Perforación de petróleo

La búsqueda interminable de nuevas fuentes de petróleo y gas tiene a los fabricantes de equipos de perforación, bombeo y procesamiento trabajando a toda velocidad. Foto cortesía de Statoil ASA

Los árboles de Navidad consisten en válvulas, medidores, sensores y sistemas hidráulicos que controlan el flujo de petróleo y gas que sale de los pozos. Foto cortesía de Encana Corp.

La industria del petróleo y el gas depende de camiones todoterreno hechos a medida para transportar plataformas de perforación y dar servicio a los sitios de producción. Foto cortesía de Daimler Trucks Norteamérica

La confiabilidad es fundamental para los equipos de petróleo y gas que operan bajo el mar. Ilustración cortesía de FMC Technologies Inc.

La mayoría de los equipos de petróleo y gas están soldados para garantizar uniones herméticas y de alta resistencia. Foto cortesía de Oceaneering International Inc.

Estos escariadores de roca utilizan dientes de carburo para reducir el desgaste y aumentar el tiempo de fondo del pozo. Foto cortesía de Horizontal Technology Inc.

Los equipos de fondo de pozo deben estar diseñados para soportar calor intenso, presión, vibración y corrosión. Ilustración cortesía de Schlumberger Ltd.

Cuando la mayoría de la gente piensa en árboles de Navidad, imagina luces brillantes y adornos delicados. Pero, en la industria del petróleo y el gas, un “árbol de Navidad” es una pieza fundamental del equipo que puede resultar difícil de montar. El dispositivo consta de una amplia variedad de tuberías, válvulas, medidores, sensores y sistemas hidráulicos que controlan el flujo de petróleo y gas que sale de los pozos. Es un conjunto complejo que contiene cientos de piezas que deben funcionar de forma fiable en condiciones extremadamente duras. Los paneles solares y las turbinas eólicas pueden ser los favoritos de los medios en estos días, pero el petróleo y el gas natural siguen siendo nuestras fuentes de energía dominantes y lo seguirán siendo en el futuro previsible. De hecho, la búsqueda interminable de nuevas fuentes de petróleo y gas tiene a los fabricantes de equipos de perforación, bombeo y procesamiento trabajando a toda velocidad. Según un estudio reciente realizado por Freedonia Group Inc., la demanda mundial de equipos para yacimientos petrolíferos aumentará un 4 por ciento anual hasta 2016, hasta alcanzar los 109 mil millones de dólares. "El crecimiento será más fuerte en las áreas en desarrollo, donde una mejor infraestructura beneficiará la actividad de perforación", dice Elliott Woo, analista de Freedonia Group. "Las técnicas nuevas y más costosas para perforar reservas no convencionales, como el petróleo de esquisto y las arenas bituminosas, también impulsarán el gasto en equipos para yacimientos petrolíferos". Sin embargo, actualmente hay un exceso de equipos de petróleo y gas, afirma Chris Faulkner, director ejecutivo de Breitling Oil and Gas Corp., una empresa independiente de exploración y producción. “El mercado es bastante competitivo en este momento por primera vez desde que comenzó el 'vendaval del esquisto'. Un aumento del 3 por ciento en las plataformas de perforación de petróleo fue eclipsado por una mayor disminución en las plataformas de gas natural en América del Norte, donde el número ha disminuido un 26 por ciento respecto al mismo período del año pasado. [La industria está cambiando] del gas al petróleo en un esfuerzo por hacer que la economía de la perforación funcione. "Se necesitan muchos menos caballos de fuerza para abrir una formación que contiene petróleo que para las zonas de gas natural", señala Faulkner. “Todos los kits de fracking y caballos de fuerza se construyeron teniendo en cuenta el fracking con gas natural. Ahora que nos hemos centrado en el petróleo, hay un enorme exceso de ese equipo en el mercado. Esta tendencia continuará en el corto plazo”. A medida que las reservas de petróleo convencional experimenten una disminución de la producción, será necesario explotar más reservas no convencionales. Los objetivos clave incluyen campos de gas natural en Alaska y las Montañas Rocosas, proyectos de arena bituminosa en Canadá y perforaciones en alta mar en la región ártica. Otra iniciativa controvertida y técnicamente compleja implica la perforación en aguas profundas. Según un informe reciente de GBI Research, las nuevas plataformas marinas son capaces de perforar en profundidades de agua superiores a los 5.000 pies. Y pronto será posible perforar en agua hasta 12.000 pies de profundidad. El descubrimiento de reservas de petróleo y gas de difícil acceso ha obligado a los ingenieros petroquímicos a desarrollar nuevas técnicas de extracción y operaciones de perforación cada vez más complejas. Por ejemplo, se tiende a acceder a las reservas de esquisto, como el campo Bakken en Dakota del Norte y el campo Marcellus en Pensilvania, mediante técnicas de perforación horizontal, que cuestan más por pie que los tipos tradicionales de perforación vertical. Se necesita equipo de fracturación hidráulica para extraer petróleo de esquisto. Incluye bombas hidráulicas de alta presión utilizadas para empujar fluidos y apuntalante hacia la formación de un pozo, además de tanques de combustible, soportes estructurales, mangueras y silenciadores. Las unidades de terminación de pozos suelen utilizar una bomba de alta presión de 2500 caballos de fuerza equipada con una transmisión, un radiador y un silenciador para mitigar el ruido del motor. Para reducir el impacto de la perforación en el medio ambiente, la industria del petróleo y el gas ha adoptado nuevas tecnologías, como la perforación con múltiples plataformas, el fracking de circuito cerrado, el reciclaje de agua y la desalinización de agua salada para su uso en fracking. Según Faulkner, la plataforma de perforación promedio que se encuentra hoy en día en cualquier parte del mundo tiene unos 25 años. “Si bien esta tecnología puede haber sido apropiada para extraer el petróleo de fácil acceso que se encontraba justo debajo de la superficie, a medida que estas reservas se agotan, las empresas buscan perforar en aguas más profundas y en reservas terrestres más difíciles de alcanzar”, señala. . “Esto requiere una tecnología más complicada. La mayoría de las plataformas que tenemos en funcionamiento ahora no cumplen los requisitos. "Los contratistas de plataformas y las empresas de exploración de todo el mundo están empezando a invertir en nuevas plataformas", afirma Faulkner. "Este gasto se ha enfrentado a una gran demanda, ya que las empresas de equipos para yacimientos petrolíferos ven cada vez más pedidos y pedidos pendientes de nivel récord para plataformas nuevas y mejoradas".

Toda esa actividad es una buena noticia para los fabricantes de equipos upstream de petróleo y gas. De hecho, varias empresas han invertido en nuevas instalaciones de producción para adaptarse a la nueva demanda.

Por ejemplo, Halliburton Co. inauguró recientemente una planta de ensamblaje de 200.000 pies cuadrados y valorada en 65 millones de dólares en Lafayette, Luisiana, para producir componentes complejos para operaciones de servicios en yacimientos petrolíferos. Forum Energy Technologies Inc. está construyendo una planta de ensamblaje de $19 millones en St. Martin, LA, para fabricar equipos de perforación. Weatherford Artificial Lift Systems Inc., un fabricante de equipos de perforación para yacimientos petrolíferos, recientemente comenzó a construir una planta de ensamblaje de $100 millones en Katy, TX. Estados Unidos es el mayor productor de equipos de petróleo y gas, y representó el 45 por ciento de la producción mundial en 2011. Gran parte de ese equipo se exporta a sitios de perforación terrestres y marinos en África, Asia, Medio Oriente y América del Sur. Varios cientos de empresas fabrican maquinaria y equipos para yacimientos petrolíferos en todo el mundo, incluidas grandes empresas como BakerHughes, Halliburton y Schlumberger. Sin embargo, las pequeñas y medianas empresas dominan la industria, y muchas empresas se especializan en artículos producidos en masa, como compresores, manómetros, bombas y válvulas. Los productos más complejos generalmente se construyen en lotes más pequeños, incluidas brocas, colectores, motores de perforación, medidores de flujo, árboles de Navidad, bocas de pozo, recipientes a presión y sistemas de separación. La industria del petróleo y el gas también depende de camiones todoterreno hechos a medida que se utilizan para transportar plataformas y dar servicio a campos de petróleo y gas en climas severos. Los enormes vehículos suelen contar con suspensiones de alta resistencia, neumáticos de gran tamaño, transmisiones de 6x6 y 8x8 y ejes de dirección en tándem que facilitan atravesar terrenos accidentados como la tundra helada, las selvas tropicales o las dunas de arena del desierto. Los equipos de petróleo y gas vienen en todas las formas y tamaños. Pero la mayoría de los productos son grandes y voluminosos. Se ensamblan a partir de piezas fundidas de metales pesados ​​y componentes mecanizados. A menudo, los subconjuntos se construyen y prueban en fábricas, pero el montaje final se realiza en el campo. "La mayor parte del ensamblaje es de alta mezcla y bajo volumen", dice Quarterman Lee, presidente de Strategos Inc., una firma consultora de manufactura eficiente que ha trabajado con fabricantes de equipos de petróleo y gas. “Gran parte de esto involucra aleaciones de alta resistencia y resistentes a la corrosión. El tamaño también varía mucho, desde piezas fundidas en boca de pozo que miden más de 10 pies de altura hasta varillas y accesorios de 0,5 pulgadas”. Todo el equipo debe ser robusto. Esto se debe a que la industria del petróleo y el gas es sinónimo de entornos operativos hostiles que van desde campos de gas en Siberia hasta pozos de petróleo en Arabia Saudita. Los equipos de fondo de pozo, como las brocas y los equipos de monitoreo, deben estar diseñados para soportar calor, presión, vibración y corrosión intensos. Por ejemplo, no es raro que las temperaturas de funcionamiento alcancen más de 500 F. "El petróleo crudo es muy corrosivo", dice Morgan Gallagher, ingeniero de aplicaciones de EWI que anteriormente trabajó en la industria del petróleo y el gas. "Y cuanto más profundo es, más calor hace". Las operaciones de perforación submarina también plantean limitaciones únicas a los equipos. Aunque muchos productos parecen similares en el exterior, existe mucha variación en los equipos de petróleo y gas, especialmente cuando se trata de aplicaciones de superficie versus submarinas. "La confiabilidad, más que la robustez, es un aspecto importante de los equipos de petróleo y gas que operan [bajo el agua]", dice Gallagher. “Se espera que los equipos submarinos sean extremadamente confiables, ya que es difícil, costoso y, en algunos casos, imposible realizar reparaciones en componentes en el fondo del mar. "El diseño de los equipos submarinos no varía mucho de una gran compañía petrolera a otra", añade Gallagher. “Por ejemplo, un umbilical para Exxon probablemente no difiere radicalmente de un umbilical que se utiliza en una plataforma Chevron. Sin embargo, en la mayoría de los casos, cada trabajo de licitación y fabricación se sentirá como una aplicación personalizada. "La razón de esto es que cada compañía importante de petróleo y gas tiene su propio conjunto de especificaciones que complementan los estándares de la industria", señala Gallagher. “Todos los equipos deben cumplir tanto con los estándares de la industria como con las especificaciones [del cliente]. Por esta razón, el ensamblador o fabricante tiene que tratar la mayoría de los trabajos como si fueran 'personalizados'”.

La mayoría de los equipos de petróleo y gas se sueldan manualmente para garantizar uniones herméticas y de alta resistencia. "La mayor parte de las [aplicaciones de soldadura en la industria] utilizan uniones similares e implican unir un tipo de material a sí mismo", dice Gallagher. La soldadura por arco manual se utiliza ampliamente.

"Hay muchos equipos que [requieren que los ensambladores doblen y suelden] tubos en áreas muy estrechas", agrega Gallagher. “Como resultado, el acceso para realizar esas soldaduras está restringido. La industria del petróleo y el gas cuenta con soldadores manuales muy capacitados que a menudo [sobresalen en] este desafío. Por ejemplo, imagine a alguien soldando con la mano opuesta detrás de una pieza mientras usa un espejo para ver. Además de los soldadores manuales cualificados, existen equipos de soldadura automática de tubos que ocupan un espacio muy reducido y que se utilizan para este fin. "En la industria del petróleo y el gas, los láseres se utilizan actualmente con mayor frecuencia para revestimientos, a diferencia de la soldadura", explica Gallagher. El revestimiento es la aplicación de un metal a la superficie de otro metal, generalmente con el fin de reforzar la resistencia a la corrosión o al desgaste del componente. "Recientemente ha habido mucho interés por el revestimiento de componentes de petróleo y gas", añade Salay Stannard, director de ingeniería de materiales de Joining Technologies Inc. "Debido a que estas piezas se utilizan en entornos cáusticos durante horas y horas, los fabricantes están buscando Formas de ampliar el ciclo de vida de los componentes. Una solución es [agregar] recubrimientos resistentes al desgaste o a la corrosión a la superficie. "El material puede ser el mismo que el material base o los ingenieros pueden optar por un material que tenga un valor de dureza más alto, un coeficiente de expansión térmica mejorado o propiedades metalúrgicas", explica Stannard. “[También] hemos visto interés en el uso de superaleaciones y materiales de matriz de carburo [debido a] sus propiedades mecánicas mejoradas. "La soldadura láser ofrece un bajo aporte de calor al componente", señala Stannard. “Para las piezas de petróleo y gas que se utilizan en instrumentación o monitoreo en línea, esto puede ser extremadamente importante. Lo mismo se aplica cuando utilizamos revestimiento láser. El proceso de revestimiento por láser tiene diluciones más bajas y al mismo tiempo logra la unión metalúrgica necesaria”. Nd:YAG y otros láseres de infrarrojo cercano han demostrado ser más efectivos que el CO2 para unir equipos de petróleo y gas, ya que estos últimos requieren soldadura tipo ojo de cerradura, lo que resulta en una gran porosidad. La soldadura por haz de electrones también se utiliza para ensamblar algunos equipos de petróleo y gas. "Se realiza al vacío, mientras que la soldadura láser se realiza en atmósfera abierta con cobertura local de gas en la junta soldada", dice Stannard. “Tener capacidades de haz de electrones permite soldar materiales propensos a la oxidación, como el titanio”. Al igual que los fabricantes de dispositivos médicos y aeroespaciales, los ensambladores de equipos de petróleo y gas deben cumplir con estrictos estándares de calidad. "Muchos [productos] requieren calificación y validación según estándares industriales específicos", dice Stannard. Los estándares clave de la industria incluyen el Código ASME para calderas y recipientes a presión; ISO 10423:2009, que se aplica a equipos de boca de pozo y árboles de Navidad; y NACE MRO 175/ISO 15156, que cubre la resistencia al agrietamiento por tensión de sulfuro y al agrietamiento por corrosión bajo tensión. "Es importante garantizar que haya un buen ajuste entre los componentes que se van a soldar", señala Stannard. “Tener una junta a presión permite controlar el charco de soldadura y garantiza una soldadura sólida. Por supuesto, los materiales deben ser soldables. "Los materiales no soldables, como el acero inoxidable 303, son propensos a agrietarse, picarse y, en general, fallar", advierte Stannard. "Algunos materiales que son propensos a agrietarse se pueden aliviar agregando un material de relleno o soldando a un material que sea soldable y haciéndolos fluir juntos en el charco de soldadura". Además de la soldadura, la soldadura fuerte se utiliza para ensamblar brocas, escariadores y otros equipos de fondo de pozo. También se utilizan conexiones roscadas. Y se utilizan pernos grandes para unir equipos como plataformas de perforación y árboles de Navidad. "Las dos principales fuerzas impulsoras de la soldadura, como cualquier otra decisión de ingeniería, deben ser la economía y el rendimiento", dice Gallagher. “En lo que respecta al rendimiento, aunque existen muchos usos para conexiones roscadas muy confiables en la industria del petróleo y el gas, en situaciones de restricción de presión, las conexiones roscadas siempre tienen alguna posibilidad de tener fugas. "Si el componente o sistema nunca se va a desmontar, la soldadura es [a menudo] la mejor opción para lograr estanqueidad", añade Gallagher. "Desde el punto de vista económico, hay muchos casos en los que el costo de una conexión roscada es mayor que el costo de las horas de trabajo necesarias para soldar e inspeccionar una junta equivalente".

Exclusivas web:La industria del petróleo y el gas adapta la fabricación ajustada

Las condiciones difíciles exigen materiales resistentes