Anatomía de un MWD

🎧 TEMPORADA 1 | EPISODIO 1: ANATOMÍA DE UN MWD

Ken:
Hola, soy Ken Miller y estás escuchando el Podcast de Nuevas Tecnologías de Erdos Miller: donde pasamos nuestro tiempo no productivo hablando de todo lo relacionado con la tecnología de perforación. Este podcast es para cualquier persona interesada en aprender sobre nuevas tecnologías y explorar más a fondo las herramientas de perforación de alta tecnología que usamos todos los días.

Mi invitado de hoy es David Erdos, ingeniero asistente en Erdos Miller. David trabaja todos los días para entregar electrónica de fondo de pozo que transforma los negocios de nuestros clientes. David, ¿cómo estás hoy?

David:
Bien, ¿y tú?

Ken:
Estoy bien. Hoy hablaremos sobre la anatomía de una herramienta MWD. Aquí tengo que los componentes básicos son: un pulser, un sensor gamma, un sensor direccional, MPU y baterías. ¿Es una lista precisa?

David:
Principalmente son los componentes electrónicos de fondo de pozo. También hay un receptor en superficie y muchos componentes mecánicos que hacen que todo funcione.

Ken:
Bueno, vamos uno por uno. ¿Qué es un pulser? ¿Qué hace?

David:
Bueno, en una herramienta MWD de pulsos de lodo, el pulser es la válvula que abre y cierra para restringir el flujo que baja por la tubería de perforación. Eso es lo que permite que la herramienta MWD codifique la telemetría en la presión del lodo, la cual luego es decodificada en superficie. En esencia, el pulser es solo una válvula sofisticada que abre y cierra en el fondo del pozo.

Ken:
¿Y qué pasa cuando esa válvula se cierra?

David:
Cuando la válvula se cierra, la presión que se está bombeando desde la superficie hacia el centro de la tubería de perforación se restringe, causando un pico de presión que viaja desde el fondo del pozo hasta la superficie, donde es medido por un transductor de presión en la tubería.

Ken:
¿Y qué tan rápido viaja eso?

David:
Viaja esencialmente a la velocidad del sonido en el agua, que creo que es alrededor de cuatro veces más rápida que en el aire.

Ken:
Genial. Entonces dijiste que eso es para sistemas de pulsos de lodo. ¿Otros sistemas como los electromagnéticos transmiten de forma diferente?

David:
Un sistema electromagnético, en lugar de un pulser, tiene un transmisor electromagnético que envía una señal directamente a la formación, la cual luego puede ser medida en superficie con varillas metálicas que se clavan en el suelo.

Ken:
¿Eso convierte la sarta de perforación en una especie de antena gigante?

David:
Exactamente. Hay un gap sub, que es una separación eléctrica que debe instalarse en un sistema electromagnético. El transmisor electromagnético coloca una mitad de la señal en la tubería por encima del gap y la otra mitad por debajo, creando un dipolo deficiente.

Ken:
¿Y dices deficiente porque no es tan bonito como una antena de TV o porque no está diseñada específicamente para transmitir?

David:
Correcto. Hay muchas limitaciones en cómo se hace y típicamente un dipolo tiene longitudes iguales a ambos lados. En un sistema MWD EM, la sección superior es mucho más larga que la inferior, lo cual limita su efectividad.

Ken:
Ok. Entonces, ya sea que tengamos un sistema EM o de pulsos de lodo, podemos llamar a estos componentes transmisores, ¿verdad? Y su trabajo es básicamente enviar los datos a la superficie.

David:
Exactamente.

Ken:
Bien. Hablemos ahora del sensor gamma. ¿Qué es un sensor gamma?

David:
Un sensor gamma, como dice el nombre, mide radiación gamma. Muchas veces se utiliza la radiación gamma natural para ayudar a los geólogos y perforadores a determinar en qué formación están, basándose en la firma que se recibe en superficie. En muchas formaciones conocidas ya se tiene un registro gamma esperado de cada capa de roca, y se trata de correlacionar los datos gamma que se obtienen para asegurarse de que están en la trayectoria correcta hacia la formación objetivo.

Ken:
Muy bien, pero ¿qué es una partícula gamma?

David:
Una partícula gamma es una partícula que se emite espontáneamente desde material radiactivo. Hay otros tipos de radiación también: alfa y beta.

Ken:
¿Me estás diciendo que el suelo es radiactivo? ¿Que las rocas que estamos perforando son radiactivas?

David:
Sí. La mayoría de las rocas, claro, dependiendo del contenido de elementos radiactivos, tienen una firma de radiación. Potasio, cesio, uranio, se pueden encontrar en muchas formaciones del subsuelo, aunque en cantidades muy pequeñas.

Ken:
¿Entonces debería estar usando un chaleco de plomo cuando estamos perforando?

David:
No. La cantidad de radiación que emiten estas rocas no es mucho más de lo que normalmente recibes caminando por ahí. Mucha gente no lo sabe, pero hay radiación de fondo constante proveniente del espacio. La mayoría es bloqueada por la ionosfera, pero también proviene de las rocas y elementos a nuestro alrededor. No es nada de qué preocuparse, completamente inofensivo.

Ken:
Ok, entonces como dijiste, un sensor gamma es exactamente eso, y nos permite saber en qué formación estamos perforando. Entonces, cuéntame sobre el sensor direccional. ¿Para qué sirve?

David:
Podemos tomar un paso atrás y pensar en cuál es el propósito de perforar: hacer un pozo hacia una reserva de petróleo. Para llegar, necesitas saber hacia dónde vas y dónde estás ahora. El sensor direccional le dice a los perforadores hacia dónde está apuntando la herramienta, y con esa orientación y la cantidad de tubería que han bajado, pueden navegar con esa información.

El sensor direccional tiene acelerómetros y magnetómetros que miden el vector de gravedad y el campo magnético alrededor de la herramienta.

Ken:
¿Y qué mediciones específicas obtengo de ese sensor?

David:
Las principales mediciones que interesan a los perforadores son la inclinación y el acimut. Y también, si es un pozo direccional, querrán saber el toolface, que es la orientación de la herramienta, necesaria principalmente para perforar la curva.

Ken:
¿Ok, qué es inclinación, acimut y toolface?

David:
La inclinación es cuán vertical estás. Si la herramienta está perfectamente vertical, la inclinación será 0; si está horizontal, marcará 90 grados; si apunta hacia arriba, 180.

Ken:
¿Y acimut?

David:
El acimut es la dirección de tu brújula. Norte es 0 o 360, sur es 180, y así.

Ken:
¿Y toolface?

David:
Toolface es el lado alto de la herramienta. Por ejemplo, si tienes un motor con una curvatura, el toolface te dice el ángulo de giro del motor. Es como si tuvieras un palo con una línea dibujada y lo giras, esa línea representa el 0 de referencia del toolface.

Ken:
Estoy casi seguro de que he descargado aplicaciones en mi iPhone que pueden dar muchas de estas mismas mediciones, ¿cierto?

David:
Correcto. Tu iPhone tiene acelerómetros, magnetómetros, giroscopios, sensores de presión... El iPhone tiene muchas de las mismas capacidades de medición que un MWD moderno.

Ken:
Entonces, ¿por qué no simplemente bajamos un iPhone al pozo y perforamos con eso?

David:
Ojalá se pudiera, pero sus sensores no son tan precisos como los de un MWD. Los acelerómetros y magnetómetros no son tan exactos, no tienen el tamaño adecuado para encajar en una herramienta MWD y no sobrevivirían las temperaturas extremas, ni los golpes ni la vibración a los que se someten en fondo de pozo.

Ken:
¿Y cuando dices temperaturas extremas y golpes, danos una idea de qué significa eso?

David:
Las temperaturas pueden alcanzar los 350°F, que son aproximadamente 175°C en perforación terrestre en EE. UU., y en algunas regiones o en offshore pueden superar los 400°F o 200°C. Y los golpes y vibraciones... Es difícil imaginar qué tan fuertes son 20 Gs. 1 G es la fuerza de gravedad, entonces 20 Gs es como aplicar 20 veces la gravedad constantemente. Hay eventos de choque que pueden superar los cientos de Gs.

Ken:
Me gusta lo de 350°F, porque es una buena analogía. Si meto mi iPhone al horno de casa y lo pongo a 350, se va a derretir. Así que no hay forma de que eso funcione.

David:
Exactamente. Las baterías explotarían.

Ken:
Sí. Pero si meto una herramienta MWD al horno de casa —si cupiera— estaría bien, ¿verdad?

David:
Correcto. Y seguiría dando datos precisos todo el tiempo.

Ken:
Bien, entonces hablemos del MPU. ¿Qué es?

David:
El MPU es básicamente el cerebro de toda la herramienta MWD. Es el que gestiona cuándo se adquieren los datos de los sensores direccionales, monitorea el sensor gamma, controla el pulser. El MPU toma los datos de todos estos sensores, los codifica y los envía al pulser para que se transmitan a superficie y se decodifiquen allá.

Ken:
Entonces es el cerebro que organiza todo lo que se mide y lo prepara para transmitirlo a superficie.

David:
Así es.

Ken:
¿Hace algo más?

David:
Depende del MPU. Muchos tienen funciones adicionales, como registrar información de choque y vibración, que puede transmitirse en tiempo real o usarse después para análisis de fallas o monitoreo de salud del sistema.

Ken:
Entonces un MPU puede tener sus propios sensores.

David:
Sí, puede tener sensores de temperatura, choque, vibración...

Ken:
Entonces una herramienta MWD moderna puede medir: radiación gamma, posición direccional, temperatura, vibraciones… Recoge muchos datos.

David:
Correcto. Y por eso es importante que el MPU registre muchos de esos parámetros. En caso de una falla —lo cual puede pasar debido a las condiciones extremas— esos registros son vitales para el diagnóstico y para prevenir fallas futuras.

Ken:
Y el MPU tiene memoria, ¿verdad? Para grabar todos esos datos durante la perforación y luego poder analizarlos en superficie.

David:
Sí. Muchas veces la memoria interna tiene mayor resolución que los datos transmitidos a superficie. A veces sólo se transmite lo esencial y luego se analiza el registro completo.

Ken:
Creo que nos faltó un componente de la lista: el TPS —Triple Power Supply. ¿Qué es?

David:
El TPS se usa en herramientas MWD. Como su nombre dice, es una fuente de poder triple.

Ken:
Triple, ok.

David:
Tiene una fuente de 5V que alimenta el MPU, y otra de +/-13V para alimentar los acelerómetros y magnetómetros del sensor direccional.

Ken:
¿Y qué es una fuente de poder?

David:
Es un convertidor DC/DC que toma el voltaje de las baterías y lo convierte en un voltaje más bajo y estable, para que el resto del sistema funcione de manera confiable aunque el voltaje de entrada baje.

Ken:
Entonces el TPS toma la energía de las baterías y la distribuye a los módulos.

David:
Exacto.

Ken:
Hablemos entonces de las baterías.

David:
Las baterías son parecidas a las alcalinas o de litio que se usan en teléfonos o linternas, pero están diseñadas para operar a temperaturas extremas. Son normalmente de litio-cloruro de tionilo, y tienen muchísima energía en cada celda.

Ken:
¿Y esas no explotan en el horno como el iPhone, cierto?

David:
Depende de qué tan alto pongas el horno. Mientras se mantengan dentro del rango de operación —150°C, 175°C, hasta 200°C— no deberían explotar. Y también soportan golpes y vibraciones extremas.

Ken:
Pero a veces sí explotan, ¿no?

David:
Sí. Estas baterías tienen una cantidad ridícula de energía, y lamentablemente ha habido casos donde han explotado y causado daños, incluso muertes.

Ken:
Eso es terrible. Hay que manejarlas con cuidado entonces.

David:
Sí. No se deben descargar completamente, sobrecalentar ni perforar.

Ken:
¿Y se pueden recargar?

David:
No. No existen químicas recargables que soporten esas temperaturas. Son de un solo uso y muy costosas —más de $1000 por paquete.

Ken:
Esperemos que pronto hablemos de una química recargable… o de dispositivos que recojan energía.

David:
Ojalá.

Ken:
Bien, entonces ya cubrimos los componentes de fondo de pozo. Hablemos ahora de lo que está en superficie.

David:
En superficie hay un receptor —puede ser para pulsos de lodo o para EM. El receptor de pulsos se conecta a un transductor de presión en la tubería. El pulser crea un pico de presión que viaja a superficie, el transductor lo mide, y el receptor lo decodifica.

Ken:
¿El tamaño del pulso importa?

David:
No. En este caso lo que importa es el tiempo entre los pulsos. Se mide el tiempo entre picos, y eso codifica los datos.

Ken:
¿Y cómo funciona un receptor EM?

David:
Se clavan varillas de cobre en el suelo, al menos dos, separadas por varios metros. Se mide la diferencia de voltaje entre ellas. Esa señal va al receptor, que decodifica la señal electromagnética recibida desde el fondo.

Ken:
¿El transmisor EM manda pulsos?

David:
No. Manda ondas sinusoidales continuas. Se codifican los datos mediante una técnica llamada modulación por desplazamiento de fase (QPSK), cambiando la fase de la onda para representar los datos.

Ken:
Gracias, David. Esto ha sido muy esclarecedor.
Una vez más, soy Ken Miller junto con David Erdos, en el Podcast de Nuevas Tecnologías de Erdos Miller, donde hablamos de todo lo relacionado con tecnología de perforación. Gracias por acompañarnos.