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POSITIVE DISPLACEMENT MOTOR (PDM) SELECTION

THIS PRESENTATION IS ABOUT OF THE PDM SELECTION FOR DIRECTIONAL DRILLING.
by

Luis Rolando Sirpa Machaca

on 13 February 2013

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Transcript of POSITIVE DISPLACEMENT MOTOR (PDM) SELECTION

Introducción Proceso complejo requiere de una amplia gama de servicios y equipos pesados. Perforación Direccional Perforación de un pozo con la desviación planada de la superficie a los objetivos predeterminados. Aplicaciones Múltiples Pozos Fallas Geológicas Locaciones Inaccesibles Sidetracking y
Straightening Domos
Salinos Pozos de Alivio Terminos y Definiciones target Opciones de Trayectoria DESLIZAMIENTO:
Perforación sin rotación de superficie donde el DHM proporciona toda la rotación al trepano.
Usado para la construcción del tramo direccional del pozo ROTACION:
Perforación con rotación de superficie mas la rotación transmitida por el motor de fondo.
Usado para la construcción del tramo tangente. Motores de Desplamiento Positivo
PDM Velocidad alta/torque bajo
Velocidad media/torque medio
Velocidad baja/torque alto Ventajas del PDM 1.- Proporciona un mejor control de la desviación.
2.- Posibilidad de desviar en cualquier punto de la trayectoria de un pozo.
3.- Pueden proporcionar mayor velocidad de rotación en la barrena.
4.- Se pueden obtener mejores ritmos de penetración . Componentes del PDM Válvula de descarga (Dump Sub) 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. Sección de Poder (Power Section) 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. Consideraciones Generales Introduccion y Objetivos 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. Rotor y Estator Lobulos 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. Ensamble de Transmisión (Drive Assembly) 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. Compensa la vibración causada por el movimiento excéntrico del rotor y la excentricidad de la sección ajustable (bent housing). Ensamble de Ajuste (Adjustable Assembly) Permite graduar la curvatura del motor de fondo para cualquier aplicación direccional deseada. Sección de Rodamientos y Giratoria La sección giratoria es un componente de acero construido rígidamente. Se encuentra apoyado dentro de la sección de rodamientos (bearing section) a través de 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. 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. Diferencias entre PDM 1:2 Vs. Multilobulos Funcionamiento del PDM La suma de las superficies transversales en cualquier plano es una constante.
Consecuentemente, la velocidad del motor es constante para un flujo dado. La presión diferencial hace el fluido de perforación entrar en las cavidades por la parte superior del motor. Mientras que se mueve a través del motor, el líquido empuja en el rotor que lo hace girar. Trayectoria del Flujo de Lodo Se requiere de 5 a 8% de fluido desviado para enfriamiento y lubricación.
Rango especifico de ΔPbit para garantizar el correcto desvío:
Para baja presion Restrictor de flujo 0 - 400 psi.
Para baja presion Restrictor de flujo 200 - 1,200 psi . Selección y Configuración del PDM Procedimiento Metodologico Proceso de Selección del PDM Aplicaciones Aspectos generales Sobre la Perforacion Nociones Basicas de Perforacion Direccional Geología Tamaño del Pozo Tipo de Trepanos Caudal Tipo de Lodo Temperatura Teoría del PDM (Hidráulica) Potencia Producida por el Fluido de Perforación Potencia mecánica producida en el trepano Como estas ecuaciones escritas no tienen factores de conversión, sin embargo si: La potencia hidráulica consumida por el motor luego llega a ser la velocidad rotacional de salida tiene una relación directa con el caudal mediante la siguiente relación: La constante puede ser encontrada correlacionando la velocidad de salida o los caudales, también puede ser encontrada analíticamente Interpretacion del Gráfico de Rendimiento PDM Ventajas y Desventajas del Metodo Empleado Ventajas:
Analiza varios factores que permiten determinar mejor el criterio de selección.
Se realiza una optimización en la hidráulica considerando el uso del PDM.
Determina valores reales del rendimiento del PDM a determinada presión diferencial de trabajo.
Relaciona los diferentes parámetros operacionales como ser ROP, WOB, torque con la relación lobular del motor.
Calcula la potencia de entrada y salida del motor de manera de evitar problemas en el pozo. Desventajas:
Se debe considerar otros factores adicionales cuando el diámetro del pozo es reducido menor a 6 plg.
El método empleado solo se emplea con el uso de sistemas de lodos convencionales, no incluye lodo aireado, espumas o similares. APLICACIÓN PRÁCTICA
“ POZO SNQ-22D” Análisis de criterios de selección y mejora de la hidráulica Se realizara la selección del motor considerando los criterios correspondientes, también se procederá a efectuar la comparación entre los motores propuestos por el proyecto con aquellos que se eligieron en el programa de perforación, así mismo se realizara los cálculos hidráulicos necesarios en ambos casos.
 
Considerando que los proveedores de los motores fueron Intergas con un motor de Weatherford (PrecisionDrill-motor utilizado) y Baker Hughes (NaviDrill-motor propuesto) para su respectiva comparación. Introducción pozo SNQ – 22D dirigido a 2.800 m, con el objetivo de definir la continuidad de la acumulación de gas y condensado en las Formaciones Petaca y Castellón, en el área nueva identificada por la sísmica 3D, y producir petróleo de los reservorios Chaqueña y Navidad, pertenecientes a las Formaciones Cangapi y San Telmo, respectivamente.
Se investigará la capacidad productiva del nivel arenoso basal de la Formación Yecua.
El Campo San Roque se encuentra localizado en la Provincia Gran Chaco, Departamento Tarija, Bolivia. El anticlinal de San Roque se sitúa al este de la serranía de Aguarague, en la zona de pie de monte Informacion General Objetivo Tecnico
Perforar el pozo dirigido con inclinación 41° & 277° de azimuth hasta un TVD de 2662 m (- 2095 m TVDs), con un desplazamiento de +/- 457 m en el fondo, cubriendo con cañería de 7” las formaciones superiores al Petaca & Castellón (objetivos superior) y Ar. Chaqueña & Ar. Navidad (objetivo inferior). Diagrama SNQ-22D Etapa de selección En el caso del pozo SNQ-22D, se utilizara un motor en el tramo III, donde se requiere perforar verticalmente atravesando las formaciones Guadancay, tariquia y yecua, así también alcanzar la profundidad del tramo 12 ¼” unos metros antes del tope de la formación petaca, otro desafío para este intervalo es perforar el tramo con una sola carrera del trepano. Aplicaciones en pozos rectos intervalo III Motores de BAJA velocidad
se usan en pozos direccionales y horizontales, formaciones con media a alta dureza y barrenas PDC para perforar.
Motores de MEDIA velocidad
Los motores de velocidad media son caracterizados con configuraciones de rotor a estator de 3:4 y 4:5.Las Aplicaciones incluyen perforación controlada vertical, perforación de alcance extendido y perforación de rendimiento. En el tramo IV se perforara un pozo vertical hasta el KOP 1750 m, atravesando los objetivos principales de gas (Petaca & Castellón). Luego se continuara perforando un pozo dirigido hasta 41° & 277° azimuth con el que se ingresará a la Ar. Chaqueña y se mantendrá tangente atravesando la Ar. Navidad hasta el TD final de 2800 m MD & 2662 m TVD. A los 2328 m se atravesará la Falla con una desviación de +/- 32°. Aplicación en perforación direccional intervalo IV Motor de baja velocidad
Un PDM de velocidad baja es una opción excelente para la perforación direccional. Estos motores direccionales pueden acoplarse a varios tipos de trépanos de diamante policristalino compacto de cono de rodillos o de diamante. Litología intervalo III Como las formaciones a atravesarse tienen una dureza media además se tiene planeado utilizar trépanos PDC, se debería elegir una configuración que pueda producir velocidades bajas y altos rendimientos de torques durante la perforación de este tramo, de tal modo que la selección del MOTOR DEBERÍA SER DE BAJA VELOCIDAD. Litologia Intervalo IV Como las formaciones que se atravesaran tienen una dureza alta, se debería elegir una configuración que pueda producir velocidades bajas a altas dependiendo en este caso exclusivamente de la geología del lugar por la presencia de yeso y caliza además de la inestabilidad, por este motivo se debería elegir un MOTOR ENTRE BAJA Y MEDIA VELOCIDAD. Geometría del Pozo Diámetro Se considerara el diámetro del pozo como criterio para elegir el diámetro del PDM. Análisis de Selección del Diámetro PDM Mediante esta tabla se determina los diámetros de los motores a utilizarse en cada etapa. Trépanos
Tipos de trépanos intervalo III Trépanos
Tipos de trépanos intervalo IV Los módulospara ambos intervalos sugeridos están en el rango de 5:6 a 8:9, dependiendo exclusivamente del tamaño del motor (diámetro, numero de etapas) y del tipo de servicio (estándar o de performance). de potencia El caudal proyectado para este intervalo es de 800, lo que hace estimar el rango del caudal de trabajo para el PDM, según datos de los proveedores de motores el rango de caudal optimo seria aquel que se encuentre entre 600-1200 GPM. Caudales
Caudales intervalo III Caudales
Caudales intervalo IV El caudal proyectado para este intervalo es de 450 GPM, con lo que se establece que el rango de caudal de trabajo para el PDM será de 300 – 600 GPM. Para el caso del intervalo III como se trata de un lodo polimérico este no tendrá mayores complicaciones, debido a que estos fluidos poliméricos Klashield ayudan con la lubricidad y permiten buena capacidad de transporte de recortes con mínimo contenido de sólidos. Lodos
Intervalo III Lodo Intervalo IV En cuanto al intervalo IV al tratarse de del lodo FLoPro, este no presentara ningún problema puesto que tiene un porcentaje menor de contenido de arena < 1%, si este valor fuera mayor que este límite se reduciría la vida del motor. Temperatura los elastómeros estándares tienen una temperatura de operación que se encuentra en el rango de 130ºC (265ºF) y una máxima temperatura en el rango de 160ºC (320ºF).
Cuando la temperatura incrementa, la vida del motor decrece. Gradiente de Temperatura Especificaciones de temperatura de Operación Según el grafico se puede observar que el servicio requerido para el intervalo III corresponde a un servicio estándar de motor (100-130ºF), mientras que para el intervalo IV se requiere de un servicio estándar pero con temperatura compensada (130-170 ºF). Según el grafico se puede observar que el servicio requerido para el intervalo III corresponde a un servicio estándar de motor (100-130ºF), mientras que para el intervalo IV se requiere de un servicio estándar pero con temperatura compensada (130-170 ºF). Etapa Final de selección del PDM PDM intervalo III Relación RPM/caudal: C=0.06 RPM/GAL PDM intervalo IV Relación RPM/caudal: C=0.333 RPM/GAL Eficiencia del PDM Potencia de salida del motor Potencia de Entrada del Motor
Eficiencia del Motor
Análisis del Sistema Hidráulico
presión en el stand pipe para el intervalo III (1600-2200 psi)
para los cálculos se tomara el valor de 2200 psi
Presión parasitaria
Experimentalmente se ha encontrado que la perdida de fricción es proporcional a Q1.86 , la diferencia entre la potencia de la bomba en superficie y la pérdida de la presión parasitaria es la potencia disponible para accionar al PDM y limpiar al trepano.
Caudal disponible
Un apropiado PDM para la curva de potencia disponible seria aquel que opere en un rango de 600 a 1200 GPM. El NaviDrill opera en un rango de 530-900 GPM, este rango es muy adecuado para la potencia disponible
Velocidad anular
Luego se necesita encontrar el caudal con el cual se debe mantener el flujo mínimo en el anular, los caudales en el anular generalmente se presentan entre 50 ft/min y 200 ft/min. Una velocidad anular promedio se encuentra alrededor de 120 ft/min, esta velocidad provee un adecuado flujo para mover los recortes lejos del trepano y no así caudales mayores que erosionarían a la pared del pozo y podrían agrandar el anular.
Velocidad anular
El rango del tamaño del pozo recomendado para el motor seleccionado es de 9 7/8 ” a 12 1/4 “. De la ecuación 11, el caudal anular para un pozo de 12¼” y 5” de sarta seria:
Potencia hidráulica disponible
La potencia hidráulica disponible para el trepano es la diferencia entre la curva del PDM y la curva de la potencia hidráulica, si la bomba opera a 800 GPM, el PDM consume 170 hp.

Selección del Inyector
Esto deja 667-170=497 Hp para el trepano, esta potencia correlaciona a la perdida de presión a través del trepano de 1065 psi para la ecuación 1a.
El área total de flujo para el trepano será encontrado a través de la ecuación:
Potencia Hidráulica Disponible
Para operar el 8” Navi-Drill M1ADM de Baker Hughes en un pozo de 12 ¼ ” con 5” de sarta, con una capacidad de la bomba de 4203 psi y 800 gpm, el trepano necesitaría tener un TFA de 0.751 in^2 para usar la mayor potencia que las bombas suministran.
Selección del Inyector
Análisis Comparativo de Selección
Conclusiones Los criterios de selección presentados en este proyecto son generales y pueden ser aplicados para cualquier situación de perforación La geología relaciona al tipo de roca sea blanda, dura o un intermedio entre ambas con el ROP y el torque, observándose que para altos ROPs y bajos torques se necesita mayor cantidad de lóbulos, por el contrario si se requiere operar a bajos ROPs y altos torques se necesita mayor número de lóbulos en el motor.
 

La relación matemática entre el RPM y el torque dependen de la geometría del rotor y estator; La velocidad del motor es inversamente proporcional al número de lóbulos y al volumen de la cavidad, el último es una función netamente del diseño de la sección de poder. El torque de un motor es proporcional al número de lóbulos, al volumen de la cavidad y a la presión diferencial a través de la sección de potencia. La presión diferencial varia conforme el tipo de motor debido exclusivamente a la configuración de la sección de potencia (número de etapas, longitud), lo que posibilita a que no exista un cambio brusco en la caída de presión en el sistema, por lo este valor no genera un cambio muy grande en el cálculo del TFA.
Recomendaciones
Se recomienda que al perforar formaciones duras con trépanos de insertos, se debe elegir una configuración de mayor cantidad de lóbulos, debido que estos trépanos no toleran altos RPMs y se requieren más WOB. También se recomienda que los motores sean operados a la mínima presión diferencial requerida para lograr aceptables ROPs y comportamientos direccionales


Se recomienda que al perforar formaciones duras con trépanos de insertos, se debe elegir una configuración de mayor cantidad de lóbulos, debido que estos trépanos no toleran altos RPMs y se requieren más WOB. También se recomienda que los motores sean operados a la mínima presión diferencial requerida para lograr aceptables ROPs y comportamientos direccionales
El costo de un pozo direccional es de 1.5 a 1.75 veces el costo de un pozo vertical.
Es recomendable una apropiada planeación para reducir costos.
Alquiler de herramientas:
Motor de fondo (PDM): 250 $us/día
MWD: 180 $us/día
Monel: 120 $us/día
Cabina: 100 $us/día
Personal:
2 ingenieros direccionales: 1000 $us/día
2 operadores MWD: 500 $us/día
Herramientas en Stand By:
1 motor de perforación: 500 $us/día
1 MWD: 250 $us/día
El costo promedio diario representa el valor que la empresa operadora cancelara por la perforación, con respecto al servicio direccional con el uso del PDM será aproximadamente de 9500$us/día.
Análisis de Costos
GRACIAS POR SU ATENCION
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