¿Qué pasaría si un solo componente en su conjunto de fondo de pozo pudiera reducir el tiempo del ciclo de perforación en porcentajes de dos dígitos y al mismo tiempo mejorara el control direccional y redujera el tiempo no productivo? Ésa es la promesa (y el desafío) del moderno motor de fondo de pozo. A pesar de décadas de uso, el motor de fondo de pozo sigue reinventándose con mayor torque, mejores elastómeros y telemetría más inteligente, lo que lo convierte en fundamental para la perforación de alto rendimiento en ventanas estrechas, laterales largos y formaciones abrasivas.
El mensaje central de este artículo es simple: el motor de fondo de pozo sigue siendo el principal impulsor de la tasa de penetración (ROP) y el control de la trayectoria en pozos convencionales y no convencionales. Sin embargo, no todos los motores son iguales y el valor que se extrae depende de comprender las compensaciones del diseño, la calidad de los componentes y los parámetros operativos.
En esta publicación, aprenderá cómo funciona un motor de fondo de pozo, qué contribuye cada componente al rendimiento, cómo hacer coincidir las especificaciones del motor con su geología y objetivos del pozo, y cómo comparar proveedores con comparaciones basadas en datos.
Conclusión clave
Un motor de fondo de pozo transforma la energía hidráulica del fluido de perforación en rotación mecánica, lo que permite una ROP más alta y un control direccional superior, especialmente en perforación deslizante y RSS motorizado.
La selección óptima depende de la geometría del estator/rotor, las curvas de par-velocidad, la química del elastómero y la integridad de conjuntos como el conjunto de descarga, el eje cardán y el eje de transmisión.
Las ventanas de parámetros basadas en datos (flujo, presión diferencial, carga de broca, WOB, RPM) y los diagnósticos digitales reducen las paradas del motor, la fragmentación y las fallas de elastómeros.
Los nuevos materiales y la telemetría permiten recorridos más largos, un torque promedio más alto y menos viajes, lo que reduce el costo por pie y los días de perforación en general.
Motor de fondo de pozo
A El motor de fondo de pozo es un motor de desplazamiento positivo (PDM) que utiliza fluido de perforación para girar un eje impulsor conectado a la broca. El motor se ubica en el conjunto del fondo del pozo (BHA) y se puede orientar con una curva para control direccional. A diferencia de la rotación de la mesa giratoria o del mando superior únicamente, un motor de fondo de pozo produce una rotación de la broca independientemente de las RPM de la sarta de perforación. Este desacoplamiento es una razón importante por la que la perforación direccional moderna puede mantener una ROP alta mientras se dirige dentro de límites estrictos de severidad de curvatura.
En su forma clásica, el motor de fondo de pozo comprende:
Una sección de potencia (estator y rotor) que convierte la presión del fluido en torque y RPM.
Un enlace mecánico (a menudo un eje cardán o un sistema de junta universal) que transfiere la rotación a través de una carcasa doblada sin tensiones excesivas de desalineación.
Un conjunto de cojinete y eje de transmisión que transporta cargas axiales y radiales y entrega torque a la broca.
Componentes auxiliares, como un conjunto de descarga para descargar fluido de forma segura durante las conexiones o cuando las bombas están apagadas.
Por diseño, el motor de fondo de pozo funciona en situaciones donde:
El recorrido del pozo requiere perforación deslizante frecuente o tasas de construcción/giro precisas.
Las formaciones duras necesitan un mayor torque de la broca a menores RPM para evitar el desgaste del cortador.
Los laterales largos se benefician de la reducción de las RPM de la superficie para limitar la fatiga de la sarta de perforación.
Los indicadores clave de rendimiento (KPI) para un motor de fondo de pozo incluyen:
Torque en la broca (depende del diferencial de presión en la sección de potencia).
RPM de salida del motor (función del caudal y geometría del lóbulo).
Par de pérdida y comportamiento de pérdida (cómo maneja la sobrecarga y cómo se recupera).
Vida útil de los rodamientos y tolerancia a la temperatura (especialmente crítica en pozos con alto BHT).
Metraje total por ejecución y horas entre tiradas.
Componentes de motores de fondo de pozo
Para elegir u operar un motor de fondo de pozo de manera efectiva, es útil comprender qué aporta cada componente principal:
Sección de potencia (estator + rotor): determina la capacidad de par, el rango de velocidad y la resistencia térmica.
Carcasa curvada o ajustable: establece el comportamiento de la cara de la herramienta y la gravedad del dogleg alcanzable.
Acoplamientos cardán o eje de transmisión: transmiten flexiblemente el par a través de la desalineación.
Eje de transmisión y paquete de cojinetes: soportan cargas axiales (WOB) y cargas radiales mientras sellan los lubricantes.
Conjunto de descarga: controla la derivación segura del fluido cuando las bombas están paradas.
Sellos, elastómeros y lubricantes: protegen contra la temperatura, la contaminación por aceite/ácido y los sólidos.
Cada pieza tiene modos de falla. Por ejemplo, la fragmentación del elastómero del estator surge de ciclos térmicos o incompatibilidad química; los pasadores cardán se desgastan bajo cargas oscilantes; y los paquetes de cojinetes fallan debido a la infiltración de desechos o una capacidad axial inadecuada. Comprender estos modos permite ventanas de parámetros y controles de riesgos más inteligentes.
Sección de montaje de volcado
El conjunto de volcado es el héroe anónimo de la confiabilidad del motor. Su trabajo es proporcionar un camino para el fluido de perforación cuando se pierde la presión de la bomba (por ejemplo, durante una conexión), evitando daños inducidos por el vacío y atrapamiento de presión dentro del motor. Un conjunto de descarga bien diseñado ayuda a evitar el pegado del diferencial y protege los sellos al igualar la presión interna y externa. Las características típicas incluyen:
Válvulas de retención o válvulas de resorte que se abren en condiciones de contraflujo.
Canales de flujo dimensionados para evitar picos excesivos de presión al cerrar.
Materiales resistentes a la erosión para sobrevivir a cortes abrasivos.
Beneficios operativos:
Permite conexiones rápidas y seguras al mitigar los efectos de hisopo/sobretensión en el motor.
Reduce el riesgo de delaminación del estator al evitar picos de presión inversa.
Extiende la vida útil de los rodamientos y sellos al evitar la presión atrapada durante el ciclo de las bombas.
Consideraciones de selección:
Compatibilidad con fluidos con alto contenido de sólidos.
Tasa de erosión a la velocidad de flujo esperada.
Accesibilidad de mantenimiento y capacidad de servicio en campo.
Punto de datos: Los estudios de campo en cuencas de esquisto muestran que los motores con conjuntos de descarga optimizados exhiben entre un 8 y un 15 % más de horas de funcionamiento promedio, impulsados ??por tasas más bajas de fallas de sellos y menos eventos relacionados con la presión durante las conexiones.
Motor
En el corazón del motor de fondo de pozo se encuentra la sección de potencia, que comprende un rotor helicoidal de acero y un estator revestido de elastómero. El par rotor-estator forma cavidades progresivas. Cuando el fluido de perforación fluye, se forma un diferencial de presión a través de estas cavidades, generando rotación. La geometría se expresa en lóbulos (por ejemplo, 4:5, 5:6, 7:8). Más lóbulos generalmente producen un par más alto a RPM más bajas, mientras que menos lóbulos proporcionan RPM más altas a un par más bajo.
Parámetros clave de diseño:
Configuración del lóbulo: Determina la curva par-velocidad. Los motores de lóbulos altos se adaptan a formaciones duras y brocas PDC que requieren torsión; Los motores de lóbulos bajos destacan en formaciones blandas que necesitan RPM más altas.
Longitud y paso del estator: las secciones de potencia más largas proporcionan más torque pero aumentan la caída de presión y la longitud.
Tipo de elastómero: El nitrilo hidrogenado de alta temperatura (HNBR) y los perfluoroelastómeros (FFKM) resisten la degradación térmica y la dilatación del aceite; El NBR estándar funciona en entornos más fríos a base de agua.
Recubrimiento del rotor: Los recubrimientos de cromo o carburo de tungsteno reducen el desgaste y mantienen la eficiencia del sellado.
Rangos de rendimiento típicos:
RPM de salida: 50–300 RPM dependiendo del número de lóbulos y los caudales.
Torque: 1000–12 000 ft-lbf según el tamaño (p. ej., 4,75', 6,75', 8') y la geometría del lóbulo.
Presión diferencial en la sección de potencia: 200 a 900 psi para diseños de rango medio, mayor para variantes de alto torque.
Modos de falla a observar:
Fragmentación o desunión del estator debido al calor/química.
Desgaste del rotor que provoca pérdida de par y aumento del deslizamiento.
Desajuste térmico entre el rotor y el estator que provoca paradas con un BHT alto.
Ventana de parámetros:
Mantenga los caudales dentro de los gráficos del proveedor para mantener el equilibrio entre RPM y par.
Establezca el dP máximo en todo el motor entre el 80 % y el 90 % de la presión de parada nominal durante la perforación en estado estacionario.
Monitorear la temperatura; reducir la potencia de las curvas de torsión por encima de 300 °F (150 °C) a menos que se utilicen elastómeros de alta temperatura.
Eje cardán
El eje cardán, a veces llamado conjunto de junta universal, traduce el movimiento del rotor a través de una carcasa doblada al eje de transmisión mientras compensa la desalineación. En un ensamblaje direccional, la carcasa puede doblarse entre 1 y 3 grados, lo que hace que el eje de salida del motor diverja del eje de la sarta de perforación. El eje cardán permite esta geometría sin imponer momentos de flexión que de otro modo dañarían la sección de potencia o los cojinetes.
Elementos de diseño:
Juntas en U duales o pares de juntas de velocidad constante para equilibrar las fluctuaciones de velocidad.
Carcasas empaquetadas con grasa y presión compensada para proteger pasadores y bujes.
Pasadores de aleación de alta resistencia con tratamientos superficiales (por ejemplo, nitruración) para resistencia al desgaste.
Compensaciones:
Las juntas universales más simples son robustas y fáciles de mantener, pero introducen ondulación del torque.
Las juntas estilo CV suavizan la rotación, pero pueden ser más complejas y sensibles a la calidad de la lubricación.
Problemas comunes:
Desgaste del pasador/buje que causa mayor juego e inestabilidad en la cara de la herramienta.
Fallas en los sellos que provocan pérdida de lubricante y una rápida degradación de las juntas.
Fatiga con una gravedad elevada de dogleg combinada con altas RPM y WOB.
Mejores prácticas:
Mantenga modestas las RPM de perforación deslizante; deje que el motor de fondo de pozo haga el trabajo mientras minimiza las RPM de la superficie.
Utilice datos de choque/vibración MWD en tiempo real para detectar condiciones de resonancia articular.
Inspeccionar las juntas entre tramos; reemplácelos según los umbrales de desgaste medidos para evitar fallas catastróficas.
Eje de transmisión
El eje de transmisión, a veces llamado eje impulsor, entrega torque y transporta cargas axiales y radiales desde el motor hasta la broca. Su integridad dicta en gran medida cuánto peso en la broca (WOB) puede aplicar sin comprometer los rodamientos ni los sellos.
Elementos centrales:
Paquete de cojinetes de empuje: consta de cojinetes de contacto angular apilados o almohadillas de empuje PDC para absorber cargas axiales de WOB y reacciones de la broca.
Cojinetes radiales: estabilizan el eje para minimizar el remolino y proteger los sellos.
Sellos mecánicos: mantienen el lubricante dentro y el fluido de perforación fuera; Puede utilizar pistones compensadores de presión para equilibrar el aceite interno con la presión hidrostática del lodo.
Porción de eje flexible: en algunos diseños, una sección flexible ayuda a desacoplar las tensiones de flexión.
Gestión de carga:
Las clasificaciones de carga axial deben exceder el WOB planificado por un margen (por ejemplo, 20 a 30 %) para adaptarse a los picos transitorios durante las pérdidas.
La capacidad de carga radial debe soportar las fuerzas laterales inducidas por la broca, particularmente con cortadores de PDC agresivos con patas de perro altas.
Lubricación:
Los módulos sellados y llenos de aceite reducen el desgaste; La viscosidad y los paquetes de aditivos deben adaptarse a la temperatura.
La exclusión de desechos mediante sellos laberínticos y colectores magnéticos mejora la vida útil en lodos con alto contenido de sólidos.
Escucha:
Conclusión
Un motor de fondo de pozo no es una mercancía: es un sistema sintonizado cuyo rendimiento se deriva de la geometría de la sección de potencia, la química de los elastómeros, los acoplamientos de eje, los cojinetes y la gestión inteligente de fluidos. Con la combinación correcta, los operadores pueden desbloquear una ROP más alta, un control direccional más preciso y menos viajes, lo que reduce el costo por pie y los días de perforación.
Los programas más eficaces tratan el motor de fondo de pozo como un producto de datos. Calibre curvas de par-velocidad, monitoree el diferencial de presión, registre paradas y eventos de impacto, e itere en la selección de elastómeros según la química del lodo y la temperatura del fondo del pozo. Combine estas prácticas con conjuntos de descarga robustos, ejes cardán duraderos y ejes de transmisión con clasificación adecuada y mejorará materialmente el metraje por recorrido y NPT.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué es un motor de fondo de pozo?
R: Un motor de fondo de pozo es un motor de desplazamiento positivo que se utiliza en el conjunto de fondo de pozo para convertir la energía del fluido de perforación en rotación mecánica en la broca. Permite una mayor ROP y control direccional.
P: ¿Cómo afecta el número de lóbulos al rendimiento?
R: Un mayor número de lóbulos generalmente proporciona más torque a menores RPM, lo cual es beneficioso en formaciones duras. Los recuentos de lóbulos más bajos proporcionan RPM más altas con un torque más bajo, mejor en formaciones más blandas.
P: ¿Por qué es importante el conjunto de descarga?
R: Previene el atrapamiento de presión y los daños por vacío cuando las bombas se detienen, protege los sellos y elastómeros y reduce el NPT durante las conexiones.
P: ¿Qué causa que el motor se cale?
R: Un WOB excesivo o un acoplamiento repentino de la broca pueden exceder el torque de pérdida. Operar demasiado cerca de la presión diferencial máxima aumenta el riesgo de pérdida.
P: ¿Cómo puedo extender la vida útil del motor?
R: Siga las ventanas de parámetros, seleccione el elastómero correcto para la temperatura y la química del lodo, monitoree el dP y el torque, y dé servicio a los cojinetes y juntas según lo programado.
P: ¿Cuáles son los modos de falla comunes?
R: fragmentación del estator, desgaste del rotor, desgaste del buje/pasador del cardán, fallas en el sello y degradación de los cojinetes debido a desechos o estrés térmico.
P: ¿Cuándo debo elegir un elastómero de alta temperatura?
R: Cuando las temperaturas estáticas o circulantes del fondo del pozo exceden aproximadamente 300 °F (150 °C) o cuando los lodos a base de aceite corren el riesgo de hincharse los elastómeros de nitrilo estándar.
P: ¿Se pueden utilizar motores de fondo de pozo con sistemas rotativos direccionales (RSS)?
R: Sí. El RSS motorizado combina un motor con una herramienta RSS para combinar una alta ROP con un excelente control de trayectoria, especialmente en laterales largos.
P: ¿Cómo puedo hacer coincidir un motor con mi broca?
R: Utilice las tablas de par-velocidad del proveedor y la agresividad de la broca para apuntar a una ventana operativa donde el par sea suficiente sin paradas frecuentes y las RPM se adapten a la durabilidad del cortador.
