de perros y llaveteros y minimizar vibraciones y pegamentos de la sarta de perforación.

Está compuesto por:

Barra de perforación (Drill Collar), Tubería pesada (Heavy Weight), Estabilizadores y accesorios.

El BHA se compone de una broca que se utiliza para romper la roca formaciones , collares de perforación que son, de paredes gruesas tubos pesados utilizados para aplicar el peso de la broca, y estabilizadores de perforación que se mantenga a la Asamblea de perforación centrada en el agujero . El BHA también puede contener otros componentes, como un motor de fondo , orientable sistema rotatorio , la medición durante la perforación (MWD), y mientras que la tala de perforación (LWD) herramientas.

Barra de perforación (Drill Collar)

Es un conjunto de tubos de acero o metal no magnético de espesores

significativos, colocados en el fondo de la sarta de perforación, encima de la mecha, lo

cual proporciona la rigidez y peso suficiente para producir la carga axial requerida por

la mecha para una penetración más efectiva de la formación.

Fig. 2- Tipos de barras de perforación

Fuente: Fundamentos de la Ingeniería de Petróleo (1994, pág. 24)

Las funciones de las barras son:

Proporcionar peso sobre la mecha para la perforación, manteniendo peso en la

sección inferior de la sarta para hacer tensión en la misma.

Soportar y dar rigidez a la parte inferior de la sarta de perforación.

Servir de apoyo y estabilizador de la mecha para mantener el nuevo hoyo

alineado con el hoyo anterior.

Para efectos de diseños del ensamblaje de fondo, lo más importante será analizar

la localización del punto neutro, que es la región por encima de la cual la sarta no sufre

pandeo. El peso que se aplicará sobre la mecha debe determinarse de acuerdo con la

longitud de las barras, para ubicar el punto neutro en ellas y evitar fallas en la sarta

durante las operaciones de perforación.

Para determinar el peso por pie de las barras de perforación se tiene la siguiente

ecuación:

PB= 2.67 * [(DE)2-(DI)2]

Donde :

PB: Peso de las barras , lbs/pie

DE: Diámetro externo, pulg.

DI: Diámetro interno, pulg.

A principio de los años 50 Arthur Lubinsky y Henry Woods determinaron, que el

tamaño de las barras seria el factor limitante del movimiento lateral de la mecha y el

diámetro efectivo mínimo de las barras podrían calcularse mediante la siguiente

ecuación:

DMB= (2DCR-DM)

Donde :

DMB: Diámetro mínimo de las barras, pulg.

DCR: Diámetro del cuello del revestidor a correr, pulg.

DM: Diámetro de la mecha, pulg.

Lubinsky y Woods sugirieron además que, el tamaño de las barras de

perforación debería ser lo suficientemente grande para asegurar la bajada de las

conexiones del revestidor. La longitud de las barras de perforación puede ser

determinada a través de tres métodos, los cuales son: Método del factor de flotación,

método de la ley de Arquímedes y el método de fuerza – área.

Tubería pesada (Heavy Weight)

La tubería pesada constituye el componente intermedio del ensamblaje de fondo.

Es un tubular de espesor de pared gruesa, similar a las barras de diámetro pequeño, cuya

conexión posee las mismas dimensiones que las de la tubería de perforación para

facilitar su manejo, pero es ligeramente más larga, ver figura # 3. Se conoce también

con los nombres de “Heavy Wall Drill Pipe” y “Heavy Weight Drill Pipe”.

La función más importante de la tubería pesada es servir de zona de transición

entre las barras y la tubería de perforación, para minimizar los cambios de rigidez entre

los componentes de la sarta, con el objeto de reducir las fallas originadas por la

concentración de flexión cíclica en la conexión de la tubería de perforación.

Estabilizadores

Los estabilizadores como su nombre lo indica, dan firmeza y seguridad al

ensamblaje de fondo o sarta de perforación, cuidándola del contacto con las paredes del

hoyo y controlando la desviación, tanto en hoyos verticales como direccionales.

Además Incrementan la tasa de penetración al propiciar que la dirección de la fuerza

resultante sobre la mecha coincida con el eje del hoyo. Asemàs:

Reducen la fatiga en las conexiones de las barras al reducir el pandeo de la

sarta.

Reduce la pega de la sarta al mantener las barras alejadas de las paredes del

hoyo.

Previene cambios bruscos de ángulo del hoyo al aumentar la rigidez del

ensamblaje de fondo.

Mantienen las barras centradas en el hoyo minimizando la desviación del

mismo y obteniéndose hoyos mejor alineados.

Dentro de los tipos de estabilizadores se encuentran: Estabilizadores de camisa

rotatoria, de camisa no rotatoria y escariadores.

Fig. 3. Tipos de estabilizadores

Fuente: Fundamentos de la Ingeniería de Petróleo (1994, pág. 26)

La ubicación de los estabilizadores en el ensamblaje de fondo, depende del

desempeño que requiera la sarta en cuanto a trayectoria se refiere. Esta sección tiene

que ver con los tipos básicos de sartas para modificación del curso o mantenimiento del

mismo. Estas sartas son de construcción, de mantenimiento y de caída angular; el diseño

de estas sartas no tienen muchas reglas de tipo general, ya que el comportamiento de

ellas depende de la dureza de la formación, de la tendencia desviadora del hoyo, del

tamaño relativo hoyo-ensamblaje y de la distribución de los estabilizadores en el

ensamblaje de fondo.

Accesorios

Además de los componentes básicos del BHA, constituidos por las barras, la

tubería pesada y los estabilizadores, se emplean algunos accesorios que son

fundamentales para lograr el éxito en las operaciones de perforación, los cuales son

mostrados en la siguiente tabla.1

Tabla # 1. Accesorios del BHA

Accesorios Función Posición1.- Amortiguador (SOC Absorber)

Minimizar la vibración de la sarta.Encima de la Mecha.

2.- Martillo (Drilling Jar)

Proporcionar energía de impacto en las sartas atascadas.

Intercalado en la tubería pesada en tensión.

3.- Acelerador (Drilling Acelerator)

Incrementar la energía del martillo.

Una junta por encima del martillo.

4.- Motores(Drilling Motors)

Suministrar rotación de fondo (aplicación en perforación direccional)

Sobre la Mecha.

5.- Herramientas de Medición (MWD)

Medir los parámetros del fondo en tiempo real.

Encima de la Mecha y/o amortiguador ó motor.

CONFIGURACIONES DEL BHA

A. Tipo "A". Esta configuración usa HW encima de los drill collars como una transición para suavizar el cambio abrupto de sección Sin embargo el peso total sobre la broca se aplica con los drill collars.

B. Tipo "B". Esta configuración tiene suficientes drill collars para mantener un control adecuado de la dirección y llegar a un objetivo aplicando peso sobre la broca tanto con los drill collars como con los HW. Este arreglo mejora y facilita el manipuleo en superficie, disminuye la tendencia a atascamientos por diferencial y aparentemente disminuye las fallas de las conexiones de los drill collars.

C. Tipo "C". Esta configuración tiene más de un tamaño de drill collars pero sigue usando tanto los drill collars como los HE para peso sobre la broca. También disminuye el riesgo por diferencial a la vez que mantiene una mayor rigidez y concentración para el peso sobre la broca.

TIPOS DE BHAs CONVENCIONALES

FULCRUM. También llamado punto de pivoteo. Es importante que la pared de los conjuntos de fondo proporcione longitud de contacto para asegurar el alineamiento del hueco que ya se ha perforado. La experiencia ha confirmado que un solo estabilizador actúa como un Fulcrum o punto de pivoteo. Esto hace que el ángulo del pozo crezca debido a las fuerzas laterales de los drill collars no estabilizados Pueden ser:

1. Simple (Slick assembly). Está conformado por broca, drill collars, y Heavy Weight. Este tipo de BHA tuvo muchos problemas de desviación de pozos y de atasques por diferencial

2. Multi componentes. Es aquel que además de los componentes básicos tienen alguna otra herramienta tales como STB, reamers, Jars, amortiguadores, que ayudan a controlar la dirección. Pueden ser :

2a. Building BHA

2b. Holding BHA Packed off Assy

2c. Dropping BHA. o Assy Pendular. Para control de desviación.

CALCULO DEL PESO DISPONIBLE DEL CONJUNTO DE FONDO

Para calcular el peso disponible del conjunto de fondo se necesita los siguientes datos:

1. Peso máximo sobre la broca que se planea utilizar (Lbs)2. Peso del lodo (ppg)3. Dimensiones de los drill collars4. Inclinación del pozo.5. factor de seguridad que asegure que el punto neutro esté por debajo del tope del conjunto de fondo.

Para determinar este peso se puede utilizar 3 métodos los cuales están basados generalmente en:

a. Consideraciones de pandeo en la sección baja de la sarta cuando se asienta peso sobre la broca.b. Usar una suficiente cantidad de drill collars o Heavy Weight para evitar correr el drill pipe en compresión.

1. Método Drilco2. Método de Arquímedes3. Método de fuerza y área.

Sarta de Perforación

La sarta de perforación es el conjunto de tubería de acero más el ensamblaje de fondo o BHA (Bottom Hole Assembly).

Mecha o barrena de perforación (Bit)

Es el elemento cortador en la perforación de pozos. La mayoría de las brocas tricónicas consisten de tres conos que giran sobre cojinetes para hacer uso de todos los elementos cortadores. Además, las brocas poseen un sistema de circulación para su enfriamiento y permitir el paso del fluido, usando su fuerza hidráulica para impactar la roca y facilitar su perforación

Motores de Fondo

En la perforación de pozos se utilizan motores especialmente diseñados para perforar una curva predecible desde vertical a horizontal y mantener una geometría constante, este motor tiene la particularidad de eliminar la rotación de la tubería mediante una fuerza de torsión pozo abajo, impulsada por el fluido de perforación, los motores traen incorporado un cuerpo de desvío (Bent Housing) ajustable de 0.5 a 3º, con la finalidad de permitirle a la mecha, construir inclinación y/o cambiar la dirección del hoyo sin rotación en la tubería y de perforar en forma recta cuando la sarta es rotada.

Porta mechas, Barras o Lastrabarrenas (Drill Collar)

Son tubulares lisos o en espiral de acero o metal no magnético de espesores significativos, pesados y rígidos, los cuales sirven de unión entre la mecha y la tubería de perforación (Drill Pipe), ellos constituyen el componente principal del ensamblaje de fondo, el cual proporciona la

rigidez y el peso suficiente para producir la carga axial requerida a aplicar sobre la mecha. Los Drill Collars de espiral debido a que sus ranuras reducen el área de contacto con la pared en un 40 % para una reducción de peso de solo el 4 %, reduciendo la oportunidad de la pega diferencial, además de favorecer a la circulación del lodo.

Tubería de Transición Heavy Weight

Heavy Wall, Hevi Wate, Heavy Wate; constituyen el componente intermedio del ensamblaje de fondo, es un tubular de gran espesor de pared similar a los Drill Collars pero menos rígidos y de menor diámetro, cuya conexión posee las mismas características de la tubería de perforación, pero mucho más pesadas y ligeramente más largas sus uniones o conexiones; es bastante flexibles y sirve de zona de transición entre los Drill Collars y la tubería de perforación (Drill Pipe) para minimizar cambios en rigidez entre estos componentes, así como también para reducir la alta tensión y las fallas originadas por la concentración de flexión cíclica en la conexión de la tubería de perforación.

Tubería de Perforación (Drill Pipe)

Se entiende como tubería de perforación a la tubería de acero resistente pero poco pesada que se conecta al ensamblaje de fondo (BHA, Botom Hole Assmebly) y termina enroscándose al Kelly o al Top Drive, la cual se usa para transmitir la potencia generada por los equipos de rotación a la mecha y servir como canal de flujo para transportar los fluidos de alta presión desde el taladro hasta los Drill Collars y la mecha. Se clasifican según su diámetro, grado del acero, longitud, peso por pie. La longitud tiene un promedio de 30 pies. Los tubos se conectan por medios de juntas que se encuentran en los extremos denominada Pin (Macho) y Box (Hembra).

Estabilizadores

En la perforación de pozos horizontales, se hace uso de los estabilizadores para controlar o modificar el ángulo de inclinación del pozo de acuerdo a lo deseado, los estabilizadores se instalan en la sarta de perforación para aumentar, reducir o mantener el ángulo, ellos constituyen el componente del ensamblaje de fondo que permite tener el contacto adecuado con la pared del hoyo para proporcionar estabilidad de la sarta, así como prolongar la vida de la mecha, obteniendo a su vez hoyos más rectos y más seguros.

Rectificadores o Reamer

Son herramientas que son corridas mientras se perfora en formaciones muy duras y abrasivas, cuando la estructura cortante externa de la mecha se desgasta gradualmente si no está protegida, de esta forma cada pie adicional de hoyo perforado es ligeramente de

diámetro más pequeño que el anterior y de esta forma rectificar la pared y el diámetro del hoyo.

Conexión (Tool Joint)

Son fracciones de tuberías que tienen por objetivo convertir un tipo de rosca en otro a fin de empalmar tubos incompatibles en unión.

Cross Over

Son tubulares que posen roscas especiales macho y hembra, se utilizan para conectar componentes de la sarta de perforación que tienen roscas diferentes.

Martillo

Es una herramienta diseñada para dar un impacto en la sarta o en el BHA, cuyo objetivo principal es de lograr que la misma sea liberada en el caso de atascamiento o pega de tubería. Los martillos pueden ser mecánicos, hidráulicos o hidromecánicos; teniendo los hidráulicos la particularidad de permitir martillar con gran variedad de impactos y ser insensible al torque, por lo cual no afecta la orientación de la herramienta cuando sé está desviando el hoyo.

Medidas, aleación y principales características de las tuberías que seUtilizan (Tubing y Casing)

Tubing:

El Coiled Tubing usualmente se define como una cadena continua de tubería de diámetro pequeño, que conecta una serie de equipos en superficie y asocia trabajos de perforación, reparación, completación y reacondicionamiento de hoyo, pudiéndose usar tanto en ambientes terrestres como marinos. Esta tubería generalmente es construida de una aleación especial de carbón – acero, lo que permite se le maneje como a las tuberías PVC (Cloruro de Polivinilo) que poseen características de flexibilidad, anti oxidación, resistencia al fuego en algunos casos, etc.

Las características físicas del Coiled Tubing (CT) son las mismas a las de tubería convencional de diámetro similar, con la ventaja de que no es necesario estibarla tramo por tramo para bajarla o retirarla del pozo, ya que se le desenrolla o enrolla en un carrete accionado mecánicamente como si fuera una manguera, permitiendo así un mejor y más rápido almacenamiento y transporte (Ver Figura 1). Por ser una tubería rígida flexible puede ser introducida en el pozo con mucha más facilidad desde la superficie, esta característica la hace atractiva para ser utilizada en los pozos muy desviados y horizontales.

La tubería CT puede tener una longitud de 9.450 m (31000 pies) o superior, según el tamaño del carrete o el diámetro del tubo, que oscila

entre 1 y 4 ½ pulgadas. Una unidad motriz hidráulica, es controlada desde la consola instalada en una cabina de control central en superficie, la cual acciona el cabezal del inyector en el fondo para desplegar y recuperar la tubería CT. El gran carrete de almacenamiento también aplica peso sobre la tubería

Ventajas del Coiled Tubing

• Operativas: o Trabajos sin necesidad de ahogo del pozo. o Versatibilidad para una amplia gama de trabajos. o Permanente desarrollo de nuevas tecnologías. o Posibilidad de realización de soluciones globales. • Económicas: o Rapidez operativa y de movilización. o Bajo costo de locación. • Medio Ambiente y Seguridad: o Disminución del impacto audio-visual. o Bajo impacto sobre el terreno. o Posibilidad de comando a distancia, proporcionando Seguridad al personal. o Disminución en la cantidad de desechos.

Características • Posee una longitud de 6.10 metros de largo por tramo • Sus extremos son biselados • Algunos son de acero inoxidable o de fibra de vidrio, con o sin costura. • Los de costura son los más comunes y más usados. • Utilizan las normas ASTM A269. • Disminuye considerablemente la pérdida de circulación y los problemas ocasionados por aprisionamiento con agotamiento de los reservorios cuya producción está en un proceso de disminución. • El manejo y el costo de instalación es inferior al del acero. • Menores gastos de bombeo y mantenimiento • Tubing y Casing utilizables para profundidades rondando los 1500 m y 1800 m respectivamente • Excepcional comportamiento a la presión y gran capacidad de carga axial.

BHA peso y peso-bits en Una consideración importante en el diseño de la BHA es determinar el número de collares de perforación y tubería de peso pesado necesario para proporcionar el peso deseado sobre la barrena. Cuando la perforación de pozos verticales, lo normal es no poner ordinaria tubería de perforación en la

compresión (recomendado por Lubinski en 1950). Esto se consigue asegurándose de que el "peso impulsado" de los collares de perforación y tubería de peso pesado superar el máximo de peso en bits . Esta práctica también ha sido adoptado en baja inclinación, perforado pozos direccionales. En otros tipos de pozos direccionales, hay que recordar que ya que la gravedad actúa verticalmente, sólo el peso de la "a lo largo de hoyos" componente de los elementos BHA contribuirá al peso sobre la barrena. El problema que esto crea es que si de alto WOB se requiere cuando se perfora un pozo de gran inclinación, una larga (y costosa) BHA sería necesario para evitar poner la tubería de perforación en la compresión. Sin embargo, para estos pozos de gran inclinación, es práctica común el uso de aproximadamente el mismo peso BHA como se utiliza en pozos de baja inclinación. En altamente pozos desviados, los operadores han estado funcionando tubería de perforación en la compresión de años. Análisis de la tubería de perforación de pandeo en los pozos inclinados, por un número de investigadores (en particular, Dawson y Paslay), ha demostrado que la tubería de perforación pueden tolerar niveles significativos de compresión de diámetro pequeño, la inclinación pozos de alta. Esto es debido al apoyo proporcionado por el "lado bajo" de la perforación. Tubería de perforación siempre se ejecuta en la compresión en los pozos horizontales, sin aparentemente causar daños a la tubería de perforación. Peso BHA Requerido Por Asambleas de Rotary Cuando dos superficies de contacto (es decir, la tubería de perforación y la pared de la perforación) se encuentran en movimiento relativo, la dirección del deslizamiento fuerza de fricción en cada superficie actuará a lo largo de una línea de movimiento relativo y en la dirección opuesta a su movimiento. Por lo tanto, cuando un BHA se gira, la mayor parte de las fuerzas de fricción actuará circunferencial para oponerse a la rotación (par), con sólo un pequeño componente actúa a lo largo del pozo (arrastre). Las mediciones de fondo de pozo WOB por las herramientas MWD ha confirmado que cuando el BHA se rota sólo hay una pequeña reducción en WOB debido a la fricción. Esta reducción es generalmente compensado mediante un "factor de seguridad".