Aplicación de la tecnología de martillo neumático en la perforación de pozos de agua.
La definición precisa de las aplicaciones de perforación proviene de seleccionar el mejor método de perforación y evaluar con precisión la viabilidad de la perforación utilizando aire comprimido a alta presión y martillos DTH. La Figura 1 es un diagrama de flujo de los métodos de perforación y la selección de la plataforma de perforación. Todo el proceso implica la recopilación e interpretación continua de datos, que culmina en una descripción detallada del entorno de trabajo, el diseño de perforación, el proceso de perforación y los requisitos del equipo. La Figura 2 es el formulario de recopilación de datos utilizado por Ingersoll Rand para seleccionar planes de perforación y equipos de perforación.
Figura 1 Diagrama de flujo de selección del método de perforación y equipo de perforación
Figura 2 Formulario de recopilación de datos de perforación
2 Evaluación geológica
El primer paso del proceso de evaluación Un paso es recopilar información geológica e hidrológica del subsuelo. En muchos casos, esta información se puede obtener de registros de perforación anteriores o directamente de operaciones de perforación reales en el área. Además, también podemos obtener información relevante de algunas agencias gubernamentales (como la Oficina de Estudios Geológicos, la Asociación de Petróleo y Gas) o universidades. La Figura 3 es el formulario de recopilación de información de diseño de perforación, que usaremos como ejemplo para analizar a lo largo de este artículo.
Figura 3 Formulario de recopilación de información sobre el diseño de perforación
El perfil geológico muestra que debajo de la capa superior del suelo y de la lutita suelta se encuentran lutitas, calizas y areniscas. Datos de perforación anteriores en el área muestran las siguientes tasas de perforación en diferentes formaciones:
Nuevas tecnologías para la perforación y terminación de pozos de agua
Esto significa que cuando las condiciones geológicas lo permitan y los parámetros de diseño de perforación Si las condiciones se cumplen, la perforación con percusión neumática DTH puede lograr una excelente eficiencia en el trabajo y debe ser la primera opción para perforar en este terreno. La Figura 4 muestra la relación entre formaciones y métodos de perforación.
3 Evaluación hidrológica
La hidrogeografía también juega un papel importante en la evaluación de la viabilidad de utilizar un martillo neumático DTH y si se puede lograr la tasa de disparos esperada. Dónde y cuánta agua está presente durante la perforación está directamente relacionado con la presión y el volumen de aire comprimido necesarios para perforar y limpiar el pozo. Si una gran cantidad de agua ingresa al pozo durante la perforación, reducirá la eficiencia de trabajo del martillo DTH o, en casos extremos, el martillo DTH dejará de funcionar hasta que se controle el volumen de agua. En nuestro ejemplo, la cantidad de agua que ingresa al pozo de superficie es de 189 litros/minuto.
Figura 4 La relación entre la formación y el método de perforación
Los métodos para controlar la irrupción de agua incluyen: aumentar el volumen y la presión del aire comprimido; agregar una pequeña cantidad de agua y aditivos (como; agente espumante o polímero) se rocía en el aire comprimido; se conectan juntas especiales de elevación de gas entre las tuberías de perforación para controlar los volúmenes de gas y agua. En nuestro pozo de ejemplo, el volumen de agua se controló eficazmente mientras se perforaba con un martillo neumático DTH utilizando aditivos de espuma y una conexión de elevación de gas.
Generalmente, podemos obtener información hidrogeológica escrita y planes de perforación previos de las autoridades locales o de los contratistas de pozos. Los estudios hidrogeológicos son importantes para la planificación e implementación efectiva de proyectos de perforación.
La Figura 3 muestra que la cantidad de agua subterránea es extremadamente baja y se limita a la superficie y a áreas subterráneas de 300 mm. El flujo de agua se puede controlar fácilmente durante la perforación sin necesidad de añadir aire comprimido ni utilizar ningún aditivo.
4 Diseño de perforación
La abertura y el revestimiento de superficie se dejan caer a una profundidad por debajo del área de grandes entradas de agua. El revestimiento de superficie se cementa desde el fondo del pozo abierto hasta la superficie para bloquear el agua superficial y evitar que el agua subterránea ingrese al pozo. Una vez completada la perforación, se instala una brida en la parte superior del revestimiento de superficie y un cabezal giratorio de protección de escape en la parte superior para controlar la contaminación dispersa durante la perforación.
El diseño del pozo (especificaciones del casing) determina el diámetro y la profundidad del pozo. El método de perforación elegido debe garantizar un orificio limpio y recto con un diámetro lo suficientemente grande como para facilitar el revestimiento. El diámetro y la profundidad del pozo requeridos no sólo son factores importantes a la hora de seleccionar el mejor método de perforación, sino que también están directamente relacionados con las características geológicas e hidrológicas de la formación. En aplicaciones de perforación, los martillos neumáticos DTH son más efectivos para perforar orificios de 6” (152 mm) a (311 mm) de diámetro en formaciones de moderadas a muy duras con entrada de agua moderada o baja.
5 Diseño de herramientas de perforación
Las especificaciones y métodos de perforación determinan el diseño de las herramientas de perforación. El propósito de seleccionar las herramientas de perforación es garantizar que sean lo suficientemente fuertes para superar las cargas de compresión, tracción y torsión durante la perforación.
Todos los elementos de la herramienta de perforación deben tener un espacio hueco para contener eficazmente el fluido de perforación y la eliminación de escoria.
Todos los componentes deben poder acomodarse en el pozo y tener el peso suficiente para lograr velocidades de disparo óptimas. El diseño de la herramienta de perforación determina el rendimiento de los componentes principales de la plataforma de perforación, como los bucles de alimentación (elevación), rotación y circulación.
A diferencia de la perforación cónica con rodillo, los taladros percutores DTH no dependen del peso que actúa sobre la broca para crear agujeros. Toda la perforación se logra mediante una serie de golpes rápidos y de alta intensidad en la superficie de la broca y la lenta rotación de los dientes de bola. Debido a esto, las herramientas del taladro percutor DTH no necesitan ser pesadas y las piezas grandes, como los portamechas, se pueden perforar rápidamente. Los componentes de perforación más livianos significan una operación más fácil y segura y le dan al equipo la capacidad de perforar a mayor profundidad que la perforación con rodillo de aire o con lodo. Si la carcasa pesa más que la herramienta de perforación, se debe combinar la carcasa más pesada al seleccionar la capacidad de la herramienta de perforación. En nuestro ejemplo, el peso de la herramienta de perforación excede el peso del casing, por lo que usamos el peso de la herramienta de perforación para determinar la elevación del equipo.
6 Capacidad del equipo
6.1 Avance
Una vez que se han seleccionado el tamaño y el peso de la herramienta de perforación y la carcasa, se puede determinar la capacidad máxima del equipo. . Generalmente agregamos un factor de seguridad de 25 al peso total de la herramienta de perforación para determinar la fuerza de elevación de la plataforma de perforación.
Las modernas plataformas de perforación rotativas hidráulicas de tracción superior utilizan un cilindro hidráulico para actuar sobre un cable conectado al cabezal giratorio para proporcionar fuerza de elevación y avance a la herramienta de perforación. Este sistema puede levantar y alimentar rápidamente mientras permite un control preciso.
El equipo también cuenta con un sistema de avance de perforación que controla con precisión el peso que actúa sobre la broca o el martillo DTH. Además de presurizar o levantar la herramienta de perforación, el sistema de avance de perforación puede controlar con precisión la fuerza que actúa sobre la broca o el martillo DTH, incluso cuando el peso de la herramienta de perforación excede el peso requerido de la broca. Los operadores configuran el sistema para compensar parte del peso de la herramienta de perforación mediante elevación, lo que permite un control preciso del peso que actúa sobre la broca para garantizar una eficiencia de perforación óptima.
La perforación con rodillo se basa en la rotación y el gran peso que actúa sobre la broca para crear agujeros. En áreas de roca dura, una broca de cono de rodillo (311 mm) requiere una masa de 23 000 a 27 000 kg para lograr la mejor velocidad de perforación. Para alcanzar el peso óptimo que actúa sobre la broca cónica de rodillo (311 mm), se requiere un collar de perforación de 6” (152 mm) de 260 m de largo para un pozo con una profundidad de 1372 m, esto significa que la eficiencia de perforación es de aproximadamente. 20 % más bajo que el estándar.
Debido a que los martillos DTH utilizan la energía generada por el propio aire comprimido, las herramientas de perforación con martillo DTH no requieren componentes pesados como las herramientas de perforación con rodillo, que son más livianas y económicas. para operar durante el proceso de perforación. Una broca de martillo DTH (311 mm) solo requiere 3000 ~ 3600 kg para cumplir con los requisitos de perforación rápida. El martillo DTH puede alcanzar la velocidad de apertura más rápida al perforar. actuando sobre el martillo DTH A medida que aumenta la profundidad del orificio, se utilizan cada vez más herramientas de perforación. En este momento, el operador puede garantizar que se ejerza presión sobre la broca reduciendo continuamente la presión y finalmente levantándola hasta el final. Se forma el agujero. Peso óptimo en la broca para lograr la máxima eficiencia de perforación. Incluso si una plataforma de perforación está equipada con un sistema de perforación automático, no puede controlar el peso que actúa sobre la broca, por lo que no puede lograr los mejores resultados. p>
6.2 Rotativo
El diseño del pozo y el método de perforación también determinan las capacidades del cabezal giratorio. Perfore un orificio de 6 pulgadas (152 mm) a (311 mm) con aire. Martillo DTH con un par de 82110848 N·m y una velocidad de rotación de 82110848 N·m. 20 ~ 60 r/min La plataforma de perforación rotativa hidráulica tiene las ventajas de una alta salida de par a cualquier velocidad de rotación y una regulación de velocidad continua. p>La broca de rodillo perfora agujeros mediante la rotación y el peso que actúa sobre la broca. Para evitar este fenómeno, se utilizan herramientas de perforación especiales en el fondo del orificio para forzar a la broca de cono de rodillo a regresar a la pista correcta. Estas herramientas de perforación son pesadas y difíciles de perforar, y requieren equipos de perforación más grandes con mayor elevación y torsión para garantizar la perforación a la profundidad establecida.
En muchos casos, los pozos en ángulo deben perforarse o abandonarse porque el revestimiento no puede extenderse a la profundidad requerida.
Dado que el martillo DTH utiliza fuerza vertical para perforar, la tendencia de desviación del pozo es relativamente mucho menor. En formaciones propensas a la desviación del pozo, se puede agregar un centralizador corto encima del martillo DTH para controlar la desviación del pozo.
6,3 ciclos
En comparación con otros componentes de la plataforma de perforación, la capacidad del sistema de compresión de aire (compresor de aire) tiene el mayor impacto en los costos y la eficiencia de la perforación. El desplazamiento del compresor de aire [pies cúbicos por minuto (ft3/min) o metros cúbicos por minuto (m3/min)] se utiliza para impactar el martillo DTH, limpiar la superficie de la broca y descargar la escoria. La presión del compresor de aire [libras por pulgada cuadrada (1b/in2) o kilogramo de fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm2)] se utiliza para proporcionar la energía de impacto del martillo DTH, descargar la escoria y superar la presión del agua en el agujero.
La Figura 5 muestra el volumen de aire y la presión de aire necesarios para garantizar el funcionamiento adecuado de un martillo DTH que puede perforar agujeros de 6 a 24 pulgadas.
Figura 5 Presión de gas y aire requerida para el martillo DTH de Ingersoll Rand
En aplicaciones prácticas, si fluye más agua hacia el pozo, se puede usar un refuerzo para asegurar la diferencia de presión a través del DTH martillo y escoria de drenaje. La Figura 6 muestra el efecto del nivel del agua durante la perforación.
Figura 6 El efecto del nivel del agua en la presión del aire
Las plataformas de perforación rotativas de accionamiento superior actuales suelen utilizar compresores de tornillo de alta presión de dos etapas para proporcionar aire en circulación. Estos compresores de aire, como el Ingersoll Rand HR-2.5, tienen un desplazamiento nominal de 34,5 m3/min y una presión nominal de 24,1 (kgf/cm2). Pueden instalarse directamente en la plataforma de perforación (como el RD20). También se pueden suministrar por separado como fijos o móviles (Figura 7). Estos compresores de aire están diseñados específicamente para servicios en campos petroleros y se utilizan en la perforación de pozos de agua con excelente eficiencia y un alto historial de confiabilidad.
Figura 7 Diseño de plataforma de rd20
En algunos casos, cuando el diámetro del pozo es grande, la formación es inestable o hay una gran cantidad de agua en el pozo, el sistema hidráulico Se puede utilizar un rociador accionado en la plataforma de perforación. Los sistemas de agua rocían agua, agentes espumantes y polímeros en el aire de perforación. Estos aditivos amplían el rendimiento del martillo neumático DTH y sus funciones son las siguientes:
(1) Aumentan la viscosidad del aire comprimido y mejoran su capacidad para levantar y transportar eficazmente recortes de perforación a baja velocidad.
(2) Aumenta las burbujas de agua en el pozo, reduce la densidad del agua y facilita la descarga de escoria.
(3) El aumento del coloide del aire comprimido puede formar una capa protectora en la superficie de la pared del orificio, reducir la entrada de agua y estabilizar la pared del orificio.
Estas bombas de chorro de agua son bombas de control variable y de accionamiento hidráulico con la presión adecuada para superar la presión del aire.
El martillo DTH requiere lubricación interna cuando funciona. La plataforma de perforación está equipada con un lubricador de martillo DTH. Cuando el martillo DTH funciona, se inyecta una pequeña cantidad de aceite lubricante en el aire comprimido. El sistema tiene un volumen de inyección de aceite ajustable y una presión adecuada para superar la presión del aire de perforación.
6.4 Eficiencia de perforación real
La Figura 8 es un diagrama esquemático de los pozos de producción reales en el este de Estados Unidos. El entorno geológico e hidrológico dictaminó que el pozo se diseñara como un pozo y un revestimiento de múltiples etapas. Este pozo fue perforado con un equipo de perforación Ingersoll Rand-20 utilizando un martillo DTH. Todo el proceso de perforación es un sistema de dos turnos, con tres personas en cada turno trabajando continuamente durante 12 horas. El tamaño de la tubería de perforación es de ×30 pies (114 mm × 9,1 metros), con una forma plana y un peso de 25,6 kg/m. El peso total máximo de la herramienta de perforación es de 19332 kg. La capacidad máxima de elevación del RD-20 es 54432 kg. Los agujeros piloto de 6 m de profundidad se perforaron utilizando espuma de cono de aire. En los 221 m superiores del pozo, la producción de agua de formación es de aproximadamente 189 L/min. Se utilizó un martillo DTH de Ingersoll Rand para perforar desde el fondo del pozo piloto hasta una profundidad de 674 m. Dado que el agua fluye desde la capa superficial y el centro del pozo, se inyectó un agente espumante para reducir la velocidad ascendente y ayudar. drenaje y eliminación de escorias. Se agrega una junta unidireccional (elevación de gas) cada 152 metros de herramienta de perforación para controlar el volumen de agua.
Figura 8 Ejemplo de un pozo de gas en una veta de carbón en el este de Estados Unidos
La Figura 9 muestra el progreso de la perforación durante todo el proceso de terminación.
La velocidad promedio de finalización de todo el pozo es de 12 m/h, la velocidad promedio de perforación es de 38 m/h, la velocidad promedio de funcionamiento del revestimiento es de 168 m/h y la velocidad promedio de funcionamiento del revestimiento es de 259 m/h. La velocidad promedio de la biela. y varilla de descarga es de 305m/h. El tiempo total de ejecución es de 78 horas, incluyendo tiempo de preparación y evacuación.
Figura 9 Progreso real de perforación de pozos de metano en capas de carbón