ES2256254T3 - Conjunto de perforacion modular orientable. - Google Patents
Conjunto de perforacion modular orientable.Info
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Abstract
Un conjunto de perforación modular para la perforación de un pozo de sondeo, que comprende: -un módulo de dirección (510, 610; 810; 852) en un extremo inferior de dicho conjunto de perforación, incluyendo dicho módulo de dirección (510, 610; 810; 852) un miembro sustancialmente no giratorio (120; 210; 360; 408; 511) por fuera de un miembro giratorio (211, 322, 328, 416), incluyendo dicho miembro no giratorio (120; 210; 360; 418; (11) al menos un dispositivo de dirección (512; 613); -una broca perforadora (114; 201; 301; 438; 602; 801) portada por dicho módulo de dirección (510, 610; 810; 852) para perforar dicho pozo de sondeo; y caracterizado porque el al menos un dispositivo de dirección tiene una unidad de energía enchufable (612) que proporciona energía a un miembro de aplicación de fuerza (132; 220a; 368; 515; 611) para hacer que el citado miembro de aplicación de fuerza (132; 220a; 368; 515; 611) se extienda radialmente hacia fuera desde dicho conjunto de perforación, para ejercer presión sobre la pared del pozo.
Description
Conjunto de perforación modular orientable.
Esta invención se refiere en general a
herramientas para pozos de campos petrolíferos, y más
particularmente a conjuntos de perforación modulares utilizados para
perforar pozos, en los que energía eléctrica y datos son trasferidos
entre secciones giratorias y no giratorias del conjunto de
perforación.
Para la obtención de hidrocarburos, tales como
petróleo o gas, se efectúan sondeos o pozos mediante el giro de una
broca unida a la parte inferior del conjunto de perforación (citado
aquí también como "conjunto de fondo de pozo" (BHA). El
conjunto de perforación está unido a la parte inferior de una
tubería, que por lo general está unida a un tubo rígido o a una
tubería arrollable relativamente flexible, citada comúnmente en la
técnica como "serpentín". La cadena que comprende la tubería y
el conjunto de perforación es citada usualmente como "cadena de
perforación". Cuando un tubo unido es utilizado como tubería, la
broca de perforación es girada mediante el giro del tubo unido desde
la superficie, y/o mediante un motor de lodos contenido en el
conjunto de perforación. En el caso de un tubo arrollado o
serpentín, la broca de perforación es girada por el motor de lodos.
Durante la perforación, un fluido para ella (citado también como
lodos) es suministrado a presión al interior de la tubería. El
fluido de perforación pasa a través del conjunto de perforación y se
descarga luego en el fondo de la broca de perforación. Dicho fluido
de perforación proporciona la lubricación de la broca de
perforación, y transporta hacia la superficie las partículas de roca
desintegradas por la broca al practicar el pozo. El motor de lodos
es girado por el fluido de perforación que pasa a través del
conjunto de perforación. Un árbol de accionamiento conectado al
motor y a la broca de perforación, hace girar ésta.
Una proporción sustancial de la actividad de
perforación actual requiere la perforación de pozos desviados y
horizontales, de lo que un ejemplo se describe en el documento
US-A-5.419.405, para una explotación
más completa de las reservas de hidrocarburos. Dichos pozos pueden
tener perfiles relativamente complejos. Para perforar dichos pozos
complejos son utilizados conjuntos perforadores que incluyen una
pluralidad de miembros de aplicación de fuerza que actúan
independientemente para la aplicación de fuerza a la pared del pozo
y mantener así la broca de perforación a lo largo de un camino
preestablecido y para alterar la dirección de la perforación. Dichos
miembros de aplicación de fuerza pueden estar dispuestos sobre la
periferia exterior del cuerpo del conjunto de perforación, o sobre
un manguito no giratorio dispuesto en torno al árbol de
accionamiento giratorio. Estos miembros de aplicación de fuerza son
desplazados radialmente para aplicar fuerza a la pared del pozo con
objeto de guiar a la broca de perforación y/o cambiar la dirección
de dicha perforación hacia fuera, mediante dispositivos eléctricos o
electrohidráulicos. En dichos conjuntos de perforación existe un
hueco entre las secciones giratorias y no giratorias. Para reducir
el tamaño general del conjunto de perforación y proporcionar más
potencia a los resaltes, es deseable situar los dispositivos (tales
como el motor y la bomba) requeridos para accionar los miembros de
aplicación de fuerza de la sección no giratoria. Es deseable también
situar circuitos electrónicos y ciertos sensores en la sección no
giratoria. Por tanto, debe ser transferida energía entre la sección
giratoria y la no giratoria para accionar los dispositivos de
accionamiento eléctrico y los sensores de la sección no giratoria.
Deben ser también transferidos datos entre las secciones giratoria y
no giratoria de dicho conjunto de perforación. Con frecuencia son
utilizados anillos obturadores deslizables para la transferencia de
la energía y de los datos. Dichos obturadores se rompen con
frecuencia, lo que produce fallos en la herramienta de producción
del pozo.
En los conjuntos de perforación que no incluyen
manguito no giratorio como antes se ha descrito, es deseable
transferir la energía y los datos entre el árbol de perforación
giratorio y el alojamiento estacionario que rodea dicho árbol de
perforación. La energía transferida al árbol giratorio puede ser
utilizada para accionar los sensores del árbol giratorio y/o de la
broca perforadora. La transferencia de energía y de datos entre las
secciones giratoria y no giratoria que tienen un hueco entre ellas
puede ser útil también en
\hbox{otras configuraciones de
herramientas para practicar los pozos.}
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un conjunto de perforación modular como se expone en la
reivindicación 1.
La realización preferida proporciona un
acoplamiento inductivo sin contacto para la transferencia de energía
y de datos entre las secciones giratoria y no giratoria de
herramientas para campos petrolíferos de pozos, que incluyen
conjuntos perforadores que contienen miembros giratorios y no
giratorios.
La realización preferida proporciona un aparato
para la transferencia de energía y de datos sobre un hueco no
conductivo entre miembros giratorios y no giratorios de herramientas
para campos petrolíferos de pozos. El hueco puede contener un fluido
no conductivo, tal como el fluido de la perforación, o aceite para
el accionamiento de los dispositivos hidráulicos de la herramienta
del fondo del pozo. En una realización, dicha herramienta es un
conjunto perforador en el que un árbol de accionamiento es girado
por un motor de fondo del pozo, para girar la broca de perforación
unida al extremo inferior del árbol de accionamiento. Un manguito
sustancialmente no giratorio en torno al árbol de accionamiento
incluye una pluralidad de miembros de aplicación de fuerza
accionados independientemente, y cada uno de los citados miembros
está destinado a ser movido radialmente entre una posición retraída
y una posición extendida. Los miembros de aplicación de fuerza son
accionados para ejercer la fuerza requerida que mantenga y/o altere
la dirección de la perforación. En el sistema preferido, una unidad
hidráulica accionada eléctricamente, común o separada, proporciona
la energía (potencia) a los miembros de aplicación de fuerza. Un
dispositivo inductivo de transferencia de acoplamiento transfiere
energía eléctrica y datos entre los miembros giratorio y no
giratorio. Una unidad o circuito electrónico de control, asociado al
miembro giratorio, controla la transferencia de energía y de datos
entre el miembro giratorio y el no giratorio. Una unidad o circuito
de control eléctrico portado por el miembro no giratorio controla la
energía hacia los dispositivos de dicho miembro no giratorio, y
controla también la transferencia de datos desde los sensores y
dispositivos portados por el miembro no giratorio hacia el miembro
giratorio.
En una realización alternativa de la invención,
un dispositivo de acoplamiento inductivo transfiere energía desde el
alojamiento no giratorio hacia el árbol de perforación. La energía
eléctrica transferida hacia el árbol de perforación giratorio es
utilizada para accionar uno o más sensores situados en la broca de
perforación y/o en el conjunto de apoyo. Un circuito de control
cerca de la broca de perforación controla la transferencia de datos
procedentes de los sensores en el miembro giratorio hacia el
alojamiento no giratorio.
El acoplamiento inductivo puede estar dispuesto
también en un módulo separado encima del motor de lodos, para
transferir la energía procedente de una sección no giratoria hacia
el miembro giratorio del motor de lodos y la broca de perforación.
La energía transferida puede ser utilizada para el accionamiento de
los dispositivos y sensores en las secciones giratorias del conjunto
de perforación, tales como el árbol y la broca de perforación. Son
transferidos datos procedentes de los dispositivos y sensores de la
sección giratoria hacia la sección no giratoria por el mismo
acoplamiento inductivo u otro separado. En las diversas
realizaciones, los datos son transferidos preferiblemente por
modulación de frecuencia.
El conjunto de perforación es modular, en el que
módulos conectables de modo relativamente fácil constituyen el
conjunto de perforación. El conjunto modular de perforación incluye
al menos un módulo de dirección que porta la broca perforadora, y
que incluye un manguito no giratorio que a su vez incluye una
pluralidad de módulos del dispositivo de dirección enchufables. Un
módulo de energía y comunicación de datos en el orificio superior
del módulo de dirección, proporciona energía a dicho módulo y
comunicación bidireccional de datos entre el módulo de dirección y
el resto del conjunto de perforación. Un subconjunto que contiene
sensores de sensibilidad de multipropagación y sensores de rayos
gamma está dispuesto en el orificio superior del módulo de
dirección. Este subconjunto puede incluir un módulo de memoria y un
módulo de vibración. Un módulo direccional que contiene sensores
para determinar la dirección del conjunto de perforación, está
dispuesto preferiblemente encima del subconjunto sensor de
resistividad y rayos gamma. Subconjuntos modulares constituyen
porciones del conjunto de dirección. La electrónica primaria y los
transformadores de acoplamiento inductivo de la electrónica
secundaria del módulo de dirección son también módulos individuales
enchufables.
Seguidamente serán descritas realizaciones
preferidas de la presente invención, sólo a título de ejemplo y con
referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
- la fig. 1 es una vista isométrica de una
sección de un conjunto de perforación en la que se muestra la
posición relativa de un árbol de accionamiento giratorio (el
"miembro giratorio") y de un manguito no giratorio (el
"miembro no giratorio"), y un dispositivo para transferir
energía eléctrica y datos entre los miembros giratorio y no
giratorio a través de un hueco no conductivo, de acuerdo con una
realización de la presente invención;
- la fig. 2 es un diagrama de línea de una
sección del conjunto de perforación, que muestra el dispositivo para
la transferencia de energía eléctrica y datos y los circuitos de
control eléctrico entre las secciones giratoria y no giratoria del
conjunto de perforación, de acuerdo con una realización de la
presente invención;
- las figs. 3A y 3B muestra un diagrama de
bloques funcional y esquemático relativo al dispositivo de
transferencia de datos y de energía mostrado en las figs. 1 y 2, y
para accionar un dispositivo en la sección no giratoria, utilizando
la energía transferida desde la sección giratoria a la no
giratoria;
- la fig. 4 es un diagrama esquemático de una
porción de un conjunto de perforación, no de acuerdo con la presente
invención, en el que se muestra un acoplamiento inductivo dispuesto
en dos emplazamientos alternativos para la transferencia de energía
y de datos entre los miembros giratorio y no giratorio;
- la fig. 5 es un conjunto de perforación modular
de acuerdo con una realización de la presente invención;
- la fig. 6 es una vista isométrica que muestra
la colocación relativa de ciertos componentes principales del módulo
de dirección y de los módulos de comunicación bidireccional de
energía y de datos, mostrados en la fig. 5;
- la fig. 7 muestra una primera disposición
modular alternativa para el conjunto de perforación de una
realización preferida;
- la fig. 8 es una segunda disposición modular
alternativa para el conjunto de perforación de una realización
preferida.
La fig. 1 es una vista isométrica de una sección
o porción 100 de un conjunto de perforación, que muestra la posición
relativa de un árbol de accionamiento giratorio (miembro giratorio)
y de un manguito 120 no giratorio (miembro no giratorio), con un
hueco no conductivo entre ellos, y un dispositivo 135 de
transferencia de energía eléctrica y datos entre el árbol de
accionamiento giratorio y el manguito no giratorio sobre un hueco
113 no conductivo, de acuerdo con una realización de la presente
invención.
La sección 100 forma la parte más inferior del
conjunto de perforación. El árbol de accionamiento 110 tiene una
sección 114 de broca de perforación inferior y una sección 116 de
conexión del motor de lodos superior. Un árbol hueco 112 de diámetro
reducido conecta las secciones 114 y 116. El árbol de accionamiento
110 tiene un ánima pasante 118 que forma el pasaje para el fluido de
perforación 121 suministrado a presión al conjunto perforador desde
un lugar de la superficie. La sección 116 de conexión superior está
acoplada a la sección de energía de un motor perforador o un motor
de lodos (no mostrado) a través de un árbol flexible (no mostrado).
Un rotor en el motor de perforación gira el árbol flexible, que a su
vez gira el árbol de accionamiento. La sección inferior 114 aloja
una broca perforadora (no mostrada), que gira al girar el árbol de
accionamiento. Un manguito 120 sustancialmente no giratorio está
dispuesto en torno al árbol de accionamiento entre la sección de
conexión superior 116 y la sección 114 de broca perforadora. Durante
la perforación, el manguito 120 puede no ser completamente
estacionario, sino que gira a una velocidad muy baja con relación al
árbol de accionamiento. Típicamente, el árbol perforador gira entre
100 a 600 revoluciones por minuto, mientras que el manguito 120
puede girar a menos de 2 r.p.m. Por tanto, el manguito 120 es
sustancialmente no giratorio con respecto al árbol de accionamiento
110, y por tanto la referencia a él es como un una sección o miembro
no giratorio o sustancialmente no giratorio. El manguito 120
incluye al menos un dispositivo 130 que requiere energía eléctrica.
En la configuración de la fig. 1, el dispositivo 130 trabaja sobre
uno o más miembros de aplicación de fuerza, tal como el miembro
132.
El dispositivo 135 de transferencia de energía
eléctrica incluye una sección transmisora 142 unida a la periferia
exterior del árbol de accionamiento giratorio 112, y una sección
receptora 144 unida al interior del manguito no giratorio 120. En la
herramienta de fondo de pozo montada, la sección transmisora 142 y
la sección receptora 144 están separadas por un hueco de aire entre
las dos secciones. Las dimensiones exteriores de la sección
transmisora 142 son menores que la dimensión interior de la sección
receptora 144, de modo que el manguito 120 con la sección receptora
144 unida a él puede deslizarse sobre la sección transmisora 142. Un
circuito de control electrónico 125 (citado también aquí como
"electrónica primaria") en el miembro giratorio 110 proporciona
al transmisor 142 la energía eléctrica deseada, y controla también
el funcionamiento del transmisor 142. La electrónica primaria 125
proporciona también los datos y las señales de control a la sección
transmisora 142, que transfiere la energía eléctrica y los datos al
receptor 144. Un circuito de control electrónico secundario (citado
aquí también como "electrónica secundaria" es portado por el
manguito de giratorio 120. La electrónica secundaria 134 recibe
energía procedente del receptor 144, controla el funcionamiento del
dispositivo 130 accionado eléctricamente en el miembro no giratorio
120, recibe señales de medición procedentes de los sensores en la
sección no giratoria 120, y genera señales que son transferidas a la
electrónica primaria a través del acoplamiento inductivo del
dispositivo 135 de transferencia de datos. La transferencia de
energía eléctrica y datos entre los miembros giratorio y no
giratorio se describe más adelante con referencia a las figs. 2 a
3B.
La fig. 2 es un diagrama de línea de una sección
del conjunto portador 200 de un conjunto perforador que muestra,
entre otras cosas, la colocación relativa de varios de los elementos
mostrados en la fig. 1. El conjunto portador 200 tiene un árbol de
accionamiento 211 que está unido por su extremo superior 202 a un
acoplamiento 204, que a su vez está unido a un vástago flexible que
es girado por el motor de lodos en el conjunto de perforación. Un
manguito no giratorio 210 está colocado en torno a una sección del
árbol de accionamiento 211. Unos cojinetes 206 y 208 proporcionan
apoyo radial y axial al árbol de accionamiento 211 durante la
perforación del pozo. El manguito no giratorio 210 aloja una
pluralidad de miembros de aplicación de fuerza expandibles, tales
como los miembros 220a - 220b (resaltes). El resalte 220a va alojado
en una cavidad 224a en el manguito 210. Dicha cavidad 224a incluye
también unos componentes electrohidráulicos obturados, para expandir
radialmente el resalte 220a. Los componentes electrohidráulicos
pueden incluir un motor que acciona una bomba, que suministra fluido
a presión a un pistón 226a que desplaza el resalte 220 radialmente
hacia fuera. Estos componentes se describen más adelante en detalle
con referencia a las figs. 3A y 3B.
Un dispositivo 230 de transferencia de datos de
acoplamiento inductivo transfiere energía eléctrica entre los
miembros giratorio y no giratorio. El dispositivo 230 incluye una
sección transmisora 232 portada por el miembro giratorio 211, y una
sección receptora 234 portada por el miembro no giratorio 210. El
dispositivo 230 es preferiblemente un dispositivo inductivo, en el
que tanto el transmisor como el receptor incluyen unas bobinas
adecuadas. La electrónica de control primaria 236 está situada
preferiblemente en la sección de acoplamiento superior 204. Otras
secciones del miembro giratorio pueden ser utilizadas también para
alojar parte o toda la electrónica primaria 236. Un módulo
electrónico secundario 238 está colocado preferiblemente adyacente
al receptor 234. Los conductores y enlaces de comunicación 242
colocados en el miembro giratorio 211 transfieren energía y datos
entre la electrónica primaria 236 y el transmisor 232. La energía en
las herramientas de fondo de pozo tal como la mostrada en la fig. 2,
es generada típicamente por una turbina girada por el fluido de
perforación suministrado a presión al conjunto perforador. La
energía puede ser suministrada también desde la superficie a través
de conductores eléctricos en el entubado.
Las figs. 3A y 3B muestran un diagrama funcional
de bloques de un conjunto perforador 300 que muestra el método para
la transferencia de energía y de datos entre las secciones giratoria
y no giratoria del conjunto perforador. Son bien conocidos en la
técnica los conjuntos perforadores o BHA's utilizados para perforar
pozos y proporcionar diversas mediciones durante la perforación, por
lo que su composición detallada o funciones no serán descritas
aquí. La descripción que sigue se refiere principalmente al sistema
para la transferencia de energía eléctrica y de datos entre miembros
giratorios y no giratorios.
Con referencia aún a las figs. 3A y 3B, el
conjunto perforador 300 está acoplado por su extremo superior o de
arriba 302 a una tubería 310 por intermedio de un dispositivo de
acoplamiento 304. La tubería 310, que por lo general es un tubo
articulado o arrollado unido al conjunto perforador 300, es
conducida desde un anillo de la superficie al pozo que se está
perforando. El conjunto de perforación 300 incluye un motor de lodos
320 que tiene un rotor 322 dentro de un estator 324. Un fluido de
perforación 301 suministrado a presión a la tubería 310 pasa a
través de la sección de energía 320 del motor de lodos, que gira el
rotor 322. Dicho rotor 322 acciona un árbol de acoplamiento flexible
326, que a su vez gira el árbol de accionamiento 328. Una cierta
variedad de sensores de medición mientras se perfora ("MWD"), o
de diagrafía o perfil longitudinal mientras se perfora ("LWD"),
referenciados en general aquí con el número 340 y portados por el
conjunto de perforación 300, proporcionan mediciones de diversos
parámetros, incluidos los parámetros del pozo, de la formación, y
del estado del conjunto perforador. Estos sensores pueden ser
colocados en una sección separada, tal como la sección 341, o
dispuestos en una o más secciones del conjunto perforador 300. Por
lo general, algunos de los sensores son
\hbox{colocados en el
alojamiento 342 del conjunto perforador 300.}
Energía eléctrica es generada usualmente por una
turbina 344 accionada por el fluido de perforación 301. Dicha
energía puede ser suministrada también desde la superficie a través
de unos conductores apropiados. En el ejemplo del sistema mostrado
en la fig. 3, el árbol de accionamiento 328 es el miembro giratorio,
y el manguito 360 es el miembro no giratorio. El dispositivo
preferido 370 de transferencia de energía de datos es un
transformador inductivo, que incluye una sección transmisora 372
portada por el miembro giratorio 328, y una sección receptora 374
colocada en el manguito no giratorio 360 opuesto al transmisor 372.
El transmisor 372 y el receptor 374 contienen respectivamente las
bobinas 376 y 378. La energía para las bobinas 376 es suministrada
por el circuito de control eléctrico primario 380. La turbina 344
genera una tensión de CA. La electrónica primaria 380 acondiciona la
tensión de CA y la suministra a las bobinas 376. El giro del árbol
perforador 328 induce una corriente en la sección receptora 374, que
proporciona tensión de CA como salida. El circuito de control
secundario de la electrónica secundaria 382 en el miembro no
giratorio 360 convierte la tensión de CA procedente del receptor
372 en tensión de CC. Dicha tensión de CC es utilizada luego para
accionar los diversos componentes electrónicos en la electrónica
secundaria y cualquiera de los dispositivos accionados
eléctricamente. Fluido de perforación 301 rellena por lo general el
hueco 311 entre los miembros giratorio y no giratorio 328 y 360.
Con referencia aún a las figs. 3A y 3B y como
antes se ha hecho notar, un motor 350 accionado por la electrónica
secundaria 382 acciona a su vez una bomba 364, que suministra un
fluido de trabajo tal como aceite, desde una fuente 365 a un pistón
366. El pistón 366 desplaza su resalte asociado 368 radialmente
hacia fuera desde el miembro no giratorio 360, para ejercer una
fuerza sobre la pared del pozo. La velocidad de la bomba es
controlada o modulada para el control de la fuerza aplicada por el
resalte a la pared del pozo. Alternativamente, una válvula 367 de
control de flujo en el conducto hidráulico 369 al pistón puede ser
utiliza para controlar el suministro de fluido al pistón, y con ello
la fuerza aplicada por el resalte 368. La electrónica secundaria
362 controla el funcionamiento de la válvula 369. Una pluralidad de
resaltes espaciados (por lo general tres) son portados por el
miembro no giratorio 360, y cada resalte es accionado
independientemente por una electrónica secundaria común o
separada.
La electrónica secundaria 382 recibe señales
procedentes de los sensores 379 portados por el miembro no giratorio
360. Al menos uno de los sensores 379 proporciona mediciones
indicadoras de la fuerza aplicada por el resalte 368. Cada resalte
cuenta con el correspondiente sensor. La electrónica secundaria 382
acondiciona las señales del sensor, y puede calcular los valores de
los correspondientes parámetros y suministrar señales indicadores de
dichos parámetros a la sección receptora 374, que transfiere dichas
señales al transmisor 372. Un transmisor y un receptor separado
pueden ser utilizados para la transferencia de datos entre las
secciones giratoria y no giratoria. Técnicas de modulación de
frecuencia conocidas pueden ser utilizadas para transferir señales
entre el transmisor y el receptor, y viceversa. Las señales
procedentes de la electrónica primaria pueden incluir señales de
mando para controlar el funcionamiento de los dispositivos en el
manguito no giratorio.
En una realización alternativa, la electrónica
primaria y el transmisor son colocados en la sección no giratoria,
mientras que la electrónica secundaria y el receptor son situados en
la sección giratoria de la herramienta de fondo del pozo, con lo que
se transfiere energía eléctrica del miembro no giratorio al miembro
giratorio. Estas realizaciones se describen más adelante con todo
detalle con referencia a la fig. 4.
Por tanto, en una realización preferida, energía
eléctrica y datos son transferidos entre un árbol perforador
giratorio y un manguito no giratorio de un conjunto de perforación,
por intermedio de un acoplamiento inductivo. La energía transferida
es utilizada para accionar los dispositivos y sensores eléctricos
portados por el manguito no giratorio. Las actuaciones del
transmisor y del receptor pueden ser invertidas.
La fig. 4 es un diagrama esquemático de una
porción 400 de un conjunto perforador no de acuerdo con la presente
invención, que muestra dos disposiciones alternativas para el
dispositivo de transferencia de energía y de datos. La fig. 4
muestra una sección 415 del motor de perforación que incluye un
rotor 416 dispuesto en un estator 418. El rotor 416 está acoplado a
un árbol flexible 422 en un acoplamiento 424. Un árbol de
perforación 430 está conectado a un extremo inferior 420 del árbol
flexible 422. El árbol de perforación 430 está dispuesto en un
conjunto de apoyo con un hueco 436 entre ellos. El fluido de
perforación 401 suministrado a presión desde la superficie pasa a
través de la sección de energía 410 del motor 400, y hace girar el
rotor 416. El rotor gira el árbol flexible 422, que a su vez gira el
árbol de perforación 430. Una broca perforadora (no mostrada)
alojada en el extremo inferior 438 del árbol de perforación 430,
gira al girar el árbol de perforación. Unos cojinetes 442 y 444
proporcionan estabilidad radial y axial el árbol de perforación 430.
El extremo superior 450 de la sección de energía 419 del motor está
acoplado a los sensores MWD por intermedio de los conectadores
apropiados. Un alojamiento continuo o común 445 puede ser utilizado
para la sección 415 del motor de lodos.
En una realización, energía y datos son
transferidos entre el alojamiento 461 del conjunto de apoyo y el
árbol de accionamiento giratorio 430, por medio de un dispositivo
470 de acoplamiento inductivo. El transmisor es colocado sobre el
alojamiento estacionario 461, mientras que el receptor 472 es
colocado sobre el árbol de accionamiento giratorio 430. Uno o más
enlaces 480 de energía y de comunicación de datos discurren desde
un emplazamiento adecuado, encima del motor 410 de lodos, hacia el
transmisor 471. Energía eléctrica puede ser suministrada por los
enlaces 480 de energía y de comunicaciones, desde una fuente de
energía adecuada hacia el conjunto de perforación 400 o desde la
superficie. Los enlaces de comunicación 480 pueden ser acoplados a
una electrónica de control primario (no mostrada) y a los
dispositivos MWD. Una cierta variedad de sensores tales como
sensores de presión S1, sensores de temperatura S2, sensores de
vibración S3, etc. están colocados en la broca taladradora.
La electrónica de control secundaria 482
convierte la tensión de CA procedente del receptor en tensión de CC,
y la suministra a los diversos componentes electrónicos en el
circuito 482 y a los sensores S1 a S3. La electrónica de control 482
acondiciona las señales de los sensores y las transmite a la sección
de transmisión de datos del dispositivo 470, que transmite dichas
señales al transmisor 471. Estas señales son luego utilizadas por
la electrónica primaria en el conjunto de perforación 400. Por
tanto, en la disposición antes descrita, un dispositivo de
acoplamiento inductivo transfiere la energía eléctrica procedente de
la sección no giratoria del conjunto de apoyo a un miembro
giratorio. El dispositivo de acoplamiento inductivo transfiere
también las señales entre estos miembros giratorio y no giratorio.
La energía eléctrica transferida al miembro giratorio es utilizada
para accionar los sensores y dispositivos en el miembro giratorio.
Los dispositivos inductivos establecen también un enlace de
comunicación de datos bidireccional entre los miembros giratorio y
no giratorio.
En una disposición tampoco de acuerdo con esta
invención, un subconjunto o módulo separado 490 que contiene un
dispositivo inductivo 491 puede estar dispuesto encima o en el
orificio superior del motor de lodos 415. El módulo 490 incluye un
miembro 492 dispuesto giratoriamente en un alojamiento no giratorio
493. El miembro 492 es girado por el motor de lodos 410. El
transmisor 496 está dispuesto sobre el alojamiento no giratorio
493, mientras que el receptor 497 está unido al miembro de retención
492. Energía y señales son proporcionadas al transmisor 496 por
intermedio de los conductores 494, mientras que la energía recibida
es transferida a las secciones giratorias por intermedio de los
conectadores 495. Los conductores 495 pueden discurrir a través del
rotor, del árbol flexible, y del árbol de perforación. La energía
suministrada a las secciones giratorias puede ser utilizada para
accionar cualquier dispositivo o sensor en las secciones giratorias,
como antes se ha descrito. Por tanto, en esta disposición, energía
eléctrica es transferida a los miembros giratorios del conjunto de
perforación por una unidad o módulo separado encina del motor de
lodos.
Los conjuntos de perforación descritos
anteriormente, con preferencia son modulares, ya que son módulos
conectables de manera relativamente fácil para constituir el
conjunto de perforación. Se prefiere la construcción modular por
facilidades de fabricación, reparación del conjunto perforador, e
intercambiabilidad de módulos en el lugar de trabajo. La fig. 5
muestra un conjunto de perforación modular 500 de acuerdo con una
realización de la presente invención. El módulo más inferior 510 es
preferiblemente un módulo de dirección 510 que cuenta en su extremo
inferior con una broca perforadora 501. El módulo de dirección 510
ejecuta las mismas funciones que el conjunto 200 mostrado en la fig.
2. El módulo de dirección 510 incluye un manguito no giratorio 511
que porta una pluralidad de dispositivos de dirección modulares 512
y de resaltes modulares 515, que se describen con más detalle con
referencia a la fig. 6. El módulo de dirección 510 incluye
preferiblemente los dispositivos de transferencia de energía y de
datos de acoplamiento inductivo antes descritos con respecto a las
figs. 1 a 3B. El módulo de dirección 510 incluye también
preferiblemente sensores y electrónica 514 (cerca de los
dispositivos de inclinación de broca) para determinar la inclinación
del conjunto perforador 500. Los dispositivos de inclinación 514
próximos a la broca pueden incluir tres ejes de acelerómetro,
dispositivos giroscópicos, y circuitos de tratamiento de señal,
conocidos en general en la técnica. Un dispositivo 516 de rayos
gamma sobre el manguito no giratorio 511, proporciona información
sobre cambios en la formación a medida que la perforación avanza,
desde un tipo de formación a otro.
Un módulo de comunicación bidireccional de
energía y datos ("BPCM") en el orificio superior del módulo de
dirección 510 proporciona energía a la unidad de dirección 510 y
comunicación bidireccional de datos entre el conjunto de perforación
500 y los dispositivos superficiales. La energía en el BPCM es
generada preferiblemente por un alternador 522 accionado por los
lodos. Las señales de datos son producidas preferiblemente por un
generador de impulsos 524 accionado por lodos. Las unidades de
generación de energía de accionamiento por lodos (generadores de
impulsos por lodos) son conocidas en la técnica, por lo que no será
descritas aquí en detalle. El BPCM es preferiblemente un módulo
separado que puede ser unido al extremo superior 513 del módulo de
dirección 510 por intermedio de un mecanismo conectador adecuado
518. Aunque la fig. 5 muestra el BPCM unido al extremo superior del
módulo de dirección, no obstante puede ser colocado en cualquier
otro emplazamiento adecuado en el conjunto de perforación 500. Un
cierto número de módulos adicionales está dispuesto también para
constituir la totalidad del conjunto perforador. El módulo de
dirección 510 y el BPCM 520 incluyen ciertas características
modulares adicionales, que son descritas seguidamente con referencia
a la fig. 6, antes de describir los módulos adicionales del conjunto
de perforación 500.
La fig. 6 es una vista isométrica 600 que muestra
con gran detalle ciertas características modulares y otras dentro
del módulo de dirección 510 (610 en la fig. 6) y un BPCM como se
muestra en la fig. 5. El manguito no giratorio incluye una
pluralidad de dispositivos de dirección 613, cada uno de los cuales
contiene un resalte 611 y un módulo o unidad 612 de energía
hidráulica autoportante y enchufable. El módulo de energía
hidráulica 612 se enchufa dentro de la electrónica secundaria 616
dispuesta dentro del manguito no giratorio por intermedio del
conectador 614a acoplado a dicho módulo de energía hidráulica 612, y
un conectador de coincidencia 614b acoplado a la electrónica
secundaria 616. Cada unidad de energía hidráulica 612 está
preferiblemente obturada, e incluye un motor, una bomba, y fluido
hidráulico para accionar un pistón que desplaza un resalte asociado
611 radialmente hacia fuera. Un rebaje separado, tal como el rebaje
617, está dispuesto en el manguito no giratorio, para alojar cada
unidad de energía hidráulica 612 y su resalte asociado 611. Al menos
un sensor 615 (tal como un sensor de presión) proporciona señales a
la electrónica secundaria 616 correspondientes o representativas de
la fuerza aplicada mediante su resalte asociado 611 al pozo. Otros
sensores, tales como de medición de desplazamiento, pueden ser
utilizados también para determinar la cuantía de fuerza aplicada por
cada resalte 611 sobre la pared del pozo. La parte secundaria o
exterior 618 del acoplamiento inductivo está acoplada eléctricamente
a la electrónica secundaria 616 a través de un conectador de
patillas enchufable 619 asociado a la electrónica secundaria 616.
Por tanto, el módulo de dirección 610 así descrito incluye además un
manguito no giratorio que tiene una pluralidad de unidades de
energía hidráulica 612 de dirección enchufables y autoportantes
(una por cada resalte), una electrónica secundaria enchufable 616
(unida al interior del manguito no giratorio), y unas bobinas
exteriores enchufables 618 del acoplamiento inductivo, que están
unidas al interior del manguito no giratorio.
Un árbol de accionamiento superior 622 discurre a
través de un manguito no giratorio, y está acoplado a un árbol de
accionamiento inferior 624, que acciona la broca taladradora 602. La
electrónica primaria 625 está acoplada al exterior del árbol de
accionamiento superior 622. Las bobinas primarias o la parte
interior 632 del acoplamiento inductivo están conectadas
enchufablemente a la electrónica primaria 625. Por tanto, en una
realización, el módulo de dirección 610 incluye: I) un manguito no
giratorio con una pluralidad de unidades de energía hidráulica
obturadas, enchufables y autoportantes, una por cada resalte; II) un
módulo de electrónica primaria que se enchufa en un módulo de bobina
de acoplamiento inductivo primario; y III) un módulo de electrónica
secundario que está conectado enchufablemente a las bobinas de
acoplamiento inductivo secundario y a cada una de las unidades de
energía hidráulica.
Continuando con la referencia a la fig. 6, el
BPCM 640 en el orificio superior o encima de la unidad de dirección
610, contiene una unidad generadora de energía eléctrica 641, que
incluye una turbina 642 accionada por el fluido de perforación
(lodos) 648 suministrado a presión desde la superficie. La turbina
642 gira un alternador 643 que suministra energía eléctrica a la
unidad de dirección 610 a través de un adaptador 650 de patilla
doble. Un conectador de anillo 644 sobre el adaptador 650, y un
conectador de anillo 648 sobre el árbol de accionamiento superior
622 transfieren energía y datos entre la unidad 641 generadora de
energía y la electrónica primaria 625. En una realización
alternativa, el conectador de anillo 644 puede estar incorporado al
BPCM, con lo que se elimina el adaptador 650. Un generador de
impulsos en el BPCM genera unas señales telemétricas (impulsos de
presión) que corresponden a los datos que han de ser transmitidos a
la superficie de acuerdo con las señales procedentes de la
electrónica primaria 625 y otros circuitos contenidos en el conjunto
de perforación 600. Como antes se ha dicho, las unidades generadoras
de energía accionadas por los lodos y los generadores de impulsos
son conocidas. En la realización preferida, la unidad generadora de
energía y/o el generador de impulsos forman un módulo que puede
estar conectado al módulo de dirección 610, y/o que puede estar
colocado en otros emplazamientos adecuados en el conjunto perforador
600.
Con referencia de nuevo a la fig. 5, un módulo
estabilizador 530 que tiene uno o más elementos estabilizadores 531
está dispuesto encima del BPCM 520, para proporcionar estabilidad
lateral a la parte inferior del conjunto perforador 500. En una
realización alternativa, los elementos estabilizadores 531 pueden
estar integrados dentro, o dispuestos fuera del BPCM 520, como se
muestra con las líneas de trazos 531a.
Un módulo de medición durante la perforación o
"módulo MWD", que contiene preferiblemente una resistividad y
un sensor gamma, está unido de modo separable al orificio superior o
encima del BPCM 520. Un módulo de dirección 560 que contiene
sensores, tales como magnetómetros, para proporcionar mediciones que
determinen la dirección de la perforación, está situado
preferiblemente en el orificio superior del módulo MWD. Un módulo de
diagrafía durante la perforación, que contiene sensores de
evaluación de la formación tal como sensores de resistividad,
acústica, y nucleares, está dispuesto preferiblemente en proximidad
al extremo superior del conjunto de perforación 500. Un módulo 551
de alternador/conexión descendente, que detecta los datos
telemedidos desde la superficie para uso por el conjunto perforador
500, puede estar situado en cualquier lugar adecuado. Un módulo de
memoria 552 está dispuesto adecuadamente en el módulo MWD. Un módulo
556 de paquete de batería para almacenar y proporcionar energía
eléctrica de refuerzo, puede estar colocado en cualquier
emplazamiento adecuado en el conjunto de perforación 500. Módulos
adicionales son dispuestos en función de los requerimientos
específicos de la perforación. Por ejemplo, un módulo 554 que
contiene sensores y que proporciona parámetros sobre las condiciones
físicas de pozo, tales como vibraciones, inestabilidad de giro,
deslizamiento por películas oleosas, fricción, etc., puede estar
colocado adecuadamente en el conjunto de perforación.
Por tanto, en una realización modular, el
conjunto de perforación incluye un módulo de dirección 510 más
inferior que incluye una pluralidad de dispositivos de dirección
modulares 512 y un módulo 520 de energía y comunicación de datos
encima del orificio del módulo de dirección 510. Cerca de la broca
hay incluidos unos sensores de inclinación en el módulo de dirección
510. El conjunto de perforación incluye un módulo MWD que contiene
un sensor de resistividad y un sensor gamma, y un módulo LWD que
incluye al menos un sensor de evaluación de la formación para
proporcionar información sobre la formación en la que está
penetrando la broca perforadora. Un módulo direccional, que contiene
uno o más magnetómetros, puede ser colocado en un lugar apropiado en
el conjunto de perforación, para proporcionar información sobre la
dirección del pozo perforado o penetrado por la broca
taladradora.
La fig. 7 muestra una configuración alternativa
del conjunto 800 de perforación modular de una realización
preferida. La sección más inferior (por encima de la broca
taladradora 801) es la unidad de dirección modular 810 antes
descrita. El conjunto de perforación 800 incluye un BPCM modular
812, un módulo 814 de medición durante la perforación ("MWD"),
un módulo 816 de evaluación de la formación o FB, y un módulo 818
sensor de medición de parámetros físicos. Cada uno de los módulos
812, 814, 816 y 818 es intercambiable. Por ejemplo, el BPCM 812
puede estar conectado encima del módulo MWD 814 por encima del
módulo FE 816. De igual modo, el módulo FE 816 puede estar colocado
debajo del módulo MWD 814, si así se desea, aunque por lo general,
el módulo MWD 814 es colocado más próximo a la broca perforadora, ya
que incluye sensores de dirección. Cada uno de los módulos 812, 814,
816 y 818 incluye unos conectadores apropiados eléctricos y de
comunicación de datos en cada uno de sus respectivos extremos, de
modo que energía eléctrica y datos puedan ser transferidos entre
módulos adyacentes.
La fig. 8 muestra otra configuración 850 de un
conjunto perforador de acuerdo con una realización de la presente
invención. El conjunto perforador 850 incluye una sección 856 de
motor de lodos modular encima del módulo de dirección 852. La unidad
o módulo 856 de motor de lodos incluye un conectador eléctrico (no
mostrado) en cada extremo de él, con uno o más conductores (no
mostrados) que discurren a través de toda la longitud del módulo 856
de motor de lodos. Los conductores en dicho motor de lodos permiten
la transferencia de energía y de datos entre los dos extremos del
módulo 856 de motor, con lo que se permite la transferencia de
energía y de datos entre los módulos situados encima y debajo del
módulo 856 de motor de lodos. El módulo 856 de motor de lodos está
situado encima del módulo de dirección 852 o debajo de los módulos
FE 858, aunque puede ser colocado en cualquier otro lugar encima
del módulo de dirección 852. La configuración modular particular
elegida depende de los requerimientos operativos.
La descripción anterior está dirigida a
realizaciones particulares de la presente invención, con fines de
ilustración y ejemplos. No obstante, los expertos en la técnica
apreciarán que son posibles muchas modificaciones y cambios en las
realizaciones antes expuestas, sin apartarse del alcance de la
invención. Se pretende que las siguientes reivindicaciones sean
interpretadas de modo que abarquen todas las citadas modificaciones
y cambios.
Claims (9)
1. Un conjunto de perforación modular para la
perforación de un pozo de sondeo, que comprende:
-un módulo de dirección (510, 610; 810; 852) en
un extremo inferior de dicho conjunto de perforación, incluyendo
dicho módulo de dirección (510, 610; 810; 852) un miembro
sustancialmente no giratorio (120; 210; 360; 408; 511) por fuera de
un miembro giratorio (211, 322, 328, 416), incluyendo dicho miembro
no giratorio (120; 210; 360; 418; 511) al menos un dispositivo de
dirección (512; 613);
-una broca perforadora (114; 201; 301; 438; 602;
801) portada por dicho módulo de dirección (510, 610; 810; 852)
para perforar dicho pozo de sondeo;
y caracterizado porque el al menos un
dispositivo de dirección tiene una unidad de energía enchufable
(612) que proporciona energía a un miembro de aplicación de fuerza
(132; 220a; 368; 515; 611) para hacer que el citado miembro de
aplicación de fuerza (132; 220a; 368; 515; 611) se extienda
radialmente hacia fuera desde dicho conjunto de perforación, para
ejercer presión sobre la pared del pozo.
2. Un conjunto de perforación modular según la
reivindicación 1, que comprende además un módulo generador de
energía eléctrica (344; 410) sobre el orificio superior de dicho
módulo de dirección, para proporcionar energía eléctrica al citado
módulo de dirección.
3. Un conjunto de perforación modular según las
reivindicaciones 1 o 2, en el que dicha unidad de energía enchufable
(612) incluye un motor, una bomba, y fluido hidráulico para
suministrarlo a presión y accionar dicho miembro (611) de aplicación
de fuerza.
4. Un conjunto de perforación modular según las
reivindicaciones 1, 2, o 3, en el que dicho módulo de dirección
incluye además un acoplamiento inductivo (135; 230; 370; 450, 470)
para transferir energía entre dichos miembros no giratorio (120;
210; 360; 418) y giratorio (211; 322; 328; 416).
5. Un conjunto de perforación modular según
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además
al menos un módulo (554, 560; 814, 816, 818; 858) que contiene al
menos un sensor para proporcionar mediciones que determinen un
parámetro de interés relacionado con la perforación del pozo de
sondeo.
6. Un conjunto de perforación modular según la
reivindicación 5, en el que dicho al menos un sensor es seleccionado
del grupo que consiste en un sensor de inclinación, un sensor de
evaluación de la formación, y un sensor para determinar una
condición física de dicho conjunto de perforación.
7. Un conjunto de perforación modular según
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además
un módulo sobre el orificio superior de dicho módulo de dirección
que está seleccionado del grupo consistente en un módulo que
contiene al menos un sensor para determinar la inclinación de la
perforación de la pared del pozo; un módulo que contiene una
batería; un módulo que contiene una memoria para almacenar los
datos del fondo de la perforación; un módulo que contiene al menos
un sensor de diagrafía mientras se sondea; y un módulo que contiene
un motor de lodos para girar dicha broca de perforación.
8. Un conjunto de perforación modular según la
reivindicación 1, en el que dicha unidad de energía enchufable (612)
se enchufa eléctricamente a un circuito electrónico secundario
portado por dicho miembro no giratorio.
9. Un conjunto de perforación modular según la
reivindicación 8, en el que dicha unidad de potencia está dispuesta
en un rebaje (617) en el citado miembro no giratorio.
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