MOTORES DE FONDO(Down Hole Mud Motors)

Curso de Perforación DireccionalESPOL / FICTPreparado por: Rafael U. Rodríguez

DOWN HOLE MUD MOTORS

• Accionados por el flujo de fluido.• Tipos más comunes de motores de fondo

– Turbina (bomba centrífuga o axial)– Motor de Desplazamiento Positivo (PDM)

• Principios de operación– Diseños diferentes– Turbinas: de amplio uso en el pasado– Motores de fondo: muy comunes en el

presente.

DOWN HOLE MUD MOTORS

• Partes básicas de los motores de fondo:– Dump Valve Assembly– Power Section– Connecting Rod Assembly– Bearing and Drive Shaft Assembly

• Dump Valve Assembly:– Permite que el lodo llene o salga de la sarta

de perforación durante un viaje.– Válvula de pistón. – Rata de flujo (arriba valor mínimo)

válvula forzada hacia abajo para cerrar los puertos

– Todo el fluido es dirigido hacia el motor– Rata de flujo (debajo del valor mínimo)

válvula abre accionada por un resorte

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

Dump Valve Assembly:– Motor de fondo puede funcionar sin

necesidad de este mecanismo.– Puede reemplazarse por un sub o correrse

con los puertos taponados.– Recomendación: correr esta herramienta– Ventajas:

• Permite bajar la sarta llena de lodo en el pozo (consideraciones – control de pozos)

• Permite sacar la sarta seca “dry” – siempre y cuando los puertos no sean taponados por la formación.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

• Power Section:– Aplicación reversa de la bomba Moineau– El fluido es bombeado dentro de las

cavidades progresivas del motor.– La fuerza del movimiento del fluido origina

que eje (shaft) rote dentro del estator (stator).

– La fuerza rotacional es entonces transmitida hacia la broca a través del “connecting rod”.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

• Power Section:– Rotor

• Cromado (chrome – plated)• Forma helicoidal• “Lobe”• Perfil con un “lobe” menos que el estator.

– Estator• Housing• Cavidad en forma de espiral• Elastómero (caucho) moldeado dentro del

housing

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

• Power Section:– Configuraciones motor (ejemplos)– Cada espiral completa del estator es

denominada una etapa.– Motores divididos en:

• Baja velocidad• Mediana velocidad• Alta velocidad

– Función de las etapas, número de lóbulos del rotor y cavidades del estator.

• A mayor número de lóbulos, mayor torque del motor y más bajas RPM

– Power Section = Motor Section.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

• Connecting Rod Assembly:– Ubicado en la parte baja del rotor del motor

de fondo.– Transmite el torque y la velocidad

rotacional desde el rotor hacia el “drive shaft” y la broca.

– Convierte el movimiento excéntrico del rotor en un movimiento concéntrico en el “drive shaft”.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

• Bearing and Drive Shaft Assembly:– Drive Shaft

• Componente rígido de aleación de acero• Dentro de un “bearing housing”• Protegido por “bearings” radiales y axiales.

– Bearing Assembly:• Transmite fuerza rotacional a la broca.

Off-bottom bearings• Off – bottom (?)• Soporta: el peso del fluido, del rotor,

connecting rod, drive shaft y la broca Radial Support bearings

• Camisas de carburo de tungsteno• Provee soporte radial al drive shaft• Regulan el flujo de lodo que enfría el drive

shaft y los bearings.• Alternativa: bearings sellados con aceite.

On-bottom bearings• Soportan el peso mientras se perfora.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

• Rotating bit (drive) sub– Es la única parte externa movible del motor

de fondo.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Partes Básicas

– En algunos diseños de motores de fondo, un crossover / saber sub es utilizado entre el housing del estator y la dump valve para ayudar a proteger las roscas del estator.

– Diagrama típico de un motor de fondo con sus principales componentes.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Hidráulica• Rango de tasas de flujo permitidos:

– Depende del tipo y OD del motor– Motores con múltiples lóbulos tienen mayor

rango de galonaje – útil para altas ROP’s (limpieza)

• Non-load pressure loss– El motor girando libremente off - bottom– La mínima presión requerida para hacer

que el rotor gire dentro del estator cuando el lodo es bombeado a través del motor.

– Presión para vencer la fricción.– Cada motor tiene un valor conocido de

perdida de presión asociado con la tasa de flujo y las RPM.

– Generalmente no mayor a 100 psi.

• Perdidas de presión a través del motor (Pmotor):

– Broca toca el fondo y se empieza a aplicar peso sobre la broca (WOB).

– La presión de bombeo aumenta.– Presión diferencial = Pon-bottom – Poff-bottom

– Torque del motor se incrementa en forma directamente proporcional al incremento de la presión diferencial.

– Para motores multilobulos la Pmotor >=500 psi.

• Stallout Pressure:– Cada motor tiene un valor recomendado de

máxima presión diferencial (torque optimo)– Si se aumenta el peso sobre la broca el

valor Pmotor se incrementara.• Deformación del recubrimiento del estator.• Sello rotor / estator es dañado y el fluido sale

directamente al hueco sin mover la broca• La presión se comporta en forma errática y

no cambia con aumentos de WOB.• Stallout condition.

DOWN HOLE MUD MOTORS – Power Output Curve

• La curva de rendimiento de un motor esuna parabola

• Practicamente se obtiene el mismorendimiento cuando el motor trabaja entreel 50 – 60% de la maxima presiondiferencial establecida para el motor quecuando trabaja al 90%.

• Se recomienda trabajar el motor en el rango de 50 – 60% para tener un colchonde prevencion contra la situacion de stallout.

ESTIMACION DEL DOG LEG SEVERITY

• Estimación hecha en base a una geometría de 3 puntos.

– Broca– Bend o estabilizador ubicado en el bearing

housing.– Primer estabilizador sobre el motor.

• L = distancia desde la broca al centro del estabilizador ubicado sobre el motor.

• BUR (°/1;00 ft) = Bent housing angle * 200 / L

• Ejercicio– L = 36 ft / Bent housing angle = 1.5°– BUR = 1.5 * 200 / 24 = 8.33° / 100 ft

• Formula aplicable solamente cuando se esta en la fase de construcción de ángulo.

• La respuesta de este ensamblaje al decrecer la inclinación es diferente.

• Side Force– Fuerza resultante en la broca que el

ensamblaje:– Incremente ángulo (fuerza positiva – efecto

fulcro)– No cambie la inclinación (fuerza neta cero –

BHA empacado)– Caiga la inclinación (fuerza neta negativa –

efecto péndulo)– Parámetros de perforación juegan un papel

importante en la fuerza resultante.

• Slick Assembly– El mas simpre: broca, DC’s, DP

• Ensamblaje con un solo estabilizador– Mover el estabilizador mas hacia abajo

resultara en un side force positivo.– Incrementos en WOB llevaran a

incrementos en la tasa de construccion.

• Ensamblaje con dos estabilizadores– Primer estabilizador (near bit) : 3 – 6 ft

sobre la broca– Para un determinado WOB, la distancia

desde la broca al primer estabilizador (L1) y entre los estabilizadores (L2) determinarael punto de tangencia.

– Si el punto de tangencia ocurre entre la broca y el estabilizador de fondo resulta en una side force negativa.

• Ensamblaje con dos estabilizadores– Si el punto de tangencia ocurre entre la

broca y el estabilizador de fondo resulta en una side force negativa.

• Ensamblaje con dos estabilizadores– Si el punto de tangencia ocurre entre los

estabilizadores resulta en una side force positiva.

• Ensamblaje con tres estabilizadores?• Ensamblajes típicos para construir ángulo

• Ensamblajes típicos para mantener ángulo

• Ensamblajes típicos para disminuir ángulo