How Does a Top Drive Work

5/10/2018 How Does a Top Drive Work - slidepdf.com

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HOW DOES A TOP DRIVE WORK?

Used to rotate the drill string during the drilling process, the top drive is a motor

that is suspended from the derrick, or mast, of the rig. These power swivels boast at

least 1,000 horsepower that turn a shaft to which the drill string is screwed. Replacing

the traditional Kelly or rotary table, the top drive lessens the manual labor involved indrilling, as well as many associated risks.

Top DriveSource: Aker Solutions

A top drive is comprised of one or more electric or hydraulic motors, which is

connected to the drill string via a short section of pipe known as the quill. Suspended

from a hook below the traveling block, the top drive is able to move up and down the

derrick. Many times, slips are still employed on a rotary table to ensure the drill string

does not fall down the well.

Chosen both for increased safety and efficiency, top drives provide several key benefits:

A top drive is capable of drilling with three joints stands, instead of just one pipe

at a time.

Top drives typically decrease the frequency of stuck pipe, which contributes to

cost savings.

A top drive allows drillers to more quickly engage and disengage pumps or the

rotary while removing or restringing the pipe.

Top drives are also preferable for challenging extended-reach and directional

wells.

http://www.akersolutions.com/Internet/IndustriesAndServices/OilAndGas/Drilling+Equipment/Topdrivesystems.htm





Top DriveSource: HH Series

Reducing risk and increasing safety during the drilling process, top drives

remove much of the manual labor that was previously required to drill wells. Many

times, top drives are completely automated, offering rotational control and maximum

torque, as well as control over the weight on the bit.

Top drives can be used in all environments and on all types of rigs, from truck-

mounted units to the largest offshore rig. Although top drives can be used on both

onshore and offshore rigs, there are some differences between the two. For example, on

an offshore rig, the top drive travels up and down the vertical rails to avoid the

mechanism from swaying with the waves of the ocean.

Why use a Top Drive?

What is a Top Drive?

A top drive is a device that rotates a rig's drillstring.

What does it consist of?

It consists of one or more motors (electric or hydraulic) connected

by gearing to a short section of pipe, the quill, screwed into a saversub or the drillstring. The top drive is suspended from the hook or

blocks, so the rotary mechanism is free to travel up and down the

http://hhseries.drillmec.com/_vti_g1_3.3.aspx?rpstry=3_






derrick.

What makes a Top Drive special?

A Top Drive is very different from the more conventional rotary

table and kelly method of turning the drillstring. The Top Driveenables drilling with two or three joint stands instead of single joints

of pipe.

What else does a Top Drive do?

It also enables the driller to quickly engage/disengage pumps or the

rotary while tripping pipe. The newest Top Drives, like TD

Equipment's IntegraLine 150iH, increase our ability to drill difficult

extended-reach well bores. And the Top Drive greatly reduces

frequency of stuck pipe, which is costly.

Situations where using a modern Top Drive is suggested:

Employee Safety

Rigs that perform Reverse Circulating

Sites with Performance Drilling and Underbalanced Drilling

Sites for Vertical/Directional Drilling

Projects requiring Horizontal Drilling

Setups designed for SAGD Drilling

Operations that include Pad Drilling

Rigs set up for Geothermal Drilling

Benefits every Top Drive like IntegraLine 150iH should provide:

Improved Well Control Response

Greater Directional Control

Improved Pipe Handling and Safety

Simplified Tool Face Orientation

Reduced Connection and Disconnection Times and Costs

Increased Drilling Increments

Increased Core Lengths

Reductions in Pipe Damage frequency /Cost of Stuck PipesQuicker engagement of Pumps

Ability to employ either Rig or Top Drive Power Units

Heightened Coring Performance

Reduced Reaming and Circulation time



Con el Top Drive se puede enroscar y desenroscar las conexiones de los tubos enforma directa sin el empleo de las llaves de fuerza y la cadena de maniobra.

La elevadora puede operarse hidráulicamente para moverla hacia el

engrampador, y así él pueda maniobrar la barra de perforación y de los Drill

Collars con seguridad, con esto se reduce los riesgos en el manejo de la tubería.

En las operaciones de control del pozo, con el top drive aumenta la seguridaddel pozo al reducir el desgaste del preventor de reventones (BOP) al permitir

que este selle alrededor de un tubo redondo en lugar de alrededor de un kelly

cuadrante o hexagonal. Es posible conectarse a la tubería de perforación en

cualquier nivel de la torre para circular los fluidos de perforación.

Está equipado con una válvula para el cuadrante, operada a control remoto,

que reduce la pérdida y derrame del lodo de perforación cuando se repasa

saliendo o se desconecta después de circular por encima del piso de perforación.

Reduce los costos al hacer más eficiente la perforación: Se elimina el tiempoinactivo causado por la dificultad de meter el bushing del cuadrante en lamesa rotatoria. En los viajes se elimina el tiempo necesario para llevar yregresar el swivel y kelly en su funda.

Si la estabilidad del pozo lo permite, se puede realizar conexiones en el fondodurante la perforación direccional, eliminando así la necesidad de re-orientar

la cara de la herramienta direccional después de cada nueva conexión.

Se reduce el tiempo en aquellas funciones que no sean de perforación.

Permanece mayor parte del tiempo perforando. Menos tiempo en lasconexiones, viajes, tomando registros direccionales, repasando, etc.

Rotación y Circulación continuas durante el movimiento de la sarta deperforación: Característica de mayor importancia en la perforación con top

drive; capacidad de rotar y bombear continuamente mientras se repasa-metiendo

o se repasa-saliendo del hoyo. Solo en los casos que sean necesarios puede

aplicarse la rotación continua con circulación mientras se ingrese o salga del

hueco con la sarta de perforación en pozos direccionales u horizontales. Reducen

la fricción entre la sarta de perforación y las paredes del hoyo, y en el caso de

probable empaquetamiento remueven eficazmente los derrumbes por efecto dela rotación y circulación.

Reduce los riesgos y costos totales de perforación al minimizar losproblemas de agarres por pega diferencial y empaquetamiento. El costo de

las herramientas de fondo que puedan perderse en el pozo son elevadas.

Se perfora y maniobra la tubería en barras (3 tubos): Se reduce

significativamente el tiempo de orientación direccional después de cada

conexión mientras se hace perforación direccional con motor de fondo. Se

pueden cortar núcleos continuos de 60 o 90 pies.



Se aplica el back reaming sin limitaciones. Esta maniobra con kelly y cuñas

presenta riesgos para el personal que maniobra las herramientas.

Es una forma más segura y fácil de aplicar, en forma simultánea, la torsión y

tensión que se requiere en las operaciones de punto libre y de desenroscado de la

sarta.

Utiliza procedimientos de fondo más eficientes y exitosos duranteactividades de pesca, incluyendo el uso de “enchufes de pesca” (overshots), el

enrosque y desenrosque del pescado; actividades de enganche y desenganche de

herramientas de fondo tales como colgadores de camisas (liners); o actividades

para rotar y reciprocar tubería de revestimiento mientras se está metiendo y/o

cementando.

En pozos de riesgo de pega diferencial, asegura la llegada del zapato guíadel liner de producción hacia el fondo del pozo; cuando éste es corrido y es

necesario llevar el zapato hacia el fondo del pozo con rotación y circulación, nose necesita levantar el casing del fondo para colocar la cabeza de cementación,

como puede ocurrir cuando se baja con circulación y rotación utilizando el kelly.

Las conexiones se enroscan y desenroscan en cualquier nivel de la torre: El

perforador tiene un mejor control del pozo al tener la capacidad de conectar y

circular la sarta a cualquier altura de la torre, en lugar de depender de una

válvula manual de control y tener que levantar y conectar el cuadrante y el

swivel.

Permite la rotación y circulación inmediata cuando se encuentranproblemas en el hoyo.

Elimina el peligroso procedimiento de desconexión del cuadrante cuando

éste queda a una altura considerable en la torre en caso de pegadura de la

tubería.



En 1983 comienza el desarrollo del DDM (Derrick Drilling Machine), para reemplazar

la forma convencional de rotar la sarta de perforación con Vástago y Mesa Rotaria. El

primer modelo fue lanzado en 1984, este fue el DDM 650 DC, un Top Drive a corriente

continua de 650 toneladas de peso y diseñado para instalaciones offshore.

Siguiendo con el desarrollo, se introduce un Top Drive hidráulico en 1987, el DDM500/650 HY.

La demanda por el incremento de la capacidad de torque resulto en el desarrollo de 2

versiones del Top Drive, el DDM 500/650 EL y el DDM650 HY de alto torque, ambos

lanzados en 1989.

En 1993, se introduce en el mercado un motor Top Drive de 2.100 Hp y 8.800 N.m. de

torque de salida, con este equipo se perforo un pozo direccional de 12.000 m. Es obvio

que en las últimas décadas la perforación con Top Drive ha venido a ser el método

predominante de perforación en pozos offshore. Al presente hemos experimentado que

operaciones críticas en pozos onshore son perforados usando sistemas de Top Drive.

La perforación de un pozo es la única forma de saber si hay depósitos de hidrocarburos

en el sitio donde la geología propone que se podrían localizar.

La profundidad de un pozo es variable, dependiendo de la región y de la profundidad a

la cual se encuentra la formación seleccionada con posibilidades de contener

hidrocarburos comerciales. Hay pozos que van desde los 1.500 metros y otros que

superan los 10.000 metros de profundidad.

Además de considerar lo anterior y factores que van desde los costos que implica el

alquiler de las herramientas de perforación, el tiempo que toma en perforar cada pozo,

factores de seguridad y otros; fueron los que obligaron de alguna manera la búsqueda de

nuevas tecnologías para llevar a cabo la perforación.

Si bien se indica que el Sistema Top Drive es costoso, también es necesario indicar los

múltiples beneficios que implica su adopción dentro las tareas de perforación.

Tanto las ventajas de este sistema como aspectos técnicos, operativos y de seguridad

son los que se expondrán en el presente documento.

2. DEFINICION DEL SISTEMA TOP DRIVE El Sistema Top Drive puede definirse como una herramienta de manera general, pero

siendo más precisos podemos definirlo como un motor eléctrico o hidráulico que se

suspende en cualquier tipo de mástil de un equipo de perforación. Esta herramienta se

encarga de hacer rotar la sarta de perforación y el trépano.

El sistema de top drive reemplaza las funciones de una mesa rotaria, permitiendo rotar

la sarta de perforación desde el tope, usando una cabeza de inyección propia, en lugar

de la cabeza de inyección, vástago y mesa rotaria convencionales. Además el sistema se

maneja a control remoto desde la consola del perforador.

3. BENEFICIOS DEL SISTEMA TOP DRIVE



Se instala fácilmente en cualquier tipo de mástil o torre de perforación, con

lasmínimas modificaciones y frecuentemente en un solo día.

Sustituye a la Mesa Rotaria y al Vástago (Kelly). El Top Drive hace rotar la

sarta de perforación de manera directa.

“Mejora la seguridad en el manejo de la tubería”. Todas las operaciones se las

realiza por control remoto desde la cabina del perforador; reduciendo las laboresmanuales y riesgos asociados que tradicionalmente acompañan a la tarea.

Capacidad de enroscar las conexiones dándoles un torque adecuado.

Perfora secciones de 90 pies (1 tiro), reduciendo el tiempo de conexiones, al

eliminar dos tercios de las mismas.

Realiza toma de núcleos en intervalos de 90 pies sin necesidad de tener que

hacer conexiones.

En la perforación direccional, mantiene la orientación en intervalos de 90 pies,

reduciendo el tiempo de supervisión (survey time) mejorando el control

direccional.

Apto para toda operación de perforación: direccional, horizontal, bajo balance,

perforación de gas o aire, control de pozo, pesca, etc. Reduce el riesgo de aprisionamiento de la sarta, por su habilidad de rotar y

circular al mismo tiempo.

Mejora la respuesta en operaciones de control de pozo. Durante perforaciones

bajo balance con presión hidrostática por debajo de la presión de la formación, el

Top Drive aumenta la seguridad del pozo al reducir el desgaste del preventor de

reventones y al permitir que este y que el preventor de cabeza rotario empaquen

alrededor de un tubo redondo en lugar de alrededor de un kelly, cuadrante o

hexagonal.

Se tiene para perforación en tierra (Onshore) o costa fuera (Offshore)

4. COMPONENTES DEL SISTEMA TOP DRIVE

4.1 COMPONENTES PRIMARIOS. En primera lugar tenemos los componentes primarios, llamados así porque son parte de

la herramienta que se instala en el mástil del equipo de perforación.

Estos componentes debido a la universalización y conocimiento dentro la industria

petrolera se halla en el idioma inglés, junto a alguno de ellos se indica su posible

traducción en español.

Torque track (huella de torsión) Optional swivel (unión giratoria opcional)

Torque bushing (cojinete de torque)

Swivel sub (sub unión giratoria)

Extend frame (extensión del armazón)

Quill (pluma)

Mainframe assembly (ordenador central)

Load nut (tuerca de carga)

Pipe handler assembly (arreglo del asa de la tubería)

Tilt assembly (mecanismo de inclinación)

Stabbing valve (valvula punzante) Saver sub (sub ahorrador)



Grabber assembly (llave de contrafuerza)

Bail assembly (arreglo del eslabón)

Elevator (elevador)

Fig. 1. Panel de Perforaciones

4.2 COMPONENTES SECUNDARIOS Denominamos a estos así, porque son principalmente elementos de apoyo, pero aún así

cabe aclarar que sin ellos el Sistema en su totalidad no funcionaría.

Los principales componentes secundarios lo conforman: el Panel de Perforaciones

(Drillers Panel), Módulo de Poder (Power Module), Bucle de Servicio (Service Loop),

Elevadores Hidráulicos (Hydraulic Elevators) y la Válvula ahorradora de lodo y

Actuator (Mud Saver Valve and Actuator); los cuales se describen a continuación:

Panel de perforaciones (Drillers Panel) El Panel de Perforaciones es un tablero de acero inoxidable equipado con todos los

controles o mandos, los indicadores luminosos, instrumentos de medición y conectores

requeridos para operar el Top Drive desde la posición del perforador.

Todos los mandos son de 24 voltios (DC). Hay dos cables principales, compuesto a su

vez por otros 37 cables, cada uno con una función específica. Uno de ellos conecta el

módulo de poder (power module) al panel del perforaciones y otro conecta el Top Drive

también con panel del perforaciones.

http://1.bp.blogspot.com/__nRwW6ejU8U/S0lC6HqBPZI/AAAAAAAACdI/A8d8Sev-SdE/s1600-h/Esquema+Top+DDrive.jpg



Fig. 2. Panel de Perforaciones

Módulo de Poder (Power Module) Los Sistemas Top Drive de carácter hidráulico, vienen complementadas con bombas

hidráulicas de diferentes clases. Estas bombas envían un flujo hidráulico a través de un

bucle cerrado, un sistema de alta presión hacia el motor del Top Drive, el cual provee la

rotación a la pluma (quill).

Bombas adicionales envían un flujo hidráulico a través de un sistema auxiliar al Top

Drive, permitiendo la operación de varias funciones automáticas así como la circulación

del aceite hidráulico a través de una filtración y de un sistema de enfriamiento antes de

retornar hacia el depósito.

El módulo de poder también contiene un tablero eléctrico que acepta una entrada de 480

o 600 voltios AC de los generadores del equipo de perforación y lo convierte a otro

voltaje para que de esta manera puedan operar los componentes eléctricos del Sistema

Top Drive.

Bucle de Servicio (Service Loop). El Bucle de Servicio es un conjunto de líneas que permiten la comunicación de los

elementos que comprenden al Sistema Top Drive.

El Bucle de Servicio envía y recibe comunicación eléctrica desde el módulo de poder y

el panel de perforación, así como el flujo hidráulico hacia y desde el Top Drive.

Es de alta importancia que se da al momento de instalar estas líneas; debiendo tener el

cuidado para que no se dañen por el levantamiento o se vean obstruidas en medio de la

torre.

El Bucle de Servicio no debería de estar en contacto con ninguna parte de la torre.

Elevadores Hidráulicos (Hydraulic Elevators). Los elevadores automáticos, eliminan la necesidad de tener a una persona operándolos

manualmente.

Esto da la capacidad de abrir y cerrar los elevadores en posiciones sumamente altas de

BHA (Bottom Hole Assembly), y reduciendo de la misma forma la exposición del

operario a los riesgos adicionales asociados con operaciones manuales de los

elevadores.

http://2.bp.blogspot.com/__nRwW6ejU8U/S0lUlF2igRI/AAAAAAAACdQ/RenOfMEXKuk/s1600-h/Panel+de+perforaciones+de+un+Top+Drive.jpg



Fig. 3. Elevadores Hidraúlicos

Válvula ahorradora de lodo y Actuador (Mud Saver Valve and Actuator) Estos son elementos que actúan como parte del Sistema de seguridad del Top Drive.

La Válvula ahorradora de lodo junto con el actuador remoto actúan como una válvula de

prevención de reventones de emergencia similar a un BOP. El Actuador esta diseñadopara abrir o cerrar la válvula ahorradora de lodo en cualquiera punto en la torre.

Es crítico que el Actuador nunca funcione mientras la pluma (quill) este girando; esto

puede dañar los componentes internos y llevar al fracaso del actuador.

Fig. 4. Válvula ahorradora de lodo

5. FUNCIONAMIENTO DEL TOP DRIVE Es necesario hacer mención que dentro el Sistema Top Drive, como cualquier otra tarea,

se identifica intervenciones de carácter manual y de carácter automatizado; este último

que caracteriza al Sistema Top Drive.

5.1 FUNCIONES AUTOMATIZADAS. Están comprendidas por las operaciones de Extensión, Inclinación, Operación de la

Llave de Contrafuerza (Grabber).

Extensión.

Esta operación permite al Top Drive ubicarse por encima la ratonera (mouse hole), lugardonde se alojarán las tuberías que han de bajarse para la perforación del pozo.

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http://4.bp.blogspot.com/__nRwW6ejU8U/S0lVBrdyLcI/AAAAAAAACdY/sWioQ71H9bg/s1600-h/Elevadores+hidr%C3%A1ulicos+de+un+Top+Drive.jpg

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1. Es acá donde el Top Drive baja y se extiende hasta la ratonera (mouse hole).

2. Realiza la conexión por medio de la pluma (rotación del quill), con la tubería

alojada en la ratonera (mouse hole).

3. El Top Drive inicia su elevación por la torre, junto a la tubería conectada,

Los 3 pasos mencionados anteriormente se repiten 3 veces, ya que el Top Drive nosofrece la facilidad de perforar por tiros (1 tiro = 90 pies = 3 tuberías).

Inclinación de los Eslabones (Link Tilt). Normalmente conocido como “Afianzadores”, estos pueden ser inclinados hacia delante

unos 35º y hacia atrás unos 55º, moviendo de esta manera al elevador y permitiendo

realizar diversas tareas asociadas con el manejo tuberías de forma segura y reduciendo

el tiempo en las operaciones.

4) Durante la elevación, los eslabones (link tilt) y el elevador se afianzan a la tubería

para otorgarle un mejor sostenimiento.

Operación de la Llave de Contrafuerza (Grabber). El Llave de Contrafuerza o Grabber actúa como una tenaza, que permite al momento del

enrosque y desenrosque de las tuberías, otorgar un adecuado torque.

Normalmente el Grabber necesita una presión por encima de los 1000 psi, para poder

efectuar su debida operación de afiance. Cabe recordar que esta presión proviene del

Módulo de Poder (Power Module). La operación realizada por el Grabber suele tomar

un tiempo aproximado de 20 - 30 segundos.

5.2 PROCESO DE PERFORACIÓN. Hay que tener en cuenta que con este nuevo sistema, se debe adherirse a las mismas

prácticas operativas, de seguridad y procedimientos utilizados en perforación rotaria

convencional.

Antes de cualquier maniobra con el Top Drive, se debe tener en cuenta que este ocupa

mucho más espacio en el piso de la torre de lo que el Kelly lo hace; así que el trabajo

debe mantenerse libre de obstáculos que pudiesen interferir con el movimiento de la

herramienta y del mismo personal.

Cuando el Top Drive se esta moviendo a través de la torre, se debe estar muy al tanto en

todo momento de la posición que el operario vaya a ocupar y que el Top Drive esteocupando, ya que no siempre se lo podrá ver.

El Procedimiento Básico de Perforación con Top Drive es el siguiente:

1) Se baja el Top Drive y se extiende hasta por encima de la ratonera (mouse hole)

2) Se realiza la conexión por medio de la pluma (rotación del quill), con la tubería

alojada en la ratonera (mouse hole). La conexión se lleva a cabo dentro la caja de

conexión (thread box), donde la llave de contrafuerza (grabber) y la pluma quill le

aplican el torque necesario.

3) El Top Drive se eleva a lo largo de la torre, junto a la tubería conectada,



4) Durante la elevación, los eslabones (link tilt) y el elevador se afianzan a la tubería

para otorgarle un mejor sostenimiento,

5) Se procede a realizar la conexión, se utilizan las llaves cadenas para sostener la

tubería que se encuentre suspendida en la mesa rotaria, ayudándonos del mismo modo auna efectiva conexión. La llave de contrafuerza (grabber) y la pluma (quill) se

encargarán de otorgarle el torque adecuado.

6) Una vez hecho la conexión, se procede a retirar las cuñas de perforación (slips) de la

mesa de perforación; luego desde la cabina del perforador, se activan las bombas de

lodo e inmediatamente se activa la función de perforación.

Al mismo tiempo se asigna a la pluma (quill) el RPM indicado (Revoluciones por

minuto), ya sea incrementando o reduciendo el flujo hidráulico proveniente de las

bombas.

Se debe tomar en cuenta que sería demasiado crítico que el actuador no funcione

mientras la pluma (quill) este rotando, ya que esto dañaría los componentes internos y

conduciría a una falla del actuador. Ya que sin fluido de perforación no hay un

funcionamiento efectivo de las herramientas.

7) Se encuentra ahora el equipo ya perforando y se debe de tener controlando los datos

obtenidos del Panel del Perforador y demás instrumentos de medición. (Presiones y

Volúmenes).

5.3 FUNCIONES MANUALES. Básicamente las funciones manuales (operaciones donde intervienen directamentelos

operarios), comprenden aquellas que incluyen la perforación convencional; claro esta

que con este sistema hay beneficios que se tornan en ventajas. Estas operaciones son:

Limpiado de las tuberías y el piso de la mesa.

Uso de las llaves cadenas: Necesarias para ajustar y desajustar las tuberías en

boca de pozo.

Puesta de las Cuñas de Perforación (Slip): Permiten sostener la tubería en la

mesa rotaria y evitar que resbale dentro del pozo cuando se está conectando o

desconectando con el Top Drive.

Control de las mediciones y datos del Panel de perforaciones (Driller Panel):Uno de las funciones principales e importantes, del cual el encargado de

perforación junto con la coordinación de todo el personal determinarán el éxito

de la perforación.

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