Nueva Tecnología. Mecha de Laser (Parte I)

Resumen

Desde principios del Siglo XX, la perforación rotatoria ha revolucionado el procedimiento de extracción del crudo, reemplazando los métodos convencionales como la perforación a percusión o perforación por cable. Sin embargo con el advenimiento de las nuevas tecnologías, es el momento de mirar hacia alternativas futuras: Métodos de perforación más eficientes.

Este documento actúa como observador de la factibilidad del uso de la perforación a laser sobre las técnicas de perforación moderna actual.

El diseño y la operación de la nueva mecha con mecanismo a laser es presentado a través de este documento. Está mecha innovadora muestra la probabilidad de reducir el tiempo de armado e incrementar la eficiencia en la perforación.

Los posibles cambios a ser efectuados hoy en día a la tubería de perforación debidos a la incorporación de esta nueva mecha, son incluidos en este documento. Así mismo cuenta con un análisis de las posibles ventajas y desventajas que posee el uso de está mecha.

Introducción

La perforación rotatoria ha sido ampliamente usada para la extracción en la mayoría de los campos petrolíferos en varias partes del mundo por más de un siglo. Durante este período muchas técnicas de perforación alternativas han sido sugeridas, en función de la reducción del tiempo y el incremento de la eficiencia de la perforación. Estás técnicas incluyen el uso de tecnología de hoyo con herramientas conocidas comúnmente como nuevos dispositivos. Está categoría de nuevos dispositivos incluye: Inyectores de Agua, Haz de Electrones, Inyectores de Cavitación, Arcos Eléctricos, Plasmas y Láseres, por nombrar algunos. En comparación con los anteriormente mencionados, la perforación a laser ha demostrado tener un alto potencial para ser la herramienta futurística de avanzada que reemplazará al sistema de perforación rotatoria convencional.

LASER básicamente es un anacrónico para Ampliación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El laser es fundamentalmente un dispositivo el cual convierte la energía en una forma de haces radioactivos electromagnéticos (fotones). Estos fotones son principalmente producidos debido a la regresión de los átomos a su más bajo estado de energía después de su excitación a los más altos niveles. Cuando esto sucede un fotón es liberado. Está alta energía conforme con la luz radioactiva pueden ser enfocadas para formar un haz potente de alta intensidad, el cual puede ser empleado para fragmentar la roca, fundirla o evaporarla, dependiendo de la potencia de entrada, del tipo de laser, del ajuste focal y de las características de interacción del laser con el tipo de roca particular presente. Los otros parámetros del laser incluyen: el método de descarga (pulsado o continúo), la longitud de onda, el tiempo de exposición, la amplitud del pulso, la tasa de repetición, la potencia media y sus picos. Estos parámetros determinan la transferencia de energía efectiva a la roca.

Los láseres son actualmente empleados como una herramienta de potencia con resultados efectivos, en varios campos como lo son: el médico, el metalúrgico y aplicaciones militares. Los láseres hoy en día son ampliamente usados para cortes con precisión y soldadura de metales, cerámicas y otros materiales.

Perforación a Laser

La mayoría de las investigaciones en el campo de la perforación a laser están enfocadas únicamente al uso del laser para evaporar la roca. Estos métodos son propuestos para tener varias ventajas sobre la implementación de técnicas de perforación rotatoria, las cuales incluyen:

1. Incremento de la Tasa de Penetración (ROP). La perforación a laser muestra el potencial de tener un ROP que representa ser más de 100 veces los ROP presentes.
2. Equipar de revestidores temporales.
3. Reducción del tiempo de viaje y un incremento de la vida útil de la mecha.
4. El laser depende de los parámetros como: el peso de la mecha, la tasa de circulación del lodo, la velocidad de rotación y el diseño de la mecha.
5. Perforaciones exactas y precisas, ya que la mecha viaja sin problemas para mantener una línea recta a lo largo del trayecto.
6. Proporcionar mayor control, la perforando y con capacidad de seguimiento lateral.
7. Diámetro de hoyo único.
8. El logro de estos avances, siendo atractivos ambientalmente y ofreciendo tecnología rentable y segura.

Tipos de Láseres

Diferentes tipos de láseres están disponibles y son clasificados según las bases de las fuentes de producción como son: Láseres de Gas, Láseres de Tinta, Láseres de Vapor de Metales, Láseres de Estado Sólido, Láseres Semi Conductores, Láseres Libres de Electrones, Láseres con Bomba Nuclear. Sin embargo en este momento solo unos pocos láseres han sido considerados, únicamente una lista corta de estos está disponible para perforación de rocas. Estos incluyen:

1. Laser de Fluoruro de Deuterio (FD) y Laser de Fluoruro de Hidrógeno (FH)
2. Laser Libre de Electrones.
3. Laser Químico de Oxigeno - Iodo.
4. Laser de Dióxido de Carbono.
5. Laser de Monóxido de Carbono.
6. Laser de Neodimio: Itrio Aluminio Granate (Nd:YAG)
7. Laser excímero de Fluoruro de Kriptonita (KrF)
8. Laser Químico de Avanzada Mid-Infrare (MIRACL)
9. Laser de Diodo Directo.

El principal problema encontrado en el escenario actual que impide la venta comercial de los láseres para perforación, es el tamaño de los láseres de alta potencia.

Los láseres compactos con suficiente potencia para evaporar la masa de roca entera pueden ser comercialmente fabricados, como por ejemplo, una mecha mecánica con laser puede ser usada.

Teoría

La energía específica es empleada para predecir el desempeño y los requerimientos de potencia cuando los láseres son solo usados como un dispositivo removedor de roca.

La energía específica E, está definida como la cantidad de energía requerida para remover una unidad de volumen de roca. Está es calculada como:

La energía específica puede ser calculada con pruebas de laboratorio o con pruebas de campo, a partir de la tasa de perforación R de un sistema, así pues se tiene que R puede ser calculado como:

Sin embargo, cuando los láseres son usados en tándem con cada término, se define la Energía Específica Kerfing.

Cuando un sistema de laser mecánico es empleado, la tasa queda como:

Donde,

En un sistema de laser mecánico, el laser es usado primariamente sin ocasionar esfuerzos a la roca, esto facilita la perforación mecánica a través de la corteza. En mecánica de perforación el no soporte de la roca puede ser reducido a EM de la roca a más de la mitad y adicionalmente incrementar la tasa de perforación.

Sin embargo, se detecto que la energía específica calculada para un dispositivo puede ser la misma y por lo tanto no puede ser usada para diferenciarlas en situaciones diferentes de Kerfing, es decir una profundidad estrecha kerf y una amplia pero somera kerf. Por lo tanto, se usa el término de Energía Específica de Kerfing (EEK). Está es definida como la potencia por una profundidad de kerf multiplicada por la velocidad del mecanismo de corte que atraviesa la estructura rocosa, está viene dada por:

Una comparación de la energía específica usando diferentes métodos de perforación y diferentes tipos de láseres está dada en la Tabla 1 y Tabla 2. Un rango de la Energía Específica de Kerfing necesaria, está mostrada en la Tabla 3.

Tabla 1: Energía Específica para diferentes Métodos de Perforación.

* Base de la Fuerza Aérea Wright – Patterson, Ohio, USA.
** Instituto de Radiofísica Lebedev, Moscú, Rusia.
Tabla 2: Energía Específica con Laser para la Arenisca Berrea

Tabla 3: Energía Específica de Kerfing para diferentes Métodos de Perforación

Hay cuatro mecanismos básicos de remoción o desintegración de la roca, estos son:

1. Fusión y Vaporización, el cual toma lugar cuando la roca está sujeta a temperaturas por encima de su punto de fusión.
2. Fractura Térmica, la cual ocurre debido al calentamiento de la superficie de la roca producido por una alta cantidad de tensiones, la cual excede la fuerza de la roca.
3. Fractura Mecánica, el cual es causado mecánicamente por la perforación de la roca.
4. Reacciones Químicas, este ocurre cuando los químicos disuelven la roca.

Fractura

Los láseres de alta potencia pueden debilitar, fracturar, fundir y vaporizar la roca, siendo la fractura termal el mecanismo de mayor eficiencia energética de remoción de la roca. La fracturación a laser es un proceso de remoción de la roca que usa un laser termal que induce tensiones para fracturar la roca en pequeños fragmentos antes de fundirla. Cuando la energía de un laser de alta intensidad está enfocada en una roca que posee una conductividad termal baja, produce un incremento instantáneo de la temperatura de la roca. Esto resulta en una tensión termal local que fractura la roca. Ensayos previos muestran que el laser de fracturación de roca es el que más cantidad de energía eficiente posee, al compararlos con los demás láseres con mecanismos de remoción de la roca, y adicionalmente tienen una tasa alta de remoción de ripios cuando se compara con la perforación rotatoria convencional y la fracturación por inyección de flama.

El trabajo ha demostrado que la radiación del laser a la roca causa una disminución significativa de la fuerza mecánica de la roca debido a un aumento en la micro rajas de la estructura, resultando en un campo de tensión extensible por el flujo del calor. Los láseres convencionales con niveles de descarga eléctricos de kilowatt de CO2 son exitosamente usados para debilitar la roca por un haz enfocado o por cortes en la roca con un haz de energía más intenso.

Investigaciones han demostrado que los láseres actuales son más eficientes para fracturar, fundir o vaporizar cualquier litología que pueda ser encontrada en un pozo dado. Recientemente, los láseres con kilowatt de CO2 y los láseres de pulso Nd:YAG fueron usados para la evaluación con mejores parámetros de controles de procesos. La energía específica, que es la requerida para remover una unidad de volumen de roca, fue medida en diferentes litologías y demostró tener unos valores teóricos calculados excelentes. Láseres diferentes con mecanismos de interacción que van desde la vaporización, fundición y fractura fueron examinados y resultó que la densidad de potencia del laser constantemente se redujo a lo largo de la pista del laser. Esto demuestra que la fracturación de la roca causada por las tensiones termales inducidas por el laser es el mecanismo más eficiente.

Referencias:

• Paper “Lasers: The Next Bit” SPE – 104223.