Nueva Tecnología. Mecha a Laser (Parte II)
Las tensiones inducidas por el laser en la roca causadas por la distribución de temperatura viene dada en la siguiente ecuación:
La tensión es proporcional a la temperatura y el valor de dicha tensión viene dada por el aumento de la temperatura y el incremento del valor del módulo de Young, el coeficiente de expansión y el radio de Poisson. Esta tensión es absolutamente significativa en las rocas que poseen conductividad baja termal y una alta expansión termal. Las formas de fracturas cuando las tensiones del laser son inducidas por debajo de los alcances de la superficie de la fuerza crítica de la roca. Si las propiedades mecánicas y termofísicas de la roca quedan expuestas el haz del laser es factible, se pueden usar las ecuaciones dadas anteriormente para encontrar el flujo de haces necesario para generar la fractura de la roca. Aunque la técnica finita del elemento se debe utilizar para determinar la temperatura y las tensiones termales correspondientes para una roca que no es totalmente homogénea e isotrópica según lo asumido en el modelo del análisis de tensión termal simplificado de arriba, los resultados de dicho modelo de análisis proporcionan solamente las pautas para la selección de parámetros de proceso para la fracturación de la roca por laser.
Similares modelos a este has sido desarrollados para cada fenómeno físico basado en un método finito diferente, posteriormente se combinan dentro de un procedimiento numérico haciendo uso de un Método con Perfil Combinado de Interpolación Obligado y Procedimiento Unificado (CCUP), el cual actualmente está siendo propuesto para calcular los parámetros de fractura. Basado en CCUP sobre FDM se desarrollo una deformación simulada de los materiales, fragmentos, problemas multifase y problemas de interacción estructural de fluidos. Con este acercamiento, la temperatura y la distribución de las tensiones en rocas secas o mojadas expuestas a los haces del laser han sido calculadas. Los límites de la fractura y la eficiencia de la energía de remoción de la roca han sido determinadas por condiciones diferentes del laser. Los resultados del modelo proveen un mejor entendimiento del fenómeno de fractura de la roca por efecto del laser y más importante aún, las pautas para la selección de los parámetros de procesamiento para una rápida remoción de rocas.
Mecha Mecánica del Laser
La mecha mecánica del laser trabaja principalmente en la primera fractura de la roca usando un rayo laser. Se ha comprobado que las temperaturas inducidas por el laser debilitan la roca. Esto es debido al desarrollo de la fractura, la deshidratación mineral y la vaporización que resulta en un incremento del espacio poroso. Se sabe que al comparar la porción que no ha sido afectada por el laser, se presentan variaciones en el modelo de Youngs varía, en el módulo de esquileo, módulo de grano y módulos combinados de la roca que fueron reducidos.
Este roca debilitada es entonces perforado por técnicas de mechas mecánicas normales, así esta mecha alcanza tasa de eficiencia mayores.
Las características del laser pueden ser ajustadas desde superficie dependiendo de la información de registro y de las características de la formación.
Configuraciones de la Entrega de Haz o Rayo
Las configuraciones de la entrega del haz se refiere a la transferencia del procedimiento del laser de alta energía en el pozo. En varias maquinas laser, el método más común es usando espejos.
Sin embargo debido a la naturaleza frágil de los espejos ellos no pueden ser usados para la perforación. Dos configuraciones de rayos de entrega factibles son:
1.XXEnsamblaje de Superficie
Está configuración consiste en un aparato de producción de laser en superficie. El laser produce haces los cuales se transfieren hoyo abajo usando cables de fibra óptica usados ampliamente en varias máquinas industriales a laser. Aunque este ensamblaje suena relativamente sencillo, la transferencia de los rayos por la fibra óptica podría provocar un problema debido a las largas profundidades que recorre para alcanzar la profundidad de perforación. Sin embargo en aplicaciones como cables con cámaras ópticas en el fondo del pozo han sido tratadas y evaluadas.
Después de la transferencia de los rayos desde superficie a través del cable, el haz es alimentado dentro del cabezal del laser el cual está ubicado como una parte integral de la mecha mecánica usada comúnmente. (Ver Figura 1).
Figura 1: Mecha Mecánica Rotatoria Tricónica con Laser,
usando Sistema de Entrega de Fibra Óptica
2.XXEnsamblaje de Fondo
Algunos láseres como el Laser de Diodo Directo son lo suficientemente compactos como para poder bajar el mecanismo completo al fondo del pozo. Los requerimientos básicos para el funcionamiento del laser es suplir electricidad al tubo del laser. Este suplemento eléctrico puede ser producido usando un motor de fondo. Estos motores son ampliamente usados en aplicaciones geológicas y en perforaciones direccionales. En la mayoría de los tipos de láseres el tubo es un lugar donde varias formas de energía son usadas para producir fotones. En este tubo los haces medios son sacados emitiendo fotones, los cuales son transferidos al cabezal y desde ahí enfocados a la roca. (Ver Figura 2)
Figura 2: Mecha Compuesta Mecánica con Laser
El cabezal del laser es la etapa final del sistema de producción de laser, es básicamente una toma de corriente para el rayo laser a la roca.
Consiste en unos lentes convergentes o divergentes que ajustan las propiedades del haz o rayo. Estos lentes ayudan a controlar la potencia, el área de exposición (diámetro del rayo) y la distancia del foco del rayo desde la mecha a la formación.
Como parte integral de cualquier cabezal del laser de perforación, una tubería de succión siempre está presente. Esta tubería o conducto limpia las partículas que salen del área de perforación. Estas partículas si no son limpiadas pueden obstruir los lentes del laser reduciendo la eficiencia del mismo.
El diseño de las mechas mecánicas usadas actualmente, debe ser modificado para que el cabezal del laser encaje perfectamente en la mecha. Se debe tomar mucho cuidado durante el diseño del cabezal del laser, ya que debe quedar perfectamente alineado con la abertura del centro de la mecha, para que el rayo no encuentre ninguna obstrucción.
El cabezal del laser puede ser efectivamente incluido en ambas rotaciones (Mecha tricónica) y otros tipos de mecha (Mechas PDC, de Diamantes Integrados, Híbridas y de Diamantes Naturales). Por eso, dando un amplio rango de combinaciones y dependiendo del entorno de perforación y formación pueden ser encontradas. (Ver Figura 3)
Figura 3: Mecha Mecánica Rotatoria Tricónica con Laser,
usando Sistema de Entrega con Ensamblaje de Fondo
Unos pocos equipos adicionales tendrían que ser añadidos para un rendimiento óptimo de la mecha mecánica con laser, estos incluyen:
1.XXLentes Enfocantes y Desenfocantes
Estos son unos lentes adicionales que pueden ser usados con la finalidad de ajustar el rayo laser. El lente enfocante converge el rayo, reduciendo el diámetro de rayo, donde el lente desenfocante dispersa el rayo activando efectivamente un diámetro de rayo más largo.
2.XXObturador
Este es muy similar a los obturadores que se encuentran en las cámaras. Esta hecho de un metal resistente preferiblemente de la misma composición que el de la mecha y se encuentra localizado en la base de la mecha actuando como un portal o ventana. El propósito principal de proporcionar un obturador es proteger el laser cuando este no está en uso durante una operación como los viajes de tuberías. Esto previene que entren al cabezal del laser desechos y fluidos, así como también bajas de presiones.
3.XXCables al Fondo del Hoyo
Estos son necesarios para diversas operaciones como el control del laser, suministro de potencia y para obtener información de vuelta.
4.XXMicro Procesadores/Computadoras
Las propiedades de funcionamiento del laser como la frecuencia del disparo del laser, la intensidad, etc. pueden ser controladas por una pre-programación de los microprocesadores o a través de computadoras en la superficie.
Ventajas de la Mecha Mecánica con Laser
- Mayor tasa de penetración.
- Menor desgaste de la mecha, por lo tanto mayor prolongación de la vida útil de la mecha.
- Reducción de la cantidad de viajes de entrada y salida del hoyo.
- Aplicación satisfactoria en todos los tipos de operaciones de perforación (Horizontal, Vertical y Direccional)
- El mismo aparato de producción del laser puede ser reusado para perforar un cierto número de pozos.
Conclusiones
El uso de láseres para la perforación fue un campo donde no muchos se aventuraron, esto sucedió porque la mayoría de las personas discrepaban y tenían puntos de vistas contradictorios hacia la perforación a laser basado en estudios limitados de laboratorio y experimentos llevados a cabo hace 30 años, cuando los láseres estaban en su infancia. Los láseres usados en esos periodos tenían muy poco poder, eran difíciles de enfocar, incapaces de transmitir poder sobre largas distancias, no eran portátiles y eran muy inseguros. Sin embargo con la llegada del desarrollo de nuevas tecnologías en el campo del laser muchos de los problemas mencionados anteriormente se han detenido.
Recientes estudios han probado que el fracturamiento por laser es el más eficiente comparado con otras técnicas de remoción de rocas. Modelos detallados están además disponibles para dar parámetros precisos con relación al fracturamiento por laser.
Hasta que los láseres compactos y muy potentes encajen dentro del fondo del hoyo y sean capaces de evaporizar rocas y además puedan ser comercialmente manufacturados, una mecha mecánica con laser solo será una técnica alternativa efectiva de explotación de meritos del fracturamiento con laser para dar un mecanismo óptimo de perforación. Sin embargo como en todo nuevo concepto un estudio inicial de factibilidad es muy primordial.
Recomendaciones
- Se debería realizar un estudio profundo de los tecnicismos del sistema de distribución de servicios.
- Los láseres candidatos deberían estar en una lista más corta.
- Debe hacerse una evaluación inicial de costos en las modificaciones de la tubería de perforación. Desde que el 20% del tiempo de plataforma es gastado en operaciones de viajes y un 50% del tiempo es gastado en investigaciones intensas de profundidad, es lógico que la rapidez de la tasa de penetración y el menor uso de la mecha reduzcan los costos. Sin embargo el alto costo de factibilidad inicial seria compensado por el costo ahorrado del uso de plataforma.
- Debe hacerse un estudio de los efectos de vibración en los cables de fibra óptica y un análisis de riesgo en caso de fallas del cable óptico.
- Un problema puede ocurrir con el lodo de perforación deshidratado, este se puede convertir en polvo debido al gran calor generado por el laser. Debe usarse un fluido de perforación transparente como solución. Otra solución puede ser usar gases inertes como el nitrógeno como fluido de perforación.
Referencias:
- Paper “Lasers: The Next Bit” SPE – 104223.
