Medición durante la perforación (MWD)

Medición durante la perforación (MWD) Descripción general

Los métodos de telemetría tenían dificultades para hacer frente a grandes volúmenes de datos de fondo de pozo, por lo que la definición de MWD se amplió para incluir datos que se almacenaban en la memoria de la herramienta y se recuperaban cuando la herramienta regresaba a la superficie. Todos los sistemas MWD suelen tener tres subcomponentes principales:

• Sistema de energía
• Sistema de telemetría
• Sensor direccional

Sistemas de energía

Los sistemas de energía en MWD generalmente se pueden clasificar en uno de dos tipos: batería o turbina. Ambos tipos de sistemas de energía tienen ventajas y desventajas inherentes. En muchos sistemas MWD, se utiliza una combinación de estos dos tipos de sistemas de energía para proporcionar energía a la herramienta MWD, de modo que la energía no se interrumpa durante condiciones de flujo de fluido de perforación-intermitente. Las baterías pueden proporcionar esta energía independientemente de la circulación del fluido-de perforación, y son necesarias si se producirá registro durante el ingreso o salida del pozo.

Sistemas de baterías

Las baterías de litio-cloruro de tionilo se utilizan comúnmente en sistemas MWD debido a su excelente combinación de alta-densidad de energía y rendimiento superior a temperaturas de servicio MWD. Proporcionan una fuente de voltaje estable hasta casi el final de su vida útil y no requieren componentes electrónicos complejos para acondicionar el suministro. Sin embargo, estas baterías tienen una producción de energía instantánea limitada y pueden no ser adecuadas para aplicaciones que requieren un alto consumo de corriente. Aunque estas baterías son seguras a temperaturas más bajas, si se calientan a más de 180 grados, pueden sufrir una reacción violenta y acelerada y explotar con una fuerza significativa. Como resultado, existen restricciones sobre el envío de baterías de litio-cloruro de tionilo en aviones de pasajeros. Aunque estas baterías son muy eficientes durante su vida útil, no son recargables y su eliminación está sujeta a estrictas normas medioambientales.

Sistemas de turbinas

La segunda fuente de generación de energía abundante, la energía de las turbinas, utiliza el flujo de fluido de perforación-de la plataforma. La fuerza de rotación es transmitida por el rotor de una turbina a un alternador a través de un eje común, generando una corriente alterna (CA) trifásica de frecuencia variable. Los circuitos electrónicos rectifican la CA en corriente continua utilizable (CC). Los rotores de turbina para este equipo deben aceptar una amplia gama de caudales para adaptarse a todas las condiciones posibles de bombeo de lodo-. De manera similar, los rotores deben ser capaces de tolerar una cantidad considerable de desechos y material de pérdida de circulación (LCM) arrastrados en el fluido de perforación.

Sistemas de telemetría

La telemetría de pulsos de lodo-es el método estándar en los sistemas comerciales MWD y de registro durante la perforación (LWD). Los sistemas acústicos que se transmiten hacia arriba por la tubería de perforación sufren una atenuación de aproximadamente 150 dB por 1000 m en el fluido de perforación.^[1]Se han hecho varios intentos de construir una tubería de perforación especial con un cableado integral. Aunque ofrece velocidades de datos excepcionalmente altas, el método de telemetría integral requiere:

• Tubería de perforación especial costosa
• Manejo especial
• Cientos de conexiones eléctricas que deben seguir siendo fiables en condiciones difíciles

La explosión de mediciones en el fondo de pozo ha estimulado nuevos trabajos en esta área,^[2]y se han demostrado velocidades de datos superiores a 2.000.000 de bits/segundo.

La transmisión electromagnética de baja-frecuencia tiene un uso comercial limitado en sistemas MWD y LWD. A veces se utiliza cuando se utiliza aire o espuma como fluido de perforación. La profundidad desde la que se puede transmitir la telemetría electromagnética está limitada por la conductividad y el espesor de las formaciones suprayacentes. Los repetidores o amplificadores de señal colocados en la sarta de perforación amplían la profundidad desde la cual los sistemas electromagnéticos pueden transmitir de manera confiable.

Hay tres sistemas de telemetría de pulso-de lodo disponibles: sistemas de pulso-positivo, de pulso-negativo y de onda-continua. Estos sistemas reciben su nombre por la forma en que sus pulsos se propagan en el volumen de lodo. Los sistemas de pulso-negativo crean un pulso de presión inferior al del volumen de lodo al ventilar una pequeña cantidad de lodo de columna de perforación de alta-presión desde la tubería de perforación hasta el espacio anular. Los sistemas-de pulso positivo crean una restricción momentánea del flujo (presión más alta que el volumen-de lodo de perforación) en la tubería de perforación. Los sistemas de ondas-continuas crean una frecuencia portadora que se transmite a través del lodo y codifican datos utilizando los cambios de fase de la portadora. Se utilizan muchos sistemas de codificación de datos- diferentes, que a menudo están diseñados para optimizar la vida útil y la confiabilidad del pulsador, porque debe sobrevivir al contacto directo con el flujo de lodo abrasivo y de alta-presión.

La detección de señales de telemetría-se realiza mediante uno o más transductores ubicados en el tubo vertical del equipo. Los datos se extraen de las señales mediante equipos informáticos de superficie alojados en una unidad deslizante o en el piso de perforación. La decodificación exitosa de datos depende en gran medida de la relación señal-a-ruido.

Existe una estrecha correlación entre el tamaño de la señal y la velocidad de datos de telemetría; cuanto mayor sea la velocidad de datos, menor será el tamaño del pulso. La mayoría de los sistemas modernos tienen la capacidad de reprogramar los parámetros de telemetría de la herramienta y reducir la velocidad de transmisión de datos-sin salirse del agujero; sin embargo, reducir la velocidad de datos afecta negativamente a la densidad de datos de registro-.

Ruido de señal

Las fuentes más notables de ruido de señal son las bombas de lodo, que a menudo crean un ruido de frecuencia relativamente alta-. La interferencia entre las frecuencias de las bombas produce armónicos, pero estos ruidos de fondo se pueden filtrar con técnicas analógicas. Los sensores de velocidad de la bomba-pueden ser un método muy eficaz para identificar y eliminar el ruido de la bomba de la señal de telemetría sin procesar. Los motores de perforación suelen generar ruidos de menor-frecuencia en el volumen de lodo. La profundidad del pozo y el tipo de lodo también afectan la amplitud y el ancho de la señal-recibida. En general, los lodos a base de petróleo-(OBM) y los lodos a base de pseudo-aceite-son más comprimibles que los lodos a base de agua-; por lo tanto, provocan las mayores pérdidas de señal. Sin embargo, se han recuperado señales sin problemas importantes desde profundidades de casi 9.144 m (30.000 pies) en fluidos compresibles.

Sensores direccionales

Lo último en tecnología de sensores-direccionales es un conjunto de tres magnetómetros de compuerta de flujo ortogonales y tres acelerómetros. Aunque en circunstancias normales los sensores direccionales estándar proporcionan estudios aceptables, cualquier aplicación en la que exista incertidumbre en la ubicación del fondo del pozo puede resultar problemática. Las tendencias recientes de perforar pozos más largos y complejos centraron la atención en la necesidad de un modelo de error estándar.

El trabajo realizado por el Comité Directivo de la Industria sobre Precisión del Pozo (ISCWA) tuvo como objetivo proporcionar un método estándar para cuantificar las incertidumbres posicionales con niveles de confianza asociados. Las principales fuentes de error se clasificaron:

• Errores de sensores
• Interferencia magnética del BHA
• Desalineación de herramientas
• Incertidumbre del campo magnético-

Junto con las incertidumbres en la profundidad medida, las incertidumbres del estudio de fondo de pozo contribuyen a los errores en la profundidad absoluta. Tenga en cuenta que todos los métodos de corrección del azimut en tiempo real-requieren que se transmitan datos sin procesar a la superficie, lo que impone una carga en el canal de telemetría.

El desarrollo del giroscopio-MWD navegable ofrece importantes beneficios sobre los sensores de navegación existentes. Además de una mayor precisión, los giroscopios no son susceptibles a la interferencia de campos magnéticos. La tecnología giroscópica actual se centra en incorporar robustez mecánica, minimizar el diámetro externo y superar la sensibilidad a la temperatura. La principal aplicación de la tecnología es ahorrar el tiempo de instalación utilizado por los giroscopios cableados al realizar despegues desde áreas afectadas por interferencias magnéticas.

Entorno operativo de la herramienta y confiabilidad de la herramienta

Los sistemas MWD se utilizan en los entornos operativos más hostiles. Condiciones obvias como alta presión y temperatura son muy familiares para los ingenieros y diseñadores. La industria de la telefonía fija tiene una larga historia de superación exitosa de estas condiciones.

Temperatura

La mayoría de las herramientas MWD pueden funcionar continuamente a temperaturas de hasta 150 grados, con algunos sensores disponibles con clasificaciones de hasta 175 grados. Las temperaturas de las herramientas MWD-pueden ser 20 grados más bajas que las temperaturas de formación medidas con registros cableados, debido al efecto de enfriamiento de la circulación del lodo, por lo que las temperaturas más altas encontradas por las herramientas MWD son aquellas medidas mientras se ejecuta en un pozo en el que el volumen de fluido-de perforación no ha circulado durante un período prolongado. En tales casos, es aconsejable interrumpir la circulación periódicamente mientras se corre en el pozo. El uso de un matraz Dewar para proteger los sensores y los componentes electrónicos de las altas temperaturas es común en el cableado, donde los tiempos de exposición en el fondo del pozo suelen ser cortos, pero el uso de matraces para proteger la temperatura no es práctico en MWD debido a los largos tiempos de exposición a las altas temperaturas que deben soportarse.

Presión

La presión de fondo de pozo es un problema menor que la temperatura para los sistemas MWD. La mayoría de las herramientas están diseñadas para soportar hasta 20 000 psi, y las herramientas especializadas tienen una capacidad de 25 000 psi. La combinación de presión hidrostática y contrapresión del sistema rara vez se acerca a este límite.

Impactos y vibraciones en el fondo del pozo

Los impactos y vibraciones en el fondo del pozo presentan a los sistemas MWD sus desafíos más severos. Contrariamente a lo esperado, las primeras pruebas que utilizaron sistemas instrumentados de fondo de pozo mostraron que las magnitudes de los impactos laterales (de lado-a-lado) son dramáticamente mayores que los impactos axiales durante la perforación normal. Las herramientas MWD modernas generalmente están diseñadas para soportar impactos de aproximadamente 500 G durante 0,5 ms durante una vida útil de 100.000 ciclos. El choque de torsión, producido por aceleraciones de torsión de adherencia/deslizamiento, también puede ser significativo. Si se someten a golpes o deslizamientos repetidos, se puede esperar que las herramientas fallen.

Estadísticas de confiabilidad de herramientas

Los primeros trabajos realizados para estandarizar la medición y los informes de las estadísticas de confiabilidad de la herramienta MWD-se centraron en definir una falla y dividir el número total de horas de circulación exitosas por el número total de fallas. Este trabajo dio como resultado un número de-tiempo medio-entre-fallos (MTBF). Si los datos se acumularan durante un período estadísticamente significativo (normalmente 2000 horas), se podrían derivar tendencias de análisis de fallos-significativas. Sin embargo, a medida que las herramientas de fondo de pozo se volvieron más complejas, la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) publicó recomendaciones sobre la adquisición y el cálculo de estadísticas MTBF.

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