DISEÑO MECÁNICO DE UNA SONDA DE...

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

DISEÑO MECÁNICO DE UNA SONDA DE ULTRASONIDO PARA INSPECCIÓN DE

TUBERÍAS DE POZOS PETROLEROS

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA CON ESPECIALIDAD EN DISEÑO MECÁNICO P R E S E N T A : ING. MARCO ANTONIO HERNÁNDEZ ROJO DIRECTOR DE TESIS: PROF. M. en C. SERGIO A. VILLANUEVA PRUNEDA Octubre de 2000

GRACIAS La culminación de este trabajo representa una de las etapas más importantes de mi vida. Sin embargo, el camino ha sido largo para llegar a este momento en el que tengo presente: el apoyo y enseñanzas de mi padre, a quien llevo en mi corazón y en mi memoria, el cariño y atenciones de madre y de mi abuela quienes me dieron las bases para el desarrollo de mi vida, la comprensión, amor y paciencia de mi esposa a quien siempre dedico mi esfuerzo y con quien comparto problemas y satisfacciones; en general la confianza, admiración y cariño que me han dado mis hermanos, Oli, Bertha, Vero, Angeli, Sil, Ime y Jorge, y el ánimo que siempre me han dado mis amigos. Todo esto ha creado una deuda de gratitud para con todos y cada uno de ellos, y aunque sé que nunca podré pagarla completamente, quiero dedicarles este trabajo como una forma de agradecerles todo lo que me han dado. También es justo reconocer a todas las personas que de alguna forma, han participado en la realización de este trabajo. Mi agradecimiento pleno y sincero al Instituto Mexicano del Petróleo por el apoyo brindado, a mis compañeros por su colaboración y ayuda. De manera muy especial agradezco al Ingeniero Tomás Ramírez Maldonado quien me ha dado el apoyo y la confianza para continuar con mi preparación, a mi director de tesis, Profesor M. en C. Sergio A. Villanueva Pruneda por todo el tiempo dedicado, la ayuda prestada y sus conocimientos, sin los que hubiera sido imposible la realización de este trabajo.

Marco Antonio Hernandez Rojo

ÍÍndice General

Índice General Página Índice de figuras, tablas y gráficas....................................................... I Simbología.............................................................................................. V Glosario de términos............................................................................ VII Resumen................................................................................................. VIII Abstract.................................................................................................. X Justificación........................................................................................... XI Objetivo.................................................................................................. XII Alcance................................................................................................... XII Introducción........................................................................................... XIII Capítulo 1. Conceptos Generales. 1.1. El petróleo en México..................................................................... 1 1.2. La explotación.................................................................................. 6 1.3. La perforación y terminación de pozos ........................................ 9 1.3.1. La perforación de pozos .................................................. 10 1.3.2. La terminación de pozos................................................... 12 1.4. Tubería utilizada en la terminación de pozos................................ 17 1.4.1. Tubería de producción...................................................... 17 1.4.2. Tubería de trabajo............................................................ 18 1.4.3. Tubería de revestimiento.................................................. 18 1.4.4. Tubería lavadora............................................................... 20 1.5. Corrosión en tuberías de producción............................................. 20 1.5.1. Ataque por ácido sulfhídrico............................................ 25 1.5.2. Ataque por dióxido de carbono........................................ 27 1.5.3. Corrosión combinada CO2 y H2S..................................... 27 1.6. Herramientas utilizadas en la inspección de pozos petroleros .... 28 1.7. Generalidades sobre ultrasonido..................................................... 34 1.7.1. Tipos y características de transductores......................... 35 1.8. Principio de medición a través de ultrasonido............................... 36 Capítulo 2. Metodología del Diseño 2. Metodología del diseño................................................................... 38 2.1. Comprensión del problema............................................................ 41 2.2. Detección de necesidades............................................................... 44 2.3. Descripción general del sistema propuesto.................................. 45 2.4. Objetivos específicos...................................................................... 48 2.5. Determinación de los requerimientos de calidad......................... 49 2.5.1. Identificación del cliente................................................. 49 2.5.2. Determinación de los requerimientos de calidad

Tesis de Maestría, MAHR, 2000

Índice General

exigidos por el cliente...................................................... 50 2.5.3. Requerimientos obligatorios y requerimientos deseables 52 2.5.4. Ponderación de los requerimientos deseables.............. 49 2.5.5. Estudio comparativo........................................................ 54

2.5.6. Traducción de los requerimientos en términos mensurables..................................................................... 56 2.6. Fijación de las metas de diseño.................................................... 57 2.7. Generación y evaluación de conceptos de diseño......................... 59 2.7.1. Descomposición funcional............................................... 60 2.7.2. Construcción del árbol de funciones.............................. 62 2.7.3. Generación de conceptos................................................ 64 2.7.3.1. Conceptos para proporcionar movimiento de rotación continuo a un módulo que contendrá el sensor de ultrasonido.................................................. 64 2.7.3.2. Concepto para contener un sistema para calibración de la señal a diferentes medios de operación............. 66 2.7.3.3. Concepto para mantener centrada la herramienta . en el interior de la tubería........................................... 68 2.7.3.4. Concepto para mantener la conductividad eléctrica entre los sensores que se encontrarán en movimiento y la sección de control y procesamiento de datos................................................ 70 2.7.3.5. Concepto para mantener una referencia de la orientación del sensor desde la primera medición..... 72 2.7.3.6. Concepto para proteger todos los elementos eléctricos y electrónicos de las condiciones externas de operación de la herramienta........................................ 73 2.7.3.7. Concepto para permitir la comunicación hacia la superficie utilizando un solo conductor...................... 74 2.8. Relación entre conceptos y funciones......................................... 75 2.9. Evaluación de conceptos bajo el criterio de satisfacción de los requerimientos del cliente...................................................... 78 2.10. Diseño conceptual propuesto....................................................... 78 Capítulo 3. Diseño de Detalle 3. Diseño de detalle........................................................................... 80 3.1. Posibles problemas que pueden ser encontrados en el desarrollo del diseño................................................................... 80 3.2. Selección de materiales de fabricación........................................ 83 3.3. Análisis de esfuerzos y determinación de características de resistencia................................................................................. 87 3.4. Determinación de la potencia para mover el sistema................ 89 3.4.1. Estimación de la potencia necesaria para mover el módulo de sensores por el método analítico ........... 89


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3.4.2. Estimación de la potencia necesaria para mover el módulo de sensores por el método experimental........ 107 3.5. Cálculo de espesores de pared de los elementos sometidos a presión........................................................................................... 111 3.6. Cálculo de esfuerzos torsionantes sobre la flecha de transmisión............................................................................... 122 3.7. Cálculo de esfuerzos en uniones roscadas.................................. 126 3.8. Consideraciones para determinación arosellos......................... 137 3.9. Especificaciones generales.......................................................... 140 Capítulo 4. Análisis Dimensional 4. Análisis dimensional.................................................................... 141 4.1. Tolerancias................................................................................... 141 4.2. Juego............................................................................................. 141 4.3. Ajuste............................................................................................ 142 4.4. Tolerancias generales................................................................. 147 4.5. Rugosidad...................................................................................... 148 4.6. Dibujos de detalle........................................................................ 151 4.7. Plano general de ensamble......................................................... 152 4.8. Descripción del funcionamiento................................................. 153 Capítulo 5. Partes Mecánicas 5.1. Partes mecánicas......................................................................... 158 Capítulo 6. Descripción General de los Sistemas Electrónicos. 6.1. Integración electrónica................................................................ 165 Capítulo 7. Pruebas y Resultados 7.1. Pruebas de laboratorio............................................................... 170 7.2. Pruebas con el módulo de sensores............................................ 171 7.3. Mediciones sobre un tramo de tubo......................................... 172 7.4. Interpretación de resultados....................................................... 175 7.5. Costos de producción y desarrollo del producto........................ 176 7.5.1. Costos de producción................................................... 177 7.5.1.1. Costo de los componentes........................................... 177 7.5.2. Costos del desarrollo del proyecto............................. 179 Conclusiones ................................................................................................... 180 Recomendaciones............................................................................................. 183 Referencias Bibliográficas ............................................................................. 185


Índice de Figuras, Gráficas y Tablas

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 I

Índice de Figuras, Gráficas y Tablas Figuras Página A Disposición general de la Sonda de Ultrasonido para Inspección de Tuberías de Pozos Petroleros........................................................... IX B Representación esquemática del arreglo entre el equipo de fondo y superficie, empleado en la toma de registros...................................... XIV 1.1. Planta perforadora de pozos................................................................. 10 1.2. Barrena de perforación......................................................................... 11 1.3. Arreglo típico de un pozo de producción.............................................. 13 1.4. Corrosión en el exterior de una tubería................................................. 21 1.5. Celda de corrosión electroquímica........................................................ 22 1.6. Ataque por ácido sulfhídrico................................................................ 25 1.7. Ampollas producidas por ácido sulfhídrico........................................... 26 1.8. Picadura típica por CO 2 ..................................................................... 27 1.9. Perforaciones localizadas en una tubería de producción........................ 29 1.14. Tubería en buenas condiciones............................................................. 29 1.11. Cabeza rotatoria del sistema DUST, se observa un sensor de 19 mm de diámetro............................................................................... 31 1.12. Transductor USI.................................................................................. 32 1.13. Disposición de la herramienta “Stereoscopic Deep Well Photography in Opaque Fluids”.......................................................... 33 1.14. Fotografía del interior de una tubería obtenida por la herramienta......... 33 1.15. Principio general del funcionamiento del módulo de sensores de la

Sonda de ultrasonido para inspección de tuberías ................................ 37a 2.1. Diagrama del desarrollo del producto................................................... 39 2.2. Proceso de Diseño................................................................................ 39 2.3. Metodología del QFD........................................................................... 40 2.4. Representación esquemática del equipo de fondo y superficie............... 43 2.5. Diagrama general del sistema de inspección de pozos........................... 46 2.6. Unidad móvil de registros..................................................................... 47 2.7. Árbol de funciones............................................................................... 63 2.8. Uso de motor colocado en la parte en movimiento................................ 64 2.9. Motor colocado en la parte fija............................................................. 65 2.10. Colocando el sensor dentro del cuerpo de la herramienta...................... 66 2.11. Sensor colocado en el extremo inferior del módulo con una punta.

Desmontable y una placa de refracción de onda ajustable...................... 67 2.12. Utilizando centradores repartidos a lo largo de la herramienta.............. 68 2.13. Colocando los centradores de tal forma que el módulo de los

sensores puedan girar libremente.......................................................... 69 2.14. Utilizando dos placas con anillos en las caras........................................ 70 2.15. Utilizando anillos sobre una flecha y escobillas para mantener

el contacto eléctrico.............................................................................. 71


Tesis de Maestría, MAHR, 2000 II

2.16. Utilizando un sensor óptico.................................................................. 72 2.17. Utilizando un sensor de ”Efecto Hall”................................................... 72 2.18. Utilizando O-rings................................................................................ 73 2.19. Utilizando sellos en “V”....................................................................... 73 2.20. Utilizando retenes................................................................................. 74 2.21. Utilizando un conector eléctrico para alta presión y alta temperatu-

ra, unido a un sistema de contacto retráctil........................................... 74 2.22. Utilizando un conector eléctrico para alta presión y alta temperatura, unido a un sistema de contacto fijo.................................................. 75 2.23. Diseño Conceptual............................................................................... 79a 3.1. Esfuerzos que actúan sobre el sistema de rotación donde se encuentra el sensor............................................................................... 88 3.2. Colocación del sello.............................................................................. 90 3.3. Distribución de la presión sobre la superficie del sistema que gira.......... 90 3.4. Fuerzas que actúan sobre el sello y la flecha de transmisión................... 92 3.5. Desarrollo de la superficie de contacto del sello.................................... 92 3.6. Arreglo mecánico del sistema de rotación............................................. 94 3.7. Fuerzas que intervienen en el arreglo del sistema de rotación................ 95 3.8. Análisis del rozamiento entre dos planos tipo embrague........................ 99 3.9. Resorte de compresión......................................................................... 99 3.10. Clasificación del petróleo por viscosidad y densidad.............................. 105 3.11. Sistema de pruebas............................................................................... 108 3.12. Cilindro de análisis................................................................................ 112 3.13. Elemento aislado.................................................................................. 112 3.14. Flecha de transmisión............................................................................ 122 3.15 Flecha con momento torsionante........................................................... 123 3.16. Distribución de esfuerzos...................................................................... 124 3.17. Geometría de la rosca unificada ISO, perfil básico de una cuerda externa................................................................................................. 127 3.18. Distribución de esfuerzos en una rosca.................................................. 129 3.19. Detalle típico para el alojamiento de arosellos....................................... 138 4.1. Elementos del signo del estado de superficie......................................... 136 5.1. Componentes del módulo de sensores y módulo de motor..................... 158 5.2. Ensamble de las piezas internas............................................................. 158 5.3. Módulo de sensores y portabalero......................................................... 159 5.4. Motorreductor y disipador de calor....................................................... 159 5.5. Arreglo de “Slip-ring” conectado a la flecha de transmisión.................. 159 5.6. Detalles del sensor de posición.............................................................. 160 5.7. Flecha de transmisión y piezas portabaleros.......................................... 160 5.8. Partes del sello con anillo de carbón grafitado....................................... 161 5.9. Sistema completo del sello y rodamientos............................................. 161 5.10. (A).-Conectores del centrador,(B).-Conector para módulo de motor, (C).-Conector con cabeza.......................................................... 161 5.11. Conector con tuerca loca y conectores para centrador........................... 162 5.12. Conector para centrador..................................................................... 163 5.13. Detalle del conector para cabeza MH-22 y centrador............................ 163


Tesis de Maestría, MAHR, 2000 III

5.14. Vista aérea de las tarjetas electrónicas de control de la herramienta y camisa de protección....................................................... 164 5.15. Vista lateral de la tarjeta electrónica...................................................... 164 6.1. Distribución de voltaje.......................................................................... 161 6.2. Regulador de tierra flotante.................................................................. 166 6.3. Procesamiento de la señal en la electrónica de recepción....................... 167 6.4. Pulso de excitación +100 Vp-p............................................................. 167 6.5. Alimentación del motor........................................................................ 168 7.1. Prueba de presión................................................................................. 170 7.2. Simulador de pozo................................................................................ 170 7.3. Tapa de simulador de pozo................................................................... 170 7.4. Simulador de pozo sellado.................................................................... 170 7.5. Prueba del funcionamiento de los sensores inmersos en agua................. 171 7.6. Dibujo del tubo examinado en pruebas.................................................. 172 7.7. Generación de la vista frontal de una tubería......................................... 173 7.8. Malla generada de la vista interior del tubo........................................... 173 7.9. Proyección isométrica del tubo analizado.............................................. 174 7.10. Generación de la malla que describe el contorno del tubo...................... 174 7.11. Proyección de un tramo de tubo simulado por un programa de cómputo............................................................................................... 175

Gráficas Página 1.1. Gráfica para seleccionar el diámetro de la tubería en función de la presión superficial......................................................................... 16 1.2. Gráfica para seleccionar el diámetro de la tubería en función de la presión de fondo........................................................................... 16 1.3. Gráfica del periodo de tiempo de emisión y recepción de la onda de ultrasonido ........................................................................................... 37a 3.1. Gráfica de demanda de energía del motor en función de la carga............ 109 3.2. Relación de esfuerzos de la aleación de titanio 6-6-2 a diferentes temperaturas......................................................................................... 116 3.3. Distribución de esfuerzos sobre el espesor del cilindro sometido a

Temperatura y a presión sobre el exterior............................................. 118

Tablas Página 1.1. Producción de hidrocarburos líquidos (miles de barriles diarios)............ 4 1.2. Precio promedio de exportación de petróleo crudo (Dólares por Barril)................................................................................................... 5 1.3. Valores de las exportaciones de petróleo crudo (Millones de Dólares)................................................................................................ 5 1.4. Características de sensores ................................................................... 35 2.1. Relación de requerimientos................................................................... 52


Tesis de Maestría, MAHR, 2000 IV

2.2. Requerimientos deseables..................................................................... 53 2.3. Ponderación de los requerimientos deseables........................................ 53 2.4. Herramientas para inspección de tuberías.............................................. 55 2.5. Resumen comparativo.......................................................................... 55 2.6. Traducción de requerimientos en términos mensurables........................ 56 2.7. Despliegue de las funciones de calidad para la sonda de ultrasonido........................................................................................... 58 2.8. Evaluación entre conceptos y funciones................................................ 76 2.9. Evaluación de conceptos contra requerimientos del cliente................... 78 3.1. Propiedades de algunos materiales utilizados para la construcción de elementos mecánicos de herramientas de prospección geofísica............................................................................................... 97 3.2. Datos técnicos de rodamientos.............................................................. 93 3.3. Cálculo del torque a diferentes condiciones........................................... 106 3.4. Demanda de corriente del motor, tomada experimentalmente................ 109 3.5. Criterios para determinar el tipo de cilindro.......................................... 111 3.6. Esfuerzo torsionante y de cedencia, para aleación de titanio. 6Al-6V-2Sn, en función de la temperatura............................................ 116 3.7. Distribución de esfuerzos sobre el espesor de la camisa exterior de la herramienta a 180° C....................................................... 117 3.8. Espesor propuesto para la integración de los recipientes a presión......... 121 3.9. Coeficiente de seguridad....................................................................... 114 3.10. Esfuerzos en elementos roscados.......................................................... 131 3.11. Características generales para alojamiento de arosellos en estado estático................................................................................................. 138 3.12. Características y recomendaciones para arosellos.................................. 139 3.13. Relación de arosellos empleados en la sonda de ultrasonido.................. 139 4.1. Ajustes recomendados para uso mecánico............................................. 143 4.2. Relación de los intervalos de tolerancia en función de los procesos de fabricación......................................................................... 144 4.3. Tolerancias principales en mm............................................................... 145 4.4. Tolerancias principales en pulgadas....................................................... 146 4.5. Tolerancias generales en μm................................................................. 147 4.6. Tolerancias generales en pulgadas......................................................... 147 4.7. Codificación de las diferentes funciones de las superficies..................... 149 7.1. Costos de arosellos .............................................................................. 177 7.2. Costo de partes especiales ................................................................... 177 7.3. Costo de componentes y dispositivos especiales .................................. 177 7.4. Costo de elementos fabricados ............................................................ 178 7.5. Costo de herramienta ........................................................................... 179 7.6. Costo por desarrollo del proyecto ........................................................ 179 7.7. Costos totales ...................................................................................... 179

Simbología

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 V

Simbología c Velocidad de propagación del sonido D Diámetro del resorte d Espesor del alambre da Diámetro interior db Diámetro exterior dc Diámetro al eje central del sello de Diámetro exterior del sello df Diámetro de la flecha dm Diámetro medio del rodamiento dms Diámetro medio del sello E Módulo de elasticidad e Espesor de pared Fa Componente axial de la carga dinámica f0 Coeficiente dependiente del tipo de rodamiento y su lubricación ffluido Fuerza de fricción producida por un fluido Fr Componente radial de la carga dinámica fsb Fuerza de fricción sobre el rodamiento fs Fuerza de fricción sobre el sello f 1 Coeficiente dependiente del tipo de rodamiento Fxp Componente de la fuerza por presión en el eje “x” Fx Componente de una fuerza sobre el eje ”x” Fy Componente de una fuerza sobre el eje ”y” G Módulo de rigidez h Longitud del resorte I Momento de Inercia J Momento polar de inercia Rb Dureza Rockwell B r Radio Rc Dureza Rockwell C Ri Radio interior rm Radio medio N Fuerza normal Ner Número de espiras del resorte n Velocidad del rodamiento M0 Par independiente de la carga M1 Par que depende de una carga sobre el rodamiento M11 Par producido por la fuerza de fricción entre el sello dinámico y la flecha M22 Par producido por la fuerza de fricción entre rodamientos M33 Par producido por la fuerza de fricción del fluido y el movimiento de un objeto M44 Par producido por el motor para mover el sistema P Presión P0 Carga estática equivalente sobre el rodamiento p0 Presión externa

Simbología

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 VI

P1 Carga sobre el rodamiento que determina el par de rozamiento pi Presión interna t0 Tiempo inicial t Tiempo tet Espesor de la tuerca Tm Torque resultante v Viscocidad cinemática del aceite Vr Velocidad radial Vz Velocidad en el eje ”z” W Peso del sistema w Velocidad de rotación a cualquier radio r z1 Dimensión de cateto z2 Altura media de la sección del sello α Aceleración angular φ Angulo de salida del sello μ Coeficiente de fricción α Coeficiente de expansión térmica θ Coordenada angular ρ Densidad ε Deformación τ Esfuerzo cortante σr Esfuerzo radial σθ Esfuerzo tangencial δ Flexión π Pi (3.14159) ν Relación de Poisson Ω Velocidad angular

Glosario de términos


Glosario de términos

Antiaferrante: grasa empleada para evitar la corrosión en uniones roscadas. Bache de agua: volumen de agua inyectada dentro de la tubería de producción con objeto de generar tramos libres de aceite con la finalidad de introducir herramientas de inspección de superficies. Bombeo neumático: método artificial de producción de yacimiento, consistente en inyección de gas por la tubería de revestimiento, con objeto de levantar el hidrocarburo por la tubería de producción. Cabeza MH-22. Parte metálica compuesta de diversas piezas empleada para unir eléctrica y mecánicamente el cable de acero con conductor eléctrico y las herramientas de inspección de pozos.(puede ser conocida también como cabezote) Cementación: inyección de cementos alrededor de la tubería de revestimiento, con objeto de detener las paredes del agujero y los estratos de tierra. Cebolla: parte de las piezas mecánicas pertenecientes al dispositivo denominado cabeza “MH-22”, para sujetar la herramienta al cable electromecánico. Conificación: formación de un yacimiento con similitud a un cono invertido donde se encuentra gas en el casquete. Cortatubo: dispositivo mecánico empleado para seccionar o cortar tuberías . Disparos: operación realizada con herramienta especial denominada “pistolas de disparos”, empleada para perforar la tubería de revestimiento y la formación geológica con objeto de crear orificios para el flujo de crudo. Enjarre: operación que consiste en envolver completamente la tubería de revestimiento con lodos y/o cementos, con objeto de reforzar la instalación de tuberías para explotación del yacimiento. Inhibidor: reactivo químico que evita o disminuye la formación de agentes corrosivos sobre las partes metálicas. Lastrabarrena: herramienta empleada para perforar el agujero que conducirá a la tubería hasta los estratos de producción. Nuclear: operación que se realiza para obtener un núcleo de roca con objeto de caracterizar los estratos geológicos. Sarta: conjunto de herramientas y dispositivos, listos para ser introducidos al pozo de producción. Ultrasonido: el término de ultrasonido, significa vibraciones de un medio material similares a las ondas sonoras, pero cuya frecuencia es demasiado elevada para su percepción por el oído humano. Yacimiento homogéneo: yacimiento integrado por distribuciones similares de elementos, como son gas, aceite o agua.

VII

Resumen

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 VIII

Resumen

El presente trabajo es solo una parte de la información generada para el desarrollo y

construcción de una herramienta que será integrada a un Sistema de Inspección de Tuberías

de Pozos Petroleros; como se verá posteriormente, este equipo forma parte de un proyecto

de desarrollo tecnológico, planteado por Petróleos Mexicanos. La herramienta se ha

denominado Sonda de Ultrasonido para Inspección de Tubería en Pozos petroleros,

equipo de fondo.

Esta herramienta esta constituida por una serie de módulos, como se muestran en la figura

A. La disposición de un sensor de ultrasonido de 200 kHz montado en un sistema rotatorio,

permite obtener información del estado interno de la tubería de producción, como son

grietas, deformaciones y degradación de la tubería por ataque de agentes corrosivos. El

arreglo de este sensor se hace girar a una velocidad aproximada de 180 a 360 rpm a través

de un módulo denominado de motores, de donde se suministra la potencia necesaria para

mover el sistema, además de contener una serie de mecanismos que permiten tener

continuidad eléctrica cuando el sistema se encuentra en movimiento. La información

recopilada e interpretada por equipo electrónico y de computación ubicado en superficie,

será empleada por Pemex, quien a través de la sección correspondiente de servicios a

pozos realizará las consideraciones necesarias para la reparación de la tubería de

producción.

Resumen

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 IX

Cabeza Tipo MH-22

Centrador Superior

Módulo de Electrónica Figura A. Disposición general de la Sonda de Ultrasonido

para Inspección de Tuberías de Pozos Petroleros.

Centrador Inferior

Módulo del Motor

Módulo de Sensores

Abstract

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 X

Abstract

This document is a part of the information that has been originated to develop a tool that

form part of a system of pipelines inspection of oil wells, as will be presented thereinafter,

this equipment form part of a development project outlined by Mexican Oils. The tool has

been designated Probe of Ultrasonic for Pipeline Inspection in oil Wells, fund equipment.

The tool is integrated by a series of modules, as is indicated in the figure A. The

arrangement of a sensor of ultrasonic of 200 Khz, mounted in a rotary system, permits to

obtain information from the internal state from the production pipeline. The arrangement of

this sensor is made to turn to an approximate speed of 180 to 360 RPM through a part

designated of motors, of where is supplied the necessary power to move the system, in

addition to containing a series of mechanisms that permit to have electrical continuity when

the system is found in movement. The gathered information once interpreted by the surface

equipment will serve to Pemex, who through their repair and maintenance department to

wells will take the necessary measures in case that is found some serious anomaly.

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 XI

Justificación

Como una necesidad para Petróleos Mexicanos de tener un sistema alternativo para tomar

perfiles de la pared de la tubería de producción de pozos petroleros; se planteó el desarrollo

de un proyecto denominado “Sonda de ultrasonido para inspección de tuberías en pozos

petroleros”, con base en la aplicación de tecnología de ultrasonido. En este proyecto,

considerado como de investigación y desarrollo tecnológico, interactúan diversas áreas

como la electrónica encargada del diseño de dispositivos y arreglos electrónicos para el

control y manejo de la información; la física, encargada de realizar estudios y aplicaciones

de sensores de ultrasonido y la mecánica encargada del diseño y construcción de elementos

mecánicos para integración del sistema en conjunto, área de donde se desprende la

necesidad de desarrollar el presente trabajo. Esta herramienta podrá ser empleada en pozos

que se encuentren en tierra y en mar cuyas condiciones de operación estén dentro de los

parámetros de diseño.

El éxito en el desarrollo de esta herramienta permitirá a Pemex, emplear tecnología propia

que se reflejará en una considerable disminución de costos, además de abrir la pauta para

continuar en una primera etapa con la optimización del sistema y posteriormente, en una

etapa posterior continuar con este tipo de investigaciones financiada por Petróleos

Mexicanos.

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 XII

Objetivo

REALIZAR EL DISEÑO MECÁNICO DE LOS ELEMENTOS Y SISTEMAS

NECESARIOS PARA INTEGRAR UNA SONDA DE ULTRASONIDO, EQUIPO

DE FONDO, BAJO LOS REQUERIMIENTOS Y ESPECIFICACIONES

ESTABLECIDOS POR PETRÓLEOS MEXICANOS.

Alcances

• Establecer las bases de diseño para la fabricación y prueba de un prototipo,

interactuando para ello con las áreas asociadas en el desarrollo global del proyecto.

• Desarrollar sistemas especiales que permitan integrar en un prototipo los desarrollos de

las áreas involucradas.

• Ofrecer un producto mecánicamente confiable para efectuar operaciones de inspección

de tuberías bajo condiciones reales de operación.

Introducción

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 XIII

Introducción

En la industria petrolera de nuestro país, existe una considerable carencia de desarrollo de

tecnologías destinadas a resolver problemas y necesidades directamente en campo. La

investigación en el área de sondas para inspección de pozos petroleros es una área que

comienza a ser desarrollada en nuestro país. Una de las finalidades es disminuir en un

futuro quizás no muy lejano, la dependencia tecnológica en esta área; sin embargo el

desarrollo de equipos de este tipo no es sencillo, en parte por la problemática que existe en

la actualidad para adquirir elementos especiales de manufactura nacional y por otro lado, el

restringido manejo de presupuesto asignado a este tipo de proyectos.

En el campo de la geofísica, y en particular en la toma de registros geofísicos, se utilizan

herramientas denominadas sondas, que tienen la finalidad de proporcionar información

específica, y son usadas principalmente en pozos petroleros, ya sea de producción, o de

exploración, aunque en algunos casos pueden ser empleadas en áreas subterráneas

denominadas cavernas. En éste ultimo, una sonda denominada SONIMP proporciona

gráficamente la forma de un domo salino o caverna, el principio de operación es a través de

ultrasonido. La información proporciona es empleada para estimar el volumen y

constitución, datos que serán utiles para considerar la caverna como un gran recipiente de

almacenamiento.

Otro tipo de sondas muy común son aquellas utilizadas para determinar la presión y la

temperatura dentro de un pozo, el principio de medición es a través del uso de sensores.

Cabe señalar que cada una de estas herramientas forman parte de sistemas complejos

formados por equipo de fondo y de superficie, conectados a través de un cable

electromecánico que puede tener uno o varios conductores, protegidos por cables de acero;

el equipo de superficie está constituido por sistemas de cómputo encargados de procesar y

decodificar la información enviada por el equipo de fondo. La información obtenida es

presentada al usuario en una pantalla de computadora, a través de gráficas o impresiones.

Introducción

Tesis de Maestría, MAHR, 2000 XIV

La figura B muestra un esquema representativo del arreglo general para la operación de

herramientas de toma de registros.

Figura B. Representación esquemática del arreglo entre el equipo de fondo y superficie empleado en la toma de registros.

El equipo de fondo está formado por una serie de sistemas mecánicos acoplados a

componentes electrónicos que pueden procesar la información proporcionada por los

sensores y enviarla hacia la superficie a través del cable electromecánico en forma de

pulsos eléctricos. Algunas veces, la información sensada es enviada directamente hacia

arriba, donde es procesada por el equipo de superficie donde se realiza la interpretación de

los datos. Los sistemas mecánicos están diseñados utilizando los principios de resistencia

de materiales ya que la mayoría de estas herramientas trabajan bajo condiciones extremas

de corrosión (componentes orgánicos, ácidos), presión (de más de 703 kg/cm2 ≈ 10 000

PSI) y temperatura (rangos máximos de 150 ºC- 175 ºC).

Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos

Equipo de Fondo

Interface de Comunicación

PPeemmeexx

Equipo de Superficie

CAPÍTULO 1 Conceptos Generales

El campo de la ingeniería petrolera ha resultado ser una área muy compleja, desde las operaciones de exploración, estudio de rocas, la perforación y la inspección de pozos en producción, de esta ultima se obtiene información primordial para caracterizar el yacimiento, sin embargo es necesario conocer las condiciones mecánicas de éste bajo programas de mantenimiento, para lo cual se emplean diversos tipos de herramientas. A continuación se presentan algunos conceptos relacionados con estas operaciones así como un breve análisis de las herramientas que se emplean para la inspección de tuberías de pozos.

CAPÍTULO 1, Conceptos Generales

Tesis de Maestría, MAHR ,2000 1

1.1. El petróleo en México

Desde tiempos remotos las personas centraban su atención en el petróleo y el gas. Los

pueblos de distintos continentes en la antigüedad empleaban el petróleo, los asfáltenos y

betunes como combustible, lubricantes y en algunos casos tenían aplicaciones en la

medicina, la construcción y en objetivos militares.

En la actualidad, el progreso técnico en todas las ramas de la industria está relacionado con

el empleo del petróleo y el gas; necesarios para el desarrollo de casi todos los tipos de

industria, transporte y agricultura. El petróleo y el gas son excelentes materias primas para

la industria química. De éstos se obtienen plásticos, fibras textiles sintéticas, abonos,

caucho sintético, alcoholes, medicamentos, etc., por otra parte la capacidad calorífica del

petróleo y el gas en comparación con las otras especies de combustible determina el

aumento constante de éstos en el balance de combustible del país. Nuestra sociedad

contemporánea, funciona y produce preponderantemente a base de petróleo. Si el

abastecimiento de éste cesara de pronto, retrocederíamos súbitamente a las condiciones del

siglo XVIII o bien a tiempos más remotos aún en que los avances tecnológicos de hoy no

eran ni siquiera concebibles. Sin exageración, millones de personas morirían, pues sin

petróleo, la capacidad de alimentación del planeta disminuiría en forma catastrófica y los

sobrevivientes tendrían que apretarse el cinturón y vivir como hace 200 años, sin embargo,

el petróleo es un recurso no renovable cuyo agotamiento, en términos globales, ya esta a la

vista, es por esto que se necesita desarrollar sustitutos eficaces, pero esto no ocurrirá de un

día a otro y, muy probablemente, tardará alrededor de 20 años, lo que indica que durante

este plazo viviremos el aumento continuo del precio del petróleo. (4)

El petróleo es un líquido oleaginoso, habitualmente de color marrón oscuro. Los principales

elementos que entran en su composición son el carbono y el hidrógeno. El contenido de

carbono en los petróleos oscila entre el 80 y el 87.5%, y de hidrógeno, entre el 11 y el 14%.

El carbono y el hidrógeno están combinados entre sí de tal manera que forman compuestos

hidrocarbonados: parafínicos (metanoicos), o alcanos, cuya formula es



CnH2, nafténoicos (ciclanos)-CnH2n, y aromáticos (árenos). Según la presencia de distintos

tipos de hidrocarburos en los petróleos, se distinguen las siguientes clases y tipos:

metanoicos, metanoico-nafténico, nafténico-aromáticos y aromáticos. Los más propagados

son los petróleos metanoicos-nafténicos.

La densidad de los petróleos a temperaturas de +20 °C y a presión normal oscila entre

0.730 y 1.06 gr/cm3. La viscosidad de los petróleos en condiciones de capas sedimentarias

varía dentro de amplios límites y depende de su composición, la presión de capa, la

temperatura y el gas disuelto en dichos petróleos. Al aumentar la temperatura disminuye la

viscosidad. Además al incrementar la cantidad de gas disuelto en el petróleo, la viscosidad

disminuye considerablemente.

Las cualidades mercantiles del petróleo se determinan por el contenido de hidrocarburos

ligeros y pesados, la composición de hidrocarburos líquidos y sólidos, el contenido de

parafina, azufre, sustancias resinosas y a la presencia de impurezas. (1)

México produce actualmente 3 millones de barriles diarios, de los cuales 1.5 millones son

exportados, 80% de estas exportaciones van a Estados Unidos. Esto representa cerca de una

sexta parte del petróleo importado por E.U., colocando a México sólo atrás de Arabia

Saudita y Venezuela como las principales fuentes extranjeras de las necesidades

energéticas estadounidenses. Las reservas probadas de hidrocarburos al primero de enero

de 2000 ascienden a 58 204 millones de barriles, que significan 43 años de producción al

ritmo actual siendo los campos más importantes el Chicontepec y Tabasco- Chiapas. (2)

Según el Plan Nacional de Desarrollo(22), se pretende fortalecer el sector de la energía en

los próximos 3 años, con la finalidad de aumentar su aportación a un desarrollo económico

más vigoroso, cuyos principales objetivos están fundamentados en el aprovechamiento de

los hidrocarburos, como prioridades establece los siguientes puntos, en cuestiones de

hidrocarburos:

• Impulsar los programas de evaluación e incorporación de reservas, desarrollo de los

campos más importantes y ampliación de la infraestructura para incrementar los

niveles de producción de hidrocarburos.



• Expandir las redes de gasoductos y oleoductos y mejorar la confiabilidad en el manejo,

recolección y transporte de hidrocarburos.

• Desarrollar tecnologías y servicios especializados para la localización de reservas y la

explotación de yacimientos de petróleo y gas natural, con énfasis en la revitalización de

campos y la optimización de los procedimientos y ritmos de extracción.

• Modernizar las refinerías y terminar los proyectos del “paquete ecológico”, con el

objeto de aumentar la eficiencia de las plantas y producir gasolinas, diesel y

combustóleos de menor impacto ambiental.

• Expandir el sistema de transporte de gas natural y automatización de la red nacional de

gasoductos.

• Modernizar la infraestructura de gestión de Petróleos Mexicanos y sus organismos

subsidiarios.

Datos reales estiman que la producción de petróleo crudo promedió 3 022 000 b/d en 1997,

5.7% más que los 2 858b/d que se obtuvieron en 1996, siendo la primera vez en la historia

que se rebasa la cifra de 3 000 000 b/d acercándose a cifras similares durante el auge

petrolero de principios de los años ochenta.

La cifra de procedencia “costa fuera” en Campeche fue de 2 299 000 b/d en 1997, mientras

que la producción en campos terrestres ascendió a 723 000 b/d. En el primer trimestre de

1998, la producción total de crudo ascendió a 3 127 000 b/d. De ese volumen 2 405 000

b/d se produjeron “costa fuera” y 1700 000 b/d fue crudo maya procedente del yacimiento

supergigante de Cantarell, la tabla 1.1, muestra la producción de hidrocarburos líquidos en

los últimos años.

En cuanto a los precios del crudo mexicano de exportación y los obtenidos por este

concepto, Pemex recibió US$ 16.46 por barril de crudos en 1996, US$ 16.46 en 1997,

US$ 8.73 en 1998, pero solo US$ 8.17 en el primer trimestre de 1999. En el 2000, el precio

promedio de los crudos mexicanos de exportación fue de US$ 21.52 por barril, un alza

considerable.



Año

Total

Total Crudo

Tipo Pesado Ligero Superlig

Región Marina

Región Sur

Región Norte

Líquidos del gas

1998 3 499 3 070 1 659 848 563 2 354 621 92 429 Ene 3 472 3 085 1 662 852 570 2 363 627 95 387 Feb 3 562 3 141 1 712 860 568 2 419 626 96 421 Mar 3 583 3 158 1 727 862 568 2 435 627 95 426 Abr 3 573 3 141 1 729 848 564 2 423 623 95 432 May 3 580 3 149 1 744 851 554 2 440 614 95 430 Jun 3 471 3 050 1 639 856 554 2 340 615 94 421 Jul 3 551 3 122 1 721 841 559 2 409 618 94 429 Ago 3 520 3 055 1 627 857 571 2 331 630 94 465 Sept 3 341 2 906 1 522 814 569 2 187 627 92 435 Oct 3 207 2 792 1 446 788 558 2 091 612 89 415 Nov 3 585 3 147 1 721 862 563 2 443 618 86 438 Dic 3 554 3 107 1 660 890 558 2 409 613 85 447 1999 3 464 3 008 1 612 851 545 2 323 600 84 457 Ene 3 594 3 144 1 723 875 545 2 457 602 85 450 Feb 3 475 3 020 1 641 834 545 2 336 599 84 455 Mar 3 522 3 053 1 659 846 548 2 365 603 85 470 Abr 3 351 2 893 1 487 860 546 2 209 600 84 458 May 3 377 2 926 1 548 837 541 2 248 595 84 451

Tabla 1.1. Producción de hidrocarburos líquidos (miles de barriles diarios)(2)

La tabla 1.2 muestra la variación de los precios del petróleo por tipo y por región, durante

el periodo de Enero de 1998 a Junio de 1999 (2).

A consecuencia de estos precios, los ingresos obtenidos por este concepto fueron de

US$ 7 500 millones en 1995, US$ 10 700 millones en 1996, US$ 10 300 millones en 1997

y en el primer semestre de 1998 apenas de US$ 1 800 millones, la tabla 1.3 muestra los

ingresos promedio por exportaciones de petróleo crudo de los periodos de Enero de 1998 a

Junio de 1999.

La empresa estatal del petróleo sigue siendo una fuente crucial de ingresos para el gobierno

mexicano, no solo por sus exportaciones sino, en forma creciente por sus ingresos

provenientes del dinámico mercado interno.

Este reporte es una muestra clara de la importancia del petróleo en la economía del país y

por ende cada una de las actividades que se desarrollan en su entorno, como son la

exploración e inspección de pozos petroleros, entre otras actividades.

Año

Total Por tipo Istmo Maya Olmeca

Por Región América Europa Lejano Ote.

1998 10.16 11.87 8.56 13.14 10.29 8.82 11.51 Ene 11.82 14.46 9.71 15.54 11.95 10.23 13.61 Feb 10.79 13.30 8.88 14.59 11.17 8.68 10.79



Mar 9.67 12.39 7.68 13.50 9.67 8.77 11.03 Abr 10.69 12.17 9.14 13.80 10.79 9.40 11.59 May 10.79 12.73 9.08 14.10 10.97 9.13 0.00 Jun 9.99 11.75 8.30 12.47 10.02 7.80 12.12 Jul 10.14 11.49 8.80 12.69 10.44 7.91 0.00

Ago 9.77 11.48 8.24 12.23 9.89 8.02 10.91 Sep 10.88 12.49 9.47 13.79 10.96 10.24 0.00 Oct 10.40 11.42 9.13 13.20 10.68 8.96 10.03 Nov 9.17 9.95 7.87 11.60 9.23 8.56 10.46 Dic 7.67 9.02 6.37 10.19 7.65 7.84 0.00

1999 11.46 12.64 10.26 13.66 11.63 10.42 10.62 Ene 8.68 10.00 7.42 11.13 8.72 8.12 9.46 Feb 8.26 9.39 7.13 10.40 8.26 8.35 8.12 Mar 10.79 11.47 9.86 12.67 10.84 10.04 11.11 Abr 13.50 14.40 12.35 15.67 13.75 11.62 0.00 May 13.61 15.54 12.24 15.94 13.95 11.19 0.00 Jun 14.29 15.73 13.07 15.97 14.36 13.82 14.08

Tabla 1.2. Precio promedio de exportación de petróleo crudo. (Dólares por barril)(2)

Año

Total

Por tipo Istmo Maya Olmeca

Por Región América Europa Lejano Ote.

1998 6 368 850 3 317 2 200 5 569 613 186 Ene 717 109 363 246 628 65 25 Feb 491 63 259 169 422 58 10 Mar 577 81 292 204 491 46 40 Abr 538 58 291 189 472 43 22 May 603 73 320 210 551 52 0 Jun 523 94 247 182 445 33 44 Jul 515 51 281 183 467 48 0

Ago 498 71 247 180 445 34 20 Sep 538 57 301 180 485 53 0 Oct 494 58 277 160 422 67 6 Nov 467 91 228 148 380 68 19 Dic 406 45 212 149 362 44 0

1999 3 283 401 1 789 1 094 2 837 346 100 Ene 432 63 226 143 347 58 27 Feb 393 50 209 135 328 46 19 Mar 548 60 312 177 490 38 20 Abr 615 57 347 211 553 63 0 May 647 72 359 217 581 67 0 Jun 647 99 336 212 539 74 34

Tabla 1.3. Valores de las exportaciones de Petróleo crudo. ( Millones de dólares)(2)


Tesis de Maestría, MAHR,2000 6

1.2.- La explotación

Es evidente que debe existir sólo una forma de explotar óptimamente un yacimiento. Las

inversiones, los ritmos de producción, la recuperación final y las utilidades, pueden variar

considerablemente en función del procedimiento de explotación aplicado. Para obtener

mayor recuperación, al menor costo, es necesario determinar y seleccionar, mediante

estudios diversos, la manera más apropiada de realizar el desplazamiento del aceite; ya sea

aprovechando la energía natural o mediante la inyección de agua, nitrógeno, CO2, gas

natural, etc. Para el procedimiento de desplazamiento seleccionado, se determina el número

de pozos productores e inyectores que deben perforarse, así como su localización (arreglo-

espaciamiento) y la longitud y posición de los intervalos a disparar. Estos estudios son los

más importantes. Si no se realizan en forma oportuna y apropiada, pueden originar una

recuperación o un rendimiento económico deficiente. Es obvio que para decir cómo

explotar un yacimiento es necesario conocer con precisión sus características, ya que éstas

permiten identificar y evaluar la eficiencia de los mecanismos de desplazamiento que

pueden actuar en forma natural o mediante la inyección de fluidos.

El conocimiento de las características del yacimiento es, por lo tanto, el requisito

primordial para realizar la planeación óptima del desarrollo y la explotación de un

yacimiento. Sin embargo, sólo después de terminar el desarrollo del campo, se tiene la

mayor información y aún así, ésta puede resultar insuficiente. Algunas características del

yacimiento, como la magnitud de su empuje hidráulico, la presencia de zonas

impermeables, etc., se infiere del comportamiento observado al explotar el yacimiento

durante varios años.

Existen criterios diferentes para establecer la forma de desarrollar y explotar un yacimiento,

uno de ellos, es el que se ha aplicado en varios campos petroleros del sureste del país,

consiste en diferir el desarrollo hasta caracterizar y estudiar en forma confiable los

yacimientos, esencialmente con información obtenida en pozos denominados de

evaluación.

A continuación se enumeran los principales pasos seguidos al proyectar la explotación de

algunos campos:



1. Mediante registros sismológicos tridimensionales, se procura obtener una descripción

detallada del yacimiento.

2. Los primeros pozos que se perforan son pozos de evaluación. Su objetivo primordial es

obtener información, no producción. Su localización se fija para conocer la extensión

del yacimiento y la variación de sus propiedades en sentido vertical y lateral. Estos

pozos se nuclean totalmente en el intervalo que contiene hidrocarburos. En ellos se

realizan pruebas de producción y se toman las muestras de fluidos necesarias para

determinar la variación de sus propiedades con la profundidad.

3. A partir de la información obtenida del primer pozo de evaluación, se realizan estudios

de yacimientos preliminares, para comparar la recuperación primaria con la obtenible

para mantenimiento de presión.

4. Con la información obtenida del segundo pozo de evaluación, se establece el modelo

geológico preliminar del yacimiento. Se realizan estudios de simulación numérica,

principalmente de sensibilidad, para comparar las características del desplazamiento

con inyección de agua o gas. En estos estudios se varían las curvas de la permeabilidad

vertical; se estudia el efecto de las capas densas o impermeables y el de la distribución

de pozos. Se realiza el análisis de la conificación y la digitación. También se hacen

estudios en modelos físicos, para observar estos fenómenos de desplazamiento. En esta

etapa se fijan las especificaciones para el diseño de las instalaciones necesarias para la

explotación, incluso aquellas necesarias para manejar la producción. La inyección de

agua o gas al yacimiento en evaluación, dependerá del tamaño, la extensión y la

heterogeneidad de los yacimientos asociados al campo. Estos pozos deberán confirmar

la extensión de los yacimientos.

Con la información obtenida se realizan estudios teóricos y experimentales necesarios para:

a. Establecer el modelo geológico del yacimiento.

b. Determinar, mediante simulación matemática, el procedimiento de recuperación

aceite, ya sea por su mecanismo de desplazamiento natural o por inyección de agua,

gas, etc.



c. Definir la mejor localización de los pozos productores e inyectores y los disparos.

Programar una política de terminación de los pozos que proporcionen la mayor

probabilidad de obtener buenos perfiles de inyección y avance de los frentes de

desplazamiento.

d. Prever la necesidad de instalar posteriormente algún sistema de producción artificial

(bombeo neumático, electrocentrífugo, hidráulico, etc.) y tomar medidas para su

adaptación. En algunos casos, al terminar los pozos, se instalan mandriles con

válvulas falsas de bombeo neumático. Estas válvulas se sustituirán, con cable, por las

que funcionarán al operar el bombeo neumático.

f. Minimizar las reparaciones de los pozos a causa de su invasión imprevista por el gas

del casquete o el agua de fondo.

g. Determinar la consecuencia de perforación de pozos que conduzca a un rápido

incremento en la producción de aceite, minimizando la producción de agua y del gas

libre segregado.

Respecto a la forma de desarrollar un campo se pueden observar diferentes criterios, en el

desarrollo de otros campos importantes, los proyectos de recuperación secundaria se

establecen totalmente antes de iniciar su producción. La información requerida para esto

resulta costosa y puede transcurrir mucho tiempo antes de iniciar la producción. Sin

embargo, así se tiene la mayor probabilidad de desarrollar y explotar en forma apropiada un

yacimiento; y se reduce el riesgo de realizar posteriormente cambios o rectificaciones a

muy alto precio, ya que tanto el proceso de desplazamiento seleccionado, como la

localización de los pozos y sus disparos, se determinan con base a un análisis bien

fundamentado. Se procura, en resumen, asegurar la máxima recuperación con las menores

inversiones, tanto en el desarrollo de la perforación de pozos como en su terminación y en

sus reparaciones futuras.

La selección apropiada de los intervalos de disparos, permitirá minimizar las reparaciones,

reduciéndose así el riesgo de tener accidentes mecánicos. Cabe señalar aquí que un

espaciamiento regular de los pozos productores generalmente es inapropiado. Se requeriría



de un yacimiento homogéneo, isotrópico, de espesor poco variable y continuo, para

justificar dicho arreglo. La distribución de los pozos deberá ser irregular en yacimientos

con permeabilidad orientada, ya que en éstos su área de drene tiende a ser elíptica. Las

heterogeneidades del yacimiento, entre las que destaca la discontinuidad de sus cuerpos

productores, indicarán la forma de espaciar los pozos.

También es evidente que la localización de los pozos productores y los inyectores será

irregular, y muy diferente, al realizar un desplazamiento vertical por inyección de agua de

fondo o por inyección de gas. Es obvio que los estudios señalados deben ser realizados por

un grupo interdisciplinario y que las decisiones quedarán subordinadas a los resultados del

análisis económico, considerando diferentes alternativas de explotación.

El criterio de desarrollar un campo rápidamente, con la finalidad de obtener una producción

alta, en poco tiempo, tiene como ventaja la pronta recuperación de la inversión. Sin

embargo, este procedimiento impide caracterizar apropiadamente los yacimientos, ya que

los primeros pozos perforados no se localizan, profundizan, nuclean o prueban en forma

requerida para realizar la evaluación del yacimiento. De hecho se opta por un patrón de

desarrollo convencional, similar al utilizado con anterioridad en otros campos. La carencia

de información básica impedirá generalmente estudiar y seleccionar la forma más adecuada

de explotar el yacimiento. Lo más probable es que el monto total de las utilidades, y la

recuperación final, sean mucho menores que las que se obtendrían mediante un desarrollo

basado en la caracterización preliminar, con pozos de evaluación. (1)

1.3. La perforación y terminación de pozos

Una vez comprobada la existencia del yacimiento y su magnitud, y de cierta forma

estimado si el pozo es totalmente rentable, se procede a explotarlo; para esto existen dos

actividades importantes:

a.- Perforación

b.- Terminación


Tesis de Maestría, MAHR,2000

10

1.3.1. La perforación de pozos

La perforación de los pozos esta controlada actualmente por la división de Petróleos

Mexicanos, denominada Pemex Exploración y Producción, la figura 1.1 muestra una

planta típica para perforación de pozos. La perforación se inicia comúnmente con una

barrena de ∅444.5 mm (17½”), hasta unos 20 m de profundidad donde se recubre de

cemento un tubo (cementación), denominado “tubo conductor” el cual sirve para soportar

las formaciones no consolidadas o deleznables que existen cerca de la superficie, además

como conductor para el lodo de perforación mientras se perfora superficialmente.

Figura 1.1. Planta de perforación de pozos.

A continuación se sigue perforando con barrena de ∅311.15 mm (12 ¼”) hasta los 500 m

donde se toma registro eléctrico y se cementa una tubería de ∅244.47 mm (9 5/8”) que tiene

como función principal preservar de la contaminación los estratos de agua dulce cercanos a

la superficie y evitar derrumbes, que pueden ocurrir con más frecuencia en este lugar que a

mayores profundidades. Además, sirve para instalar preventores y parte del cabezal de



11

tubería ya que ésta se ancla al “casing head” de ∅244.47 mm (9 5/8”). La figura 1.2.

muestra un tipo de barrena utilizada en la perforación.

Figura 1.2. Barrena de perforación.

Después de concluido el tiempo de fraguado y haber hecho pruebas de tubería y

cementación, se sigue perforando con barrena de ∅219.07 mm (8 5/8”) hasta 1975 m, en

ésta profundidad se corre registro eléctrico y se cementa la tubería de ∅168.27 mm (6 5/8”).

Después de recubrir con cemento la tubería se le da un cierto tiempo de fraguado y en el

transcurso del cual se toma un registro de temperatura con la finalidad de saber la altura a

la que subió el cemento dentro del espacio anular.

Inmediatamente después de haber pasado el tiempo de fraguado se ancla la tubería al

cabezal de ∅168.27 mm (6 5/8”) y se hacen las pruebas de tubería y cementación.

A todas las tuberías de revestimiento, antes de introducirse a los pozos, se les colocan

centradores y raspadores calculados de antemano; los primeros tienen la finalidad de

centrar la tubería con el fin de que al cementar el espacio anular, el cemento quede

uniformemente distribuido en dichos espacio; mientras que los raspadores remueven el

enjarre del lodo con el fin de que al cementar haya una mejor adhesión del cemento con las

paredes del agujero.

Las funciones que desempeñan dichas tuberías de revestimiento son las siguientes:

1. Aislamiento de formaciones de distintos contenidos de fluidos y presiones.

2. Aislar mantos acuíferos perjudiciales a los aceitíferos y gasíferos.

3. Prevenir derrumbes.



12

4. Evitar escapes de aceite o gas a la atmósfera, a través de las capas porosas superiores.

5. Proporcionar una explotación racional y correcta de las reservas de hidrocarburos

existentes.

6. Controlar en boca del pozo de una manera fácil, las presiones y los flujos de los

yacimientos.

7. Impedir que el gas contenido en las formaciones sea mal aprovechado en la explotación

del aceite.

8. Evitar producir agua de la misma formación si el empuje es hidráulico, disparando

únicamente la zona de aceite o gas.

La figura 1.3. muestra el estado típico de un pozo.

1.3.2. La terminación de pozos

Se llama terminación de un pozo al estado mecánico subsuperficial que permite a los

fluidos del yacimiento llegar al pozo y a la superficie. Esto se logra mediante una serie de

operaciones que se inicia al llegar la barrena a la formación productora y termina cuando el

pozo produce en condiciones estables.

La importancia de las terminaciones radica en que mediante ellas se puede controlar la

explotación y comportamiento de los yacimientos, estas operaciones se enfoca a obtener la

producción máxima más conveniente por pozo, cuidando de aprovechar al máximo la

energía del yacimiento, lo que se logra determinando los regímenes de producción más

adecuados y convenientes, relacionándose estrictamente con la disposición subsuperficial

de los aparejos de producción con las características de las formaciones y de los fluidos

contenidos en éstas.

En los trabajos desarrollados en un campo, las operaciones de terminación de un pozo son

las que tienen lugar desde que la barrena comienza a perforar el estrato productor hasta que

el pozo es puesto en producción, y debe de ponerse mucho cuidado ya que de ellas depende

la explotación racional del campo. Se considera que la técnica más aceptada para la

terminación de pozos es mediante un empacador y tubería de revestimiento denominada

“liner”.(3)



13

Figura 1.3. Arreglo típico de un pozo de producción.

Empacador

Tubería de producción

Tubería de revestimiento

Tubo conductor

Perforaciones

Zona de explotación Zapata

Árbol de válvulas



14

El empacador es un elemento usado en los aparejos subsuperficiales de producción, se usa

con base a una de sus cuatro funciones:

1. Proteger la tubería de revestimiento (TR) al colapso, en aquellos casos en que la

presión dentro de ésta es menor que la existente exteriormente en las formaciones, de

tal suerte que ésta pueda rebasar la resistencia al esfuerzo externo de la TR

colapsándola.

2. Separar intervalos en producción, por ejemplo en el caso de una terminación en que se

deseen producir dos intervalos de formaciones diferentes o bien, un tramo productor y

otro inyector; es decir, uno usado para inyectar agua o gas al yacimiento.

3. Cuando la presión de la formación ha declinado de tal forma que se requiere producir

mediante el método de bombeo neumático en el cual se requiere tener gas a presión en

el espacio anular, perfectamente aislado de la formación, por lo que en este caso se

justifica plenamente el uso de empacador.

4. Cuando se desea proteger la tubería de revestimiento de la corrosión que causa la

presencia del ácido sulfúrico (H2S), por ejemplo en los pozos del área Lerma Talismán

de Petróleos Mexicanos. En casos como éste, el espacio anular deberá mantenerse

lleno de aceite u otro fluido anticorrosivo.

Como se ha podido observar, la terminación de pozos es una actividad primordial entre las

que se desarrollan en la explotación del pozo. Para la inspección del pozo se requiere de

diversas herramientas que se han desarrollado para este fin, sin embargo es necesario saber

que tipo de terminación se ha realizado en el pozo para poder determinar el diámetro

adecuado de la herramienta a utilizar. De esta forma, la terminación de pozos se ha

agrupado en cuatro grupos principales:

1. El que considera los pozos cuyo aparejo sub-superficial lleva empacador y está

terminado con tubería de revestimiento.

2. Los terminados en agujero abierto y con empacador, es decir, sin tubería de

revestimiento en la zona productora.

3. Los terminados sin empacador, es decir, con la tubería de producción (TP) libre

(colgada)



15

4. Los que tienen tubería corta cementada, en cuyo extremo lleva un dispositivo pulido

para absorber las elongaciones en la TP (tubería de producción), causadas por las

variaciones de la temperatura en el pozo.

Como se ha especificado, la información obtenida a través de los registros de producción

proporcionan una guía sobre la forma más apropiada para la terminación de los siguientes

pozos. Basándose en estudios realizados sobre el área cretácica Tabasco-Chiapas, una de

las más importantes del país, se definieron los siguientes aspectos importantes para una

terminación de pozos:

1. En cuanto a la conservación de la energía, se deberá conocer para un pozo en

terminación, la presión estática del yacimiento, la presión de saturación del yacimiento,

la presión de saturación del aceite contenido y con base a estos datos se determina el

régimen de producción tomando en cuenta también la presión en la cabeza del pozo

(Pc) y la presión de pozo fluyendo (Pff).

2. En lo correspondiente a los diámetros de las tuberías de producción, la mejor

terminación será aquella que permita, en las condiciones óptimas de aprovechamiento

de la energía del yacimiento, el gasto con menores pérdidas de energía del yacimiento,

el mayor gasto con menores pérdidas de energía, es decir, con las menores pérdidas por

fricción. ( Flujo más eficiente, menores pérdidas por fricción).

El diámetro de las tuberías utilizadas en la terminación de pozos es de gran importancia

desde el punto de vista de inspección de los mismos, ya que en diversas ocasiones es

necesario tener información del comportamiento del pozo a través de sondas de diversos

diámetros por lo cual es necesario conocer el estado mecánico del pozo, en donde el

diámetro de la tubería llega a ser una restricción.

En base a los trabajos realizados por personal de PEMEX, se llevó a cabo un estudio del

comportamiento de flujo en tuberías verticales con el propósito de precisar para el caso

concreto de los pozos del país, los diámetros de las tuberías de producción más adecuados y

convenientes para las circunstancias actuales. De tal estudio se tomaron las gráficas 1.1. y

1.2., que permiten determinar, para ciertas condiciones, los diámetros de tuberías de

producción más convenientes.



16

Para terminar los pozos de esta área se ha venido usando T.P. de φ60.3mm (2 3/8”), φ73.02

mm ( 2 7/8”) y φ88.9 mm (3 ½”) de diámetro, pero con base a los estudios, se ha

considerado la conveniencia de producir en el futuro con T.P. de diámetros mayores, por

ejemplo de φ114.3 mm (φ 4 ½ ”) y φ127 mm (5”) o bien, por espacio anular de una T.P. de

φ60.3 mm (φ2 3/8”) y la T.R. (tubería de revestimiento), de φ193.6mm (φ7 5/8”) que son las

condiciones para un flujo más eficiente (4).

Gasto (Bls/día)x10

PRE

SIO

N S

UPE

RFI

CIA

L k

g/cm

(

p si)

Flujo por tubería de producciónFlujo por espacio anular

Gráfica 1.1.Gráfica para seleccionar el diámetro de la tubería en función de la presión superficial.(4)

Gráfica 1.2. Gráfica para seleccionar el diámetro de la tubería en función de la presión de fondo.(4)


Tesis de Maestría, MAHR, 2000 17

1.4. Tubería utilizada en la terminación de pozos

El tipo de tubería, así como los diámetros apropiados son determinados por las condiciones

internas del pozo; el flujo, la corrosión, la presión y la temperatura son características que

se deben conocer para establecer el tipo de tubería a utilizar. En la terminación de un pozo

las tuberías que se utilizan están denominadas de la siguiente forma:

a.- De producción

b.- De trabajo

c.- De revestimiento

d.- Lavadora

Para los fines del presente proyecto, es necesario tener un panorama sobre las tuberías que

se utilizan en la terminación de pozos. A continuación se presentan algunas características

técnicas así como sus aplicaciones.

1.4.1.- Tubería de producción

La norma API 5L, rige la fabricación de tuberías de producción y en general aquellas

utilizadas en la terminación de pozos. La tubería de producción y sus accesorios, están

considerados como los elementos más importantes y costosos dentro de la infraestructura

de un pozo, puesto que constituyen el conducto para la extracción de hidrocarburos del

fondo del pozo a la superficie, a la vez que permite efectuar la inyección de fluidos a través

de éstas, protegiendo las tuberías de explotación o de revestimiento de la presión y

corrosión.

La tubería de producción se selecciona tomando como base los siguientes aspectos:

a.-El diámetro óptimo que minimice las caídas de presión prolongando el tiempo de a

etapa de flujo de hidrocarburos.

b.-Facilitar la operación a futuro de los dispositivos de bombeo artificiales, ya sea

mecánico o neumático.

c.-Facilitar el acceso de dispositivos para la inspección de las condiciones del yacimiento.



1.4.2.- Tubería de trabajo

A la sarta que se selecciona según las necesidades en pozo y capacidad del equipo, se le

conoce como Tubería de trabajo, sus principales empleos son:

a.- Viajes de reconocimiento

b.- Moliendas

c.- Pescas

d.- Corridas de tubería corta

Se evita usarse en operaciones donde se aplican presiones elevadas internas, debido a que

el sello que efectúan las juntas no proporciona la efectividad necesaria. Asimismo, se evita

su uso en pozos que se encuentran en la etapa de explotación.

Para la fabricación de estas tuberías se toman en cuenta las especificaciones que

proporciona el API 5L (American Petroleum Institute) y se identifica según:

Grado: es el esfuerzo mínimo del acero y proporciona resistencia a la tubería.

Medida: es la longitud del tubo, sin tomar en cuenta los extremos.

Espesor de pared: es prácticamente el espesor de la tubería, dado por la diferencia

de radios.

Peso: es el peso nominal por unidad de longitud del tubo.

Rango : es la longitud del tubo incluyendo sus extremos.

1.4.3.- Tubería de revestimiento

Es la manera más común como se les conoce a las tuberías que se encuentran

permanentemente en un pozo, y dependiendo de donde se encuentren se dividen en :

Superficiales : se localizan entre los 500 y 1 500 m de profundidad, donde se

pueden esperar bajas presiones, de 35 hasta 102.98 bar (1493.6 lb/pulg2 ).

Intermedias : se encuentran entre los 1 500 y 2 800 m de profundidad, donde

existen presiones que van desde los 105 hasta los 205.93 bar (2987.19

lb/pulg2).

De explotación: se les halla entre los 2 800 y 6 500 m. A estas profundidades



existen altas presiones que van desde 210 hasta 411.91bar (5974.39

lb/pulg2).

Estos tipos de tubería pueden ser de un mismo diámetro y peso o combinadas, dependiendo

de los esfuerzos a los que se va a someter, así como de la profundidad.

De acuerdo a su diseño existen cinco clases de tuberías de revestimiento, que son :

a. Tubería de revestimiento conductora: se coloca como máximo a 50 m de la superficie,

y sus funciones son de soportar las paredes del pozo e instalar la línea de flote.

b. Tubería de revestimiento superficial: sus funciones son evitar la contaminación de

fluidos de la formación con los fluidos de control; soportar las cargas de las tuberías de

explotación; permitir la instalación del primer cabezal, así como el conjunto de

preventores y soportar las cargas de las demás tuberías de explotación.

c. Tubería de revestimiento de explotación: su objetivo es soportar las presiones de la

formación, así como el paso de fluidos de control y un medio para explotar los

intervalos productores.

d. Tubería de revestimiento intermedia: también llamada “de protección”, está diseñada

para dar seguridad en las operaciones cuando se continúa la perforación y para

proteger a las formaciones de presiones y contaminación de fluidos.

e. Tubería corta de explotación: generalmente se utiliza en pozos profundos donde la

capacidad del equipo de perforación está limitada en su potencia de trabajo con

respecto a la profundidad. Se ancla en la tubería de revestimiento anterior, también

conocida como “Liner”, permite la explotación de los intervalos productores.

Debido a la gran variedad de profundidades, presiones y fluidos que existen en los campos

de petróleo en México, es necesario el empleo de diferentes diámetros y capacidades en las

tuberías de revestimiento, que proporcionan el máximo de eficiencia durante la vida

productiva del pozo.

1.4.4.- Tubería lavadora



A la tubería lavadora se le utiliza en operaciones de limpieza exterior de tuberías,

lastrabarrenas, empacadores atrapados, con zapata rotatoria y en operaciones de pesca con

cortatubo exterior. Existe una gran variedad de diámetros , sin embargo en este trabajo y

para efectos de estandarización, se han seleccionado cinco diámetros, que son: ∅101.6 mm

(4”), ∅127 mm (5”), ∅139.7 mm (5 ½”), ∅146.05 mm (5 ¾”) y ∅161.92 mm (6 3/8”), todos

de la marca “Hydrill”, con conexión tipo “ FJ-WP ”.

Este tipo de conexiones ofrece altos valores de torsión debido a que cuenta con dos topes

de 90°, uno en el piñón y otro en la caja, los cuales soportan los efectos de la torsión y la

presión por su unión intermedia en los dos diámetros diferentes de rosca, logrando así el

sello de metal a metal.

1.5. Corrosión en tuberías de producción

La industria del petróleo contiene una amplia gama de medios corrosivos, algunos son

únicos en esta industria, es conveniente agruparlos para su estudio en tres grandes áreas que

son :

a.- Producción

b.- Transporte y almacenamiento de hidrocarburo

c.- Refinerías en operación

Sin embargo, se enfoca la atención hacia el área de producción, donde se encuentra un

campo de aplicación en la detección de anomalías causadas por diversos agentes corrosivos

a través de herramientas similares a la que será desarrollada en su forma mecánica en este

trabajo.

El fenómeno de la corrosión es tan importante en cualquiera de éstos campos que las

compañías petroleras, gastan una buena parte de su presupuesto en la prevención de ésta y

algunas veces, en la reparación de instalaciones cuando el grado de ataque es

significativo.(4)



Figura 1.4. Corrosión en el exterior de una tubería.

Los campos de petróleo y gas consumen grandes cantidades de hierro y tuberías de acero,

bombas, válvulas, etc., que están expuestas al medio corrosivo. Durante la perforación es

posible encontrar depósitos de agua que causan pérdida de aceite y gas, permitiendo

también infiltración de agua creando taponamientos e incrementando los daños por

corrosión. El agua salada y los sulfuros están siempre presentes en los pozos de petróleo y

gas, produciendo el fenómeno de corrosión dentro y fuera del tubo, la figura 1.4. muestra

una sección de tubería con un grado de corrosión que afecta el espesor de la pared del tubo,

disminuyendo su resistencia mecánica.

La corrosión característica de un pozo puede ser determinada por:

a.- Inspección del equipo susceptible al ataque.

b.- Analizando las concentraciones de dióxido de carbono, ácidos orgánicos y fierro.

c.- Utilizando testigos de corrosión.

d.- Empleando una herramienta de inspección para calibrar la tubería.

La medición del contenido de fierro y la herramienta de inspección, son usados para

cuantificar la efectividad de tratamientos efectuados con inhibidores.



Existen algunas definiciones teóricas de la corrosión que establecen que todos los

materiales sufren una degradación por corrosión en diferentes grados, incluyendo los

materiales no metálicos, sin embargo se puede disponer de algunos materiales resistentes a

medios específicos o en su defecto de las técnicas de control anticorrosivas adecuadas.

La NACE (National Association of Corrosion Engineers) define la corrosión como el

“deterioro que sufre un metal con el medio que lo rodea”, otra definición especifica que la

corrosión es la destrucción gradual de un material metálico por reacción química o electro-

química, etc.

Para que exista el fenómeno de corrosión, es necesario que existan los siguientes

componentes:

1. Un electrolito, formado por cualquier solución o medio conductor, generalmente

es agua con iones disueltos.

2. Un ánodo, es el electrodo metálico que se corroe en la interface metal-electrolito

3. Un cátodo, también es un electrodo metálico que protege en la interface

metal-electrolito.

4. Un conductor externo, este es un conductor metálico que conecta al ánodo

con el cátodo y generalmente la constituye la misma tubería.

Al conjunto de los cuatro elementos citados se le conoce como celda electroquímica de

corrosión, fig. 1.5. Muchas celdas de corrosión pueden presentarse bajo una simple gota de

agua.

Fe(OH) 3

AREA DEL ANODO

Fe++ Fe++

ELECTROLITO

2e

H H H H H

H+ OH- H 2

O 2

AREA DEL CATODO

FIERRO

CORRIENTE

O2

Figura 1.5. Celda de corrosión electroquímica.



Las celdas de corrosión son sistemas muy complejos con muchas reacciones químicas

diferentes, dependiendo de los agentes corrosivos presentes. El agua químicamente pura no

es corrosiva al fierro, sin embargo si se le adicionan varias impurezas, se puede convertir

en extremadamente corrosiva, como pueden ser las que a continuación se indican:

• H2 (hidrógeno ) reacciona con el agua para formar ácido sulfúrico.

• CO2 ( bióxido de carbono ) reacciona con el agua para formar ácido carbónico.

• O2 (oxígeno) disuelto en el agua forma celdas de corrosión por concentración de

oxígeno, además de incrementar los efectos de otros agentes corrosivos.

• NaCl (sal) incrementa la conductividad del agua activándose el transporte de cargas.

Este aumento de conductividad puede elevar la velocidad de corrosión

significativamente.

El ácido sulfhídrico y el bióxido de carbono reaccionan con el agua para formar ácidos; por

lo tanto, la acidez del agua es importante para determinar corrosividad y está dada por un

coeficiente denominado pH. (4)

Dentro del área de la producción de hidrocarburos se han definido los siguientes tipos de

pozos en los cuales existe un ataque de agentes corrosivos característicos de esta

clasificación.

1.- Pozo de condensado

Los pozos de condensados manejan fluidos (gas conteniendo hidrocarburos disueltos) a

presiones arriba de 689.475 bar (10 000 lb/pulg2) y profundidades de hasta 4572m

(15 000 pies). El dióxido de carbono es el agente corrosivo más agresivo, con ácidos

orgánicos que contribuyen al ataque. Aproximadamente el 90 % de los pozos con corrosión

tienen las siguientes condiciones:

a.- Profundidad mayor a los 152.4 m (500 pies).

b.- Temperaturas arriba de 71.11° C y presiones de más de 103.42 bar (1500 lb/pulg 2).

c.- Dióxido de carbono con presión parcial arriba de 1.034 bar (15 lb/pulg 2).

d.- En la cabeza del pozo el pH es menor que 5.4

2.- Pozos con aceite dulce



La corrosión aparece en flujo de alta presión. Existen métodos usados para combatir este

fenómeno, como son recubrimientos, inhibidores y uso de aleaciones especiales. El

recubrimiento ha sido el método más favorable.

3.- Pozos con aceite amargo

Estos pozos manejan el hidrocarburo con altos contenidos de ácido sulfhídrico (H2S), que

representa un medio ambiente muy corrosivo. En altas concentraciones de H2S, existen

ataques severos en la tubería, especialmente en la parte cerca de la cabeza del pozo donde

existe gas acumulado. La corrosión es reducida por inhibidores que se inyectan de forma

continua o periódicamente, dependiendo de la corrosividad del pozo.

4.- Pozos perforados “costa fuera”

Estos pozos presentan muchos problemas interesantes de corrosión. Las plataformas son

construidas por encima del nivel del agua, soportadas por barras colocadas en el piso del

océano, las cuales están cubiertas por carcazas de tubo para su protección.

Una variedad de métodos contra la corrosión son usados en cada estructura, estos incluyen:

a.- Adición de inhibidores en el agua estancada entre las barras y la carcaza de tubo.

b.- Protección catódica, con ánodos de sacrificio colocados bajo el agua.

c.- Pinturas y otros recubrimientos orgánicos para proteger las estructuras expuestas en

zonas de salpicadura de agua.

El agua es comúnmente encontrada en el petróleo crudo y es difícil removerla. Actuando

como electrolito, es causante en la mayoría de los casos de la corrosión. A continuación se

presentan brevemente los agentes corrosivos encontrados más frecuentemente en las

tuberías de producción. (4)

1.5.1. Ataque por ácido sulfhídrico.



El ataque por H2S presenta las siguientes características:

• A concentraciones 30 > ( H2S ) > 3 ppm, es significativo el efecto.

• A concentraciones ( H2S ) ≥ 30 ppm, el producto de corrosión FeS presenta cierta

solubilidad.

• A concentraciones ( H2S ) > 370 ppm, el producto de corrosión FeS es insoluble.

Además de las características anteriores, el H2S es un catalizador de las reacciones

catódicas.

H+ + e− → H

Lo que provoca una depolarización del sistema.

Se consideran gases amargos aquellos cuya presión parcial de H2S es mayor a 0.0034 bar

(0.05 lb/pulg2). Bajo estas condiciones y con la presencia de agua, se forma un electrolito

ácido donde el hierro de la superficie metálica es atacado según :

Fe + H2S → FeS + 2 H+ + 2e

Los iones H+ pueden tener los siguientes destinos:

• Se oxidan para formar agua.

• Se combinan para formar hidrógeno gaseoso.

• Se absorbe en la superficie metálica para difundir en el acero.

Figura 1.6. Ataque por ácido sulfhídrico.

El ataque por ácido sulfhídrico puede generar picaduras superficiales, como se muestra en

la figura 1.6, su efecto en combinación con CO2 es mucho más agresivo como ataque que



ocasiona desgaste o disolución del metal. La importancia del ataque por ácido sulfhídrico

reside en el camino que sigue el hidrógeno liberado por la reacción con el metal.

El hidrógeno es parcialmente absorbido por la superficie metálica, de donde difunde hacia

el interior; este elemento puede generar varios efectos dentro del metal; por una parte puede

provocar su fragilización. El mecanismo en si aún no es del todo claro pero involucra la

formación de hidrocarburos y la disminución de la movilidad de dislocaciones, generando

un endurecimiento que disminuye la ductilidad, este efecto es más remarcado entre más

altas sean las propiedades de resistencia mecánica del material.

Por otra parte, el hidrógeno disuelto y que difunde dentro del acero, lo hace a través de

dislocaciones y juntas de grano, hasta llegar a lugares de discontinuidades (o trampas),

donde se alojan y se combina para formar hidrógeno molecular. Los sitios-trampa para el

hidrógeno son principalmente inclusiones no metálicas, donde se acumula ejerciendo

presión interna en el material. Dependiendo de la morfología de las inclusiones, así como

de su distribución, puede generarse agrietamiento y comunicación entre estas, hasta

provocar ampollas y fracturas escalonadas o transversales, ver figura 1.7. Este tipo de daño

se presenta principalmente en aceros de baja resistencia (dureza ≤ 22 HRc) con segregación

inclusionaria o con un contenido alto de segregaciones elongadas.(4)

Figura 1.7. Ampoyas producidas por ácido sulfhídrico.

1.5.2. Ataque por dióxido de carbono.

El ataque por CO2 presenta tres tipos de producto de corrosión:



• Producto disuelto

• Producto poroso e irregular

• Producto compacto y adherente

La corrosión por CO2 puede ser fácilmente frenada con el uso de inhibidores. La

recomendación es comprobar la efectividad y dosificación requerida del inhibidor antes de

utilizarlo, además de evitar acumulaciones de agua en las líneas y una limpieza periódica.

Figura 1.8. Picadura típica por CO. 2

1.5.3. Corrosión Combinada CO2 y H2S

Se pueden definir tres efectos por el tipo de producto formado a causa del ataque por

carbonatos, así como tres combinaciones dependiendo de la concentración de ( H2S ).

• Para concentraciones de ( H2S ) inferiores a 3 ppm, el efecto por H2S es mínimo.

• Para concentraciones de ( H2S ) entre 3 y 30 ppm, la velocidad de ataque del CO2 se ve

fuertemente catalizada.

• Para concentraciones de ( H2S ) superiores a las 30 ppm, este efecto es decreciente ya

que el producto formado FeS presenta cierta insolubilidad.

• Para concentraciones de ( H2S ) superiores a 370 ppm, la reacción se frena

fuertemente. La combinación más peligrosa del ataque por CO 2 y H2S de 3-30 ppm, y

cuando el producto formado por el ataque CO2 es inestable o poroso, entonces se

generan cavidades que pueden tener velocidades muy altas de ataque.



Medidas Preventivas

La mejor medida preventiva que se puede tomar para proteger un sistema de conducción de

hidrocarburos viene desde el diseño de la línea, sin embargo, existen algunos factores que

en ocasiones son difíciles de anticipar, tales como:

a.- Variación en la composición de un producto conforme transcurre el tiempo,

debido a cambios en las técnicas de explotación.

b.- Variación de composición debido a modificaciones de procesos en plantas.

Dichas alteraciones implican actividades correctivas en la operación y mantenimiento de

líneas, para lo cual es necesario monitorear periódicamente el fluido circulante.

Este tipo de ataque es de los más nocivos y difíciles de controlar dadas las características

del producto de corrosión formado y del efecto sobre el cátodo del H2S. La forma de

disminuir el ataque es bajo combinación de: (4)

a- Evitar concentración de agua.

b.- Uso de inhibidores.

c.- Limpieza frecuente.

1.6.- Herramientas utilizadas en la inspección de pozos petroleros.

La tecnología de las imágenes con aplicación en la industria petrolera, es uno de los

campos que avanza rápidamente en la Geología, el interés por obtener una imagen del

fondo y las paredes de un pozo petrolero ha contribuido a obtener sistemas cada vez más

complejos y con aplicaciones inimaginables.

Existen muchos casos en donde los geólogos, petroleros, ingenieros de perforación, etc.,

desean ver las paredes del agujero, formación o el estado interno y externo de la tubería,

todo esto no puede ser proporcionado con más detalle por una exploración convencional

del pozo. Muchas de las herramientas existentes, son corridas con el propósito de evaluar la

formación o realizar una inspección de la tubería, siendo impráctico obtener una imagen

empleando una herramienta y proporcionar la información que solicite el ingeniero de cada

especialidad, en este caso es necesario utilizar una herramienta para cada necesidad. Es

posible obtener datos de una imagen del agujero a través de cámaras ópticas.

CAPÍTULO 1, Conceptos generales


En la actualidad la investigación y la ingeniería han desarrollado con aplicaciones de la

óptica, acústica y eléctrica, herramientas de imágenes de las que se puede escoger según el

tipo y aplicación.

Algunas de las primeras imágenes proyectadas fueron realizadas por cámaras fotográficas.

Equipo desarrollado para aceite en la profundidad de los pozos incluyendo cámaras

estereoscópicas montadas en sistemas que bombean fluidos transparentes enfrente de las

lentes. Este sistema puede tomar imágenes y determinar topográficamente el relieve del

agujero y la superficie del tubo. La figura 1.9. y 1.10. muestran fotografías del interior de

una tubería tomada por la herramienta denominada “ Stereoscopic deep well photography

in opaque fluids”.

Mientras una técnica simple de fotografía proporciona gran resolución, una desventaja es la

inhabilidad para el operador de ver la región que esta siendo tomada, hasta después de traer

el artefacto a la superficie y revelar las exposiciones, otra limitación común de todas las

herramientas ópticas es que no pueden ver a través de fluidos opacos.

Con la llegada de las videocámaras relativamente pequeñas en los 60´s, los investigadores

comenzaron a experimentar con pozos y obtener imágenes que se podían observar en

televisión.

Estas herramientas proporcionaban vistas en tiempo real y permitía al operador

rápidamente localizar y estudiar regiones de interés, tenía aplicaciones en tuberías y

agujeros abiertos, en fluidos en flujo, gas o pozos llenos de agua.

Figura 1.9. Perforaciones localizadas en Figura 1.10. Tubería en buenas condiciones.(5)

una tubería de producción.(5)



Actualmente numerosas compañías ofrecen servicios en minería, pozos de agua e industria

petrolera. Se han mejorado los sistemas de iluminación, cámaras, electrónica, líneas de

transmisión y se ha incrementado la capacidad de almacenar y procesar datos, muchos

sistemas ahora proporcionan imágenes a color. Algunas cámaras especiales son capaces de

captar superficies extremadamente difíciles. Mientras se proporciona alta resolución y color

verdadero en las imágenes, las cámaras ópticas están limitadas para ver a través de fluidos

transparentes. La necesidad de inyectar fluidos transparentes en lodo o el pozo lleno de

aceite ha limitado la aplicación en estas situaciones.

Se ha encontrado diversas herramientas que son utilizadas para obtener información de las

condiciones internas de un pozo, a continuación se mencionan por su nombre comercial

aquellas que se han considerado importantes.

a.-“Detection of external pipe defects with a modified borehole televiewer”, es una

herramienta diseñada por ARCO OIL & GAS COMPANY, que es capaz de precisar y

realizar un mapeo detallado de la topografía de las paredes del agujero o de la superficie

interna de una tubería de producción. Esta herramienta posee un sensor de ultrasonido

expuesto directamente a los fluidos del pozo a través de una ventana, la señal del

ultrasonido es digitizada en el fondo para después ser transmitida a través del cable

conductor hacia la superficie. Un microprocesador controla el proceso de medición y puede

procesar un número considerable de señales en el fondo del pozo. Aunque el sistema fue

diseñado para cálculos en tiempo real, los datos son corrientemente recobrados en la

superficie para obtener espesores de pared con exactitud de 0.254mm (0.01”). El sistema es

conocido como BHTV ( Ultrasonic Borehole Teleview ), utiliza un transductor

piezoeléctrico para enviar pulsos de ultrasonido a las paredes de la tubería o en el pozo,

retornando en un tiempo determinado y son recibidos por el sensor, que rota a una

velocidad de 3 rps. Alrededor de 500 pulsos por revolución se envían, mientras se desplaza

a lo largo de la tubería a una velocidad de 1.524 m/min (5 pies por minuto).

b.- El sistema DUST ( Digital Ultrasonic Scanning Tool), mostrado en la figura 1.11, es

otra herramienta similar a la anterior y es también fabricada por la misma compañía, ARCO

30



OIL & GAS COMPANY, tiene un diámetro de 82.55 mm (3.250”) y ha sido probada a 150

°C y 551.58 bar (8 000 lb/pulg2), porciones de electrónica se han probado a una temperatura

de -55° hasta +175°C y se ha sometido a medio ambiente en condiciones adversas.

Este sistema fue completado en 1987, fabricándose un prototipo que se probó a alta presión

y temperatura, fue probado en tuberías con diámetro interior de 114.3 mm (4.5”) y 139.7

mm (5.5”) de diámetro exterior. Posee un transductor piezoeléctrico montado en una cabeza

rotatoria, expuesto a los fluidos del pozo y a los lodos propios del mismo. El sistema posee

una serie de pequeños pero potentes transductores, cada uno montado en una cabeza

diferente con los circuitos necesarios incluidos.

Sin embargo existe un problema entre

definir si se requiere buena resolución en la

medida del espesor de la tubería o

inspeccionar la rugosidad en la superficie

interior de la tubería en presencia de lodos,

estas limitantes dependen del tiempo de

procesamiento de la señal, la correcta

inspección sobre el espesor de la tubería

depende de la banda de frecuencia del

transductor utilizado, la cual se atenúa por la

presencia de lodos y la reflexión sobre la

rugosidad de la superficie del tubo.(5)

Figura 1.11. Cabeza rotatoria del sistema DUST, se observa un sensor de 19.05 mm (0.750”). de diámetro.(5)

c.- Las herramientas USI ( UltraSonic Imager ) y UBI ( Ultrasonic Borehole Imager ) son

una nueva generación de instrumentos para generar imágenes del interior de los agujeros,

son físicamente similares una con otra, se diferencian solamente por el tipo de transductor

que se utiliza dependiendo del medio ambiente y la aplicación que se les da. La

interpretación de los datos que proporcionan es también una diferencia entre ambas, que no

depende de la aplicación.

La herramienta USI fue diseñada en un principio como una herramienta para proporcionar

imágenes de la superficie interna de tuberías, mientras que la herramienta UBI fue



desarrollada a partir de ésta utilizando transductores de alta resolución y para trabajar en

aplicaciones a agujero abierto (agujero sin tubería). El principio de la herramienta se basa

en el funcionamiento de un transductor rotatorio conectado a lo que es el cuerpo de la

herramienta. En su forma estándar, el sistema gira en el sentido de las manecillas del reloj.

La distancia que viaja el pulso de ultrasonido en los fluidos del agujero es optimizada con

la selección del sensor adecuado dependiendo de las propiedades del fluido, en la mayoría

de los casos, los fluidos pesados atenúan la señal. El transductor funciona como emisor y

receptor de la señal, emitiendo señales de ultrasonido de entre 195 y 650 kHz., en el caso de

la USI, la frecuencia y la transmisión de la energía es controlada por un software especial

que depende del tipo de fluido así como del espesor del tubo. Para la operación de la

herramienta UBI que trabaja en agujero abierto con lodos pesados, la selección de la

frecuencia es manual y se selecciona en un rango de 250 o 500 kHz.

La figura 1.12. muestra la cabeza rotatoria de

la herramienta USI, que es fabricada solo en

diámetros de 89.92 mm (3.543”), 112.97 mm

(4.488”),164.99 mm (6.4962”) y 216.99 mm

(8.543”) de diámetro exterior, como se puede

observar es desmontable.

Figura 1.12. Transductor USI (5)

Para la herramienta USI el análisis del eco recibido por el transductor proporciona cuatro

distintas aplicaciones: mide el radio interno de la tubería, la rugosidad de la superficie

interna, el espesor del tubo y la impedancia acústica del cemento.

Las condiciones físicas de la tubería son monitoreadas midiendo el radio interno o el

espesor de la tubería, estimando la rugosidad de la superficie interna, esta información es

presentada en un mapa que se interpreta bajo los siguientes términos:

a.- Identificación , localización y cuantificación de la corrosión del tubo.

b.- Estimación del daño causado en referencia las dimensiones del espesor del metal.



c.- Estimación del daño causado por el barrenado o actividades de pesca o formación

de plásticos.

d.- Pérdidas internas y externas de metal.

e.- Localización e identificación de intervalos de perforaciones en la pared del tubo.

f.- Identificación de agujeros en la tubería.

g.- Identificación y localización de otras anomalías.

La herramienta UBI es utilizada principalmente para evaluar fracturas de la tubería del

pozo, utilizando para ello transductores de alta resolución que proporciona información con

más detalle de la estructura de un agujero.(5)

d.-Algunas otras herramientas como la “Stereoscopic Deep Well Photography in Opaque

Fluids”, utiliza una cámara para obtener imágenes del interior del pozo y algunas veces del

interior de la tubería. Esta herramienta opera bajo un bache de líquido claro bombeado por

la misma, es capaz de tomar fotografías automáticamente, la figura 1.13., muestra una vista

general , en donde se puede observar que cuenta con una cámara de 35 mm estereoscópica,

tiene un diámetro exterior de 101.6 mm (4”) y un largo aproximado de 9.448 m, posee un

compartimento de 23 467 cm3 (23.467 litros) donde almacena y se bombea un fluido

transparente y limpio. Esta herramienta ha sido probada hasta 517.05 bar (7 500 lb/pulg2)

de presión y fue diseñada para resistir hasta 689.47 bar (10 000 lb/pulg2), tiene la limitante

de operar bajo temperaturas de no más de 80 ºC. La figura 1.14., muestra una fotografía del

interior de una tubería obtenida por esta herramienta.(5)

Figura 1.13. Disposición de la herramienta Figura 1.14. Fotografía del interior de una “Stereoscopic Deep Well Photography in Opaque Fluids”. tubería obtenida por la herramienta.



1.7. Generalidades sobre ultrasonido

Las ondas ultrasónicas han adquirido gran importancia en los últimos años. Sus

propiedades específicas han sido aplicadas a la industria, a la señalización, a la medicina y

a muchos campos.

Se dice que un cuerpo produce o transmite ultrasonido, cuando es capaz de generar ondas

vibratorias a frecuencias mayores a las audibles por el ser humano, esto es, frecuencias

superiores a 20 kHz; aunque en algunos procesos industriales encontramos aplicaciones de

ondas a frecuencias menores de 20 kHz, técnicamente también es correcto llamarle

ultrasonido. Todo material que tenga elasticidad puede propagar ondas ultrasónicas.

Una de las características importantes a considerar en un evento ultrasónico, es la longitud

de las ondas generadas:

fc

=λ (1.1)

de donde:

λ= longitud de onda

c= Velocidad de propagación del sonido

ƒ= frecuencia de vibración

A medida de aumenta la frecuencia de operación, disminuye la longitud de las ondas

generadas. En el intervalo de frecuencia mínima, la longitud de las ondas ultrasónicas en

los sólidos es de aproximadamente 20 cm, en los líquidos de 6 cm y en el aire de 1.6 cm,

mientras que en el intervalo máximo de frecuencias, las longitudes de onda se aproximan a

un valor en los sólidos de 8x10-4 cm, en los líquidos de 2.5x10-4 cm, y en los gases de

0.6x10-4 cm.

34



1.7.1. Tipos y características de transductores

Industrialmente hablando, un transductor ultrasónico es todo aquel dispositivo capaz de

transformar energía eléctrica en ultrasónica o viceversa. En procesos industriales, los

transductores se dividen básicamente en dos tipos, piezoeléctricos y magnetoestrictivos.

a. Transductores piezoeléctricos: son aquellos sensores o transductores cuya fuente

generadora de ultrasonido es un cristal o cerámica. El efecto piezoeléctrico es el cambio

en dimensiones físicas que experimenta un cuerpo cuando se aplica una carga eléctrica.

Los materiales que presentan características apropiadas para ser ocupados como

piezoeléctricos son el cuarzo, aleaciones de titanato de bario y sulfato de litio, siendo

estos dos últimos, los más eficientemente empleados. Generalmente los materiales

piezoeléctricos son utilizados para generar frecuencias superiores a 50 kHz.

b. Transductores magnetoestrictivos: son aquellos sensores o transductores cuya fuente

generadora de ultrasonido es un material ferromagnético. El efecto de

magnetoestricción es el cambio de dimensión física, ya sea lineal, circular o de volumen

que experimenta un cuerpo cuando varía su estado magnético. Los materiales que

presentan características apropiadas para ser empleados como transductores, son las

aleaciones de níquel, cromo, hierro, cobalto, monel y las ferritas. Generalmente los

materiales magnetoestrictivos son utilizados para generar frecuencias inferiores a los 50

kHz.

En la siguiente tabla se muestran las características más importantes de los tipos de

transductores:

Características Piezoeléctricos Magnetoestrictivos

Frecuencia de operación Generalmente mayores de 50kHz Generalmente inferiores de 50 kHzCapacidad de generar altas potencias

No recomendable Altamente recomendable

Para utilizarlos como receptores Altamente recomendables No recomendables Eficiencia para transformar energía eléctrica en acústica

90-95% 70-85%

Tabla 1.4. Características de sensores

35



1.8. Principio de medición a través de ultrasonido

Como se ha mencionado, las ondas vibratorias de frecuencia superior al límite de audición

del oído normal se llama ultrasonido, caracterizada por ondas de mas de 20 000 Hz. Una

onda es un movimiento ondulatorio que tiene una longitud, frecuencia, amplitud y

velocidad de propagación.

Las ondas ultrasónicas son formas especiales de éstos tipos generales, en las que la

condición que se propaga es un desplazamiento de las partículas del medio en el que la

onda viaja, ocasionando un movimiento específico de los elementos del medio y las

trayectorias que éstos siguen según se mueve es su respuesta a la onda, se les llama órbitas,

que pueden ser paralelas a las líneas de propagación, en este caso la onda es longitudinal,

por otra parte pueden ser ejecutadas normalmente a la dirección de propagación, tales ondas

son llamadas transversales o de cizalladura.

Estos tipos de onda se encuentra presente según las condiciones del pozo, es decir; si una

operación de inspección se realiza a pozo fluyendo se tendrán ondas de cizalladura, de otra

forma si se realiza la inspección a pozo cerrado, sin flujo de aceite, se tendrán ondas

longitudinales. No es recomendable realizar esta actividad a pozo fluyendo, debido a la

generación de ondas de cizalladura, que aunque por su baja velocidad hace que los circuitos

electrónicos medidores del tiempo, son menos críticos; sin embargo, su corta longitud de

onda ha ce que sean más sensibles a las pequeñas inclusiones en el medio, por lo tanto, son

más fáciles de dispersar.

La velocidad de propagación de una onda depende de la densidad y características de

elasticidad del material donde viajan. La velocidad de las ondas longitudinales está dada

por la relación:

(1.2.) ( )( )( )μμ

μ−+

−=

111

dEc

G= módulo de rigidez E= módulo de Young c= velocidad μ = coeficiente de Poisson d = densidad

La velocidad de las ondas de cizalladura esta dada por:

(1.3.) dGc =

Esta velocidad es aproximadamente el 48% de las ondas longitudinales.



La relación habitual entre la frecuencia, longitud de onda y velocidad, se mantiene para las

ondas ultrasónicas y esta relacionada por la ecuación 1.1.

Existen diversos medios posibles de producir ondas ultrasónicas, uno de los más comunes

es el transductor de cristal, donde cristal se refiere a la cantidad de materiales naturales o

sintéticos que presentan la piezoelétricidad u otros fenómenos análogos. Como se ha

mencionado, los sistemas de conversión electromecánica más comunes son los

piezoeléctricos y magnetoestrictivos; el primero se presenta en distintos cristales y se define

como un cambio de las dimensiones cuando una carga eléctrica es aplicada a las caras del

cristal. Se pueden encontrar diversos tipos de cristales, uno de los más empleados es el

cuarzo, empleado para transmitir y recibir a bajas potencias, produciendo frecuencias de

hasta 25 MHz.

El cristal de cuarzo tiene la propiedad de aumentar de volumen y transmitir una onda

ultrasónica cuando se aplica sobre él una tensión eléctrica y también puede producir una

señal eléctrica cuando se hace vibrar mecánicamente, este fenómeno es conocido como

efecto piezoeléctrico.(23) Estos efectos constituyen la base del sistema de inspección de la

sonda y muchos otros sistemas ultrasónicos, como el análisis no destructivo de calidad de

metales, sin embargo, éste se empleará en la inspección de superficies internas de tuberías,

bajo el siguiente principio:

Un cristal de cuarzo es excitado por una diferencia de potencial, para producir ondas de alta

frecuencia, que chocaran en la superficie interior de una tubería de cierto diámetro viajando

en un medio de propagación líquido, teóricamente no podrá ser menor de 101.6 mm (4

pulg.), debido a que los ecos que se originan disminuyen su intensidad, atenuándose a una

distancia del punto de choque de 19.05 mm (0.750 pulg.), siendo captadas por el circuito

receptor aquellas con magnitud igual o similar a las emitidas (el diámetro de la herramienta

será menor que 50.8 mm(2 pulg.)). La onda que regresa genera el efecto inverso de la

piezoeléctricidad, cuando chocan con el cristal, produciendo un voltaje, que es registrado y

contado por circuitos receptor. El tiempo entre la emisión y recepción de la onda, será el

parámetro de importancia, y será empleado a través de un soft ware, para generar gráficos

donde se interpreten las variaciones de la superficie interna de la tubería. De esta forma, un

tiempo menor al promedio será tomado como un cuerpo adherido, un tiempo mayor podrá

37



ser una cavidad en la pared del tubo.

Emisión

Recepción

t0 t1

Gráfica 1.3. Gráfica del periodo de tiempo de emisión y recepción de la onda de ultrasonido.

Cabe señalar que el sensor deberá realizar un barrido sobre la superficie a inspeccionar,

debiéndose generar dos movimientos continuos, uno de rotación y otro de traslación en

forma vertical.

La siguiente figura muestra esquemáticamente el principio de funcionamiento de este

sistema:

Transductor piezoeléctrico Circuito emisor

Figura 1.15. Principio general del funcionamiento del modulo de sensores de la sonda de ultrasonido para inspección de tuberías.

Pared del tubo

Contador Display

Circuito receptor

37a

CAPÍTULO 2

Metodología del Diseño

La formulación del problema, el análisis, la búsqueda de soluciones, la toma de decisiones y la generación de especificaciones de diseño, deben de estar contempladas en todo proceso de desarrollo de proyectos. El método QFD, es una herramienta fundamental para el diseñador, que proporciona elementos para el entendimiento y solución de problemas en ingeniería.

38

CAPÍTULO 2, Metodología del Diseño


2. Metodología del diseño

El método científico es una herramienta utilizada para el desarrollo de una investigación,

como es conocido, se inicia con una observación y termina con la propuesta de una teoría,

ley o modelo. Aplicando estos pasos hacia la generación de nuevos productos podremos

comprender que el primer paso consiste en realizar una observación del problema para

comprender la problemática, hasta llegar a una propuesta de solución. En la mayoría de los

procedimientos de generación de productos, se descomponen en cierto número de fases,

dentro de las cuales podemos establecer :

• Fase de concepción y validación

• Fase de diseño detallado

• Fase de prototipo

• Fase de cambios y revisión a los diseños

• Fase de producción

• Fase de producción a gran escala

• Fase de utilización por el consumidor (14 )

Otra metodología aplicada al diseño mecánico, consiste en el desarrollo de los siguientes

pasos : 1. Formulación del problema, que consiste en definirlo en forma amplia y sin

detalles.

2. Análisis del problema, en donde se detalla el problema en sí.

3. Búsqueda de soluciones, en donde se reúnen las soluciones alternativas

mediante indagaciones, inversión, investigación, etc.

4. Decisión, en donde se evalúan, comparan y seleccionan las soluciones hasta

que se obtiene la óptima.

5. Especificación en donde la solución elegida se expone por escrito

detalladamente.

39



El proceso de diseño en general, abarca las actividades y eventos que ocurren entre el

reconocimiento del problema y la especificación de una solución del mismo que sea

funcional, económica y satisfactoria de algún modo.(6)

La importancia de un proceso de diseño estriba en la obtención del éxito o el fracaso del

producto desarrollado, ya que a través de la técnica de diseño es posible conjuntar aspectos

importantes como son costo, calidad y tiempo de desarrollo. En la figura 2.1. se plantea un

seguimiento para el desarrollo de un producto.

Figura. 2.1. Diagrama del desarrollo del producto

Ramos Watanave(7), reporta: “ El proceso de diseño inicia en la fase de comprensión del

problema y termina con un proceso de máximo refinamiento de la información a través del

diseño de detalle.”

COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA

NECESIDAD

COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA

GENERACIÓN DE CONCEPTOS

SELECCIÓN DEL MEJOR CONCEPTO

DISEÑO DE DETALLE

GENERACIÓN DE CONCEPTOS

SELECCIÓN DEL MEJOR CONCEPTO

DISEÑO DE DETALLE

ENSAYOS Y REFINAMIENTO DEL PRODUCTO

FABRICACIÓN DISTRIBUCIÓN

USO

Figura 2.2. Proceso de Diseño.

40



En un proceso de diseño el cliente debe ser la parte importante, puesto que es quién pondrá

a manera de necesidades, las especificaciones que debe llevar el producto, considerando,

aspectos técnicos, de calidad, de costos y aún más, ambientales.

En este proceso de diseño la generación de conceptos según el método de Despliegue de las

Funciones de Calidad, QFD (Quality Function Deployment), ser una herramienta mediante

la cual se determinan los requerimientos del cliente y se traduce a requerimientos técnicos

mensurables, con objeto de establecer, durante la etapa de comprensión del problema, las

características que debe poseer el producto a diseñar.(7) La figura 2.3. indica los pasos que

comprende el método QFD.

PASO 1

IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE

PASO 2

DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

PASO 3

PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

PASO 4

ESTUDIO COMPARATIVO ( BENCHMARKING )

PASO 5

TRADUCCIÓN DE LOS REQUISITOS DEL CLIENTE EN TÉRMINOS MENSURABLES

PASO 6

FIJACIÓN DE METAS DE DISEÑO

Figura 2.3. Metodología del QFD.

Las actividades orientadas a comprender el problema a resolver son la base para las

decisiones que se tomarán en etapas más avanzadas del proyecto. Al final de esta fase de

diseño, se debe tener claramente definido el tipo de producto que se requiere diseñar y sus

características principales, las cuales no deben ser suposiciones del equipo de trabajo,

deben basarse fundamentalmente en lo que el cliente espera del producto; por tal motivo, en

la identificación del problema, podemos expresar lo siguiente:

41



2.1. Comprensión del problema

La explotación de un yacimiento, algunas veces es interrumpida por la detección de

problemas dentro de la tubería de producción (generalmente conocida como TP).

Dependiendo de la región de explotación, se han encontrado pozos en los cuales la tubería

sufre un deterioro ocasionado por dos factores importantes, que son:

a.- Presencia de arenisca en el yacimiento

b.- Presencia de agentes altamente corrosivos

Ambos factores ocasionan desgaste y debilitan las paredes internas del pozo, encontrándose

en algunos casos tuberías con un espesor de pared muy pequeño, considerado fuera de

norma. Como se describe en el inciso 1.6, existen actualmente una serie de herramientas

que proporcionan información del estado interno de la TP, utilizando diversas técnicas.

La Subdirección de Exploración y Producción del IMP, a través de la Gerencia de

Geofísica, ha propuesto el desarrollo de un equipo interdisciplinario formado por sistemas

mecánicos, electrónicos y software cuya función sea obtener información del estado interno

de la tubería de producción en un pozo.

La reparación y el mantenimiento de los pozos actualmente depende de datos

proporcionados por herramientas pertenecientes a compañías extranjeras que prestan

servicio a costos muy elevados por operación. Una de las finalidades del desarrollo de este

equipo, es disminuir los costos de este tipo de trabajo, además de financiar tecnología

propia para PEMEX, desarrollada en el país.

Como se determinó en el capítulo anterior, la terminación de los pozos se realiza con

tuberías de diversos diámetros, sin embargo una estadística realizada por PEMEX en el

distrito de Villahermosa Tabasco, se encontró que el 40% de la TP, tienen una combinación

entre tuberías de 88.9 mm (3 ½”) y 73.02 mm (2 7/8”) de diámetro interior, 30 % se

encuentran con TP de 73.02 mm (2 7/8”) y 60.32 mm (2 3/8”) de diámetro y un 10 % se

encuentre con TP de 60.32mm (2 3/8”). Esta información fue tomada de aquellos pozos con

los que se cuenta con registros de la terminación y su estado mecánico, el 20 %

42



restante son tuberías de producción de diámetros mayores del cual al momento no se cuenta

con información.

Para nuestro objetivo se ha definido que la herramienta deberá operar en tuberías desde

101.6 mm (4”) hasta 273.05 mm (10 ¾”) de diámetro interno; este dato es de importancia,

ya que el diámetro de la herramienta a emplear para todo registro, está determinado por la

relación que existe entre el diámetro de la T.P., información expresada en las gráficas 1.1 y

1.2. Esto es debido a que por operación técnica de los sensores de ultrasonido deben operar

en diámetro mínimo de 101.6 mm (4”) si el diámetro exterior de su montaje es de 42.85

mm (1.687”), dado que la señal es enviada y recibida en décimas de segundo, la rapidez de

emisión y recepción de la información saturaría el sistema de adquisición de datos.

Resumiendo, se establece que las necesidades específicas a cubrir por éste sistema son las

siguientes :

1.- Determinar deformación y degradación de la superficie interior de la tubería,

tales como:

a.- Cavidades formadas por el ataque de agentes corrosivos

b.- Grietas y rupturas

c.- Deformaciones producidas por desgaste ocasionado por el flujo de

fluidos

d.- Deformaciones producidas por colapsos internos.

2.- Proporcionar la localización de cada uno de los problemas detectados, así como su

magnitud.

En primera instancia se pretende desarrollar un sistema complejo formado por dos equipos,

uno denominado de fondo y otro denominado de superficie, parecido al que se muestra en

la figura 2.4. Este sistema es similar al utilizado normalmente por Petróleos Mexicanos, en

lo referente al equipo de superficie formado por el camión de registros y el hardware. Sin

embargo, el equipo de fondo es diferente y depende del tipo de operación que se pretende

realizar. Se ha propuesto que se utilicen sensores de ultrasonido que enviarán información

hacia un bloque de electrónica especializada, que realizará las operaciones de proceso y

control de información y serán enviada a la superficie a través de un cable monoconductor

43



empleando señales electrónicas, que serán recibidas para su procesamiento por el equipo

de superficie, instalado en un camión de registros.

En puntos posteriores se dará una explicación más detallada del sistema que se propone.

Figura 2.4. Representación esquemática del equipo de fondo y superficie.

44



2.2. Detección de necesidades

El problema ha sido planteado por la División de Producción, sección de mantenimiento y

reparación de pozos, perteneciente a Petróleos Mexicanos, quien fundamenta sus

necesidades en los siguientes puntos:

a. No existe en el mercado, una herramienta de 42.84 mm (1.687”) de diámetro

externo que pueda proporcionar información sobre el estado interno de las tuberías

de producción.

b. Los costos de operación de las herramientas que se usan actualmente es alto, de

20 000 a 40 000 dólares. Es importante reducir estos costos.

c. Se requiere de una herramienta que proporcione información del estado interno de

la tubería.

d. Es necesario que el equipo de fondo resista presiones de hasta 1034.2 bar(15 000

lb/pulg 2).

e. Es necesario que el equipo de fondo soporte temperaturas de hasta 175º C.

f. Se requiere que la herramienta pueda realizar mediciones cuando está inmersa en

petróleo crudo y agua.

g. Es necesario que opere libremente en tuberías de 101.6 mm (4”) a 275.05 mm

(10 ¾”) de diámetro interno.

h. Se requiere que el equipo de fondo pueda ser utilizado en cualquier pozo petrolero

de la zona sureste del país, con tubería de producción mayor a 101.6 mm (4”)

i. Es necesario que la inversión requerida para el proyecto no sea mayor

a $ 2´000 000.00

2.3.- Descripción general del sistema propuesto

45



Los sistemas que se utilizan en la inspección de pozos petroleros están constituidos

generalmente por dos bloques, como se muestra la figura 2.5. El equipo de fondo esta

formado por una herramienta comúnmente llamada sonda, su tipo depende de la operación

que se desee realizar. Puede ser para tener registro de presión y temperatura de un pozo,

medir el gasto, tomar muestras, etc.; esto se realiza mediante el uso de sensores acoplados a

módulos de electrónica, su finalidad es procesar la información generada por los sensores

para ser enviada a la superficie donde es recibida precisamente por un equipo denominado

de superficie, en donde se procesa la señal a través de una computadora. Este equipo esta

integrado por software y hardware desarrollado en la mayoría de las veces para cubrir

necesidades exigidas por los usuarios.

En el caso de este proyecto, se propone desarrollar un sistema similar, de igual forma

conformado por dos equipos, uno de superficie y otro de fondo, el objetivo principal es

“Generar una imagen del estado interno de la tubería de producción de pozos

petroleros”, con la mayor exactitud posible, para esto se ha propuesto que se utilicen

sensores de ultrasonido y que a través del desarrollo de software se pueda manipular la

información y generar imágenes. En el inciso 1.6. se realizó un estudio del arte para

describir los sistemas que hay en la actualidad, encontrando limitaciones en su

funcionamiento con alta temperatura, ésta es una ventaja para el sistema propuesto, ya que

el arreglo de sensores de ultrasonido resisten esta condición.

El equipo de superficie estará montado en un camión de registros como el que se muestra

en la figura 2.6. y estará formado por una computadora industrial, una impresora y el

software necesario para la interpretación y manejo de información. El equipo de fondo

estará compuesto por una sonda, formada por una serie de módulos, uno de ellos va a

contener sensores de ultrasonido. Cabe señalar que en el desarrollo del sistema intervienen

diversas disciplinas, cada una contribuye con la aplicación de los conocimientos de su área.

46



Dadas estas condiciones es necesario tener especialistas en ingeniería electrónica,

computación y mecánica. Es en esta fase es donde se ha dividido por áreas el desarrollo de

cada una de las partes del sistema. A continuación se establecerán los objetivos que están al

alcance de la Ingeniería Mecánica.

IMPRESORA COMPUTADORA GRAFICADOR INDUSTRIAL

SOFTWARE

Equipo de superficie

MALACATE CABLE ELECTROMECÁNICO

CABEZA DE CONEXIÓN

MÓDULO DE ELECTRÓNICA

SENSORES Equipo de fondo

Figura 2.5.- Diagrama general del sistema de inspección de pozos.

47



Figura 2.6.Unidad móvil de registros

48



2.4.- Objetivos específicos.

1.-DISEÑAR UN SISTEMA MECÁNICO CAPAZ DE PRODUCIR UN

MOVIMIENTO ROTACIONAL A UN MÓDULO, EN EL CUAL

ESTARÁ MONTADO UN SENSOR DE ULTRASONIDO.

2.-DISEÑAR LOS MECANISMOS Y RECIPIENTES NECESARIOS,

DE MANERA QUE RESISTAN LAS CONDICIONES DE 1034.2 bar

(15 000 lb/pulg 2) Y 175 ºC DE PRESIÓN Y TEMPERATURA,

RESPECTIVAMENTE.

2.5.- Determinación de los requerimientos de calidad

49



Una vez detectados las necesidades y establecidos los objetivos generales del proyecto, se

procede a desarrollar la primera fase del proceso de diseño que consiste en determinar las

características de calidad que debe poseer el producto. Apoyados en el procedimiento

establecido por el QFD, el primer paso consiste en identificar el cliente.

2.5.1. Identificación del cliente

Cliente es todo aquel que sea impactado por las decisiones que se toman durante el diseño

del producto (Juran). En términos comerciales el cliente es la persona que decidirá la

compra del producto, quien de cualquier forma es el eslabón más importante dentro de la

cadena comercial. Por otro lado se trata también de quién utilizará el producto, es decir el

usuario final, el cliente más importante desde el punto de vista funcional. Asimismo es

considerado cliente a quien patrocina y financia el proyecto, quien fabricará y ensamblará

el producto.

Los cliente identificados en esta fase son:

a.- Desde el aspecto funcional:

Usuarios de la herramienta: Personal de operación de Petróleos Mexicanos.

Ingenieros encargados del análisis de la información.

Personal de los departamentos de reparación y

mantenimiento de pozos.

b.- Desde el aspecto comercial:

Compradores: Petróleos Mexicanos, como empresa.

c.- Desde el aspecto de fabricación y ensamble:

Productores: Aquellas personas o empresas que intervienen de

cualquier forma en la fabricación y ensamble de

elementos mecánicos necesarios, para integrar la

herramienta ( equipo de fondo ).

d.- Desde el aspecto seguridad y fiabilidad:

Utilizadores: Usuarios que realizan las operaciones y que pueden

50



establecer la magnitud de la seguridad en el empleo de la herramienta,

que desde el punto de vista técnico no existe problema alguno.

2.5.2. Determinación de los requerimientos de calidad exigidos por el cliente

Estos requerimientos han sido establecidos por el grupo de diseño y complementados por

personal de la División de Exploración y Producción, de PEMEX.

Los requerimientos establecidos se han dividido en los siguientes, de acuerdo a su

importancia. La mayoría corresponden a aspectos técnicos .

a.- Requerimientos funcionales:

a.1.- Operación entre el intervalo de temperatura de 25º C. hasta 175 º C.

a.2.- Operación en rangos de presión de 1.013 bar (14.7 lb/pulg 2) hasta 1034.2 bar

(15 000 lb/pulg 2)

a.3.- Operación en tuberías de 101.6 mm (4”) a 273.05 mm (10 ¾”) de diámetro interior

a.4.- Operación en ambiente formado por agua y petróleo crudo.

a.5.- Resistente a sustancias corrosivas propias del medio, tales como ácido sulfhídrico,

CO2, ácido clorhídrico, etc.

a.6.- Frecuencia sónica necesaria en el sensor de ultrasonido de 2 MHz.

a.7.- Velocidad de rotación necesaria para una inspección óptima de 3 rev/s.

a.8.- Resolución mínima de 2 mm.

a.9.- Diámetro exterior de la herramienta de inspección: 42.84 mm (1 11/16”).

a.10.-Ensamble con cable monoconductor de 7.93 mm (5/16”) de diámetro.

a.11.-Ensamble con cabeza tipo MH-22. ( perteneciente a equipo de PEMEX)

a.12.-Se requiere que su mantenimiento sea sencillo.

a.13.-Es necesario que resista el manejo rudo del operario.

b.- Requerimientos de versatilidad:

b.1.- Que el sistema pueda conectarse y desconectarse fácilmente.

51



b.2.- Se requiere que el diseño sea exclusivo para esta herramienta.

b.3.- Es necesario que las partes puedan ensamblarse y desensamblarse fácilmente,

requiriendo una capacitación mínima y sin complicaciones para el operario.

c.- Requerimientos referentes a la apariencia:

c.1.- La longitud de la herramienta no es restricción, siempre y cuando sea el mínimo

necesario.

c.2.- Es indispensable mantener el mismo diámetro en todo lo largo de la herramienta.

d.- Requerimientos de seguridad:

d.1.- Es necesario seleccionar los materiales adecuadamente para que resistan los

esfuerzos existentes en el pozo, ya que puede existir la probabilidad de que la

herramienta se atore en pozos donde hay presencia de parafinas. En estas

operaciones puede surgir la ruptura de piezas por la acción de la fuerza utilizada

para rescatar o liberar la herramienta. Todas estas necesidades se encuentran

incluidas dentro del concepto de fiabilidad.

e.- Requerimientos económicos:

e.1.- Es necesario controlar la inversión en este proyecto, principalmente el monto

empleado para adquirir elementos de importación. Se ha detectado a través de la

experiencia, que el manejo del presupuesto no depende directamente del equipo

encargado del diseño, sino que éste se encuentra en manos de otra oficina que

distribuye el presupuesto entre otras necesidades de los proyectos; esto ha

ocasionado falta de liquidez para obtener los elementos necesarios a tiempo y en

consecuencia, retraso en los programas de trabajo.

REF.

REQUERIMIENTOS

VALOR

UNIDAD

MENSURABLE

OBLIGATORIO

52



SI NO SI NO A Requerimientos Funcionales a.1. Operación en rangos de temperatura ≤ 175 º C 4 4 a.2. Operación en rangos de presión ≤ 1034.2

(15 000) Bar (lb/pulg2)

4 4

a.3. Operación en tuberías ≥10.16≤273.05 (≥4 ≤10 ¾)

mm (pulg)

4 4

a.4. Operación en agua y aceite 4 4 a.5. Resistencia a la corrosión (ácidos) 4 4 a.6. Frecuencia necesaria en el sensor 2 MHz. 4 4 a.7. Velocidad de rotación necesaria para inspección 3 (mín) RPM 4 4 a.8. Resolución mínima 2 mm 4 4 a.9. Diámetro exterior. 42.84 (1.687) mm (pulg) 4 4 a.10. Ensamble con cable monoconductor 7.93 (5/16) mm (pulg) 4 4 a.11. Ensamble con cabeza MH-22 4 4 a.12. Mantenimiento sencillo 4 4 a.13 Resistencia al manejo rudo de operarios 4 4 B Requerimientos de Versatilidad b.1 Fácil de operar electrónica y mecánicamente 4 4 b.2. Exclusividad de diseño 4 4 b.3. Facilidad de ensamble con capacitación mínima 4 4 C Requerimientos Referentes a la Apariencia c.1 Longitud de la herramienta sin restricción mm (pulg) 4 4 c.2. Uniformidad en el diámetro 42.84

(1.687) mm (pulg)

4 4

D Requerimientos de Seguridad d.1. Fiabilidad 4 4 E Requerimientos Económicos e.1. Inversión económica controlada 2 Millones

de Pesos 4

4

Tabla 2.1. Relación de Requerimientos

2.5.3. Requerimientos obligatorios y requerimientos deseables

Son considerados requerimientos obligatorios aquellos establecidos por el cliente como

indispensables y que llenan las expectativas de éste, la falta o el incumplimiento de éstos,

daría lugar a un diseño incorrecto. En la tabla 2.1. están marcados como “ si obligatorio ”,

los que son deseables son considerados de poca importancia pero se deben de considerar

razonablemente, se encuentran en la columna como “ no obligatorio”. Según la técnica

QFD, deben ponderarse para establecer el grado de importancia en el diseño del producto.

2.5.4. Ponderación de los requerimientos deseables

53



De acuerdo con la Tabla 2.1., los requerimientos deseables son aquellos que se encuentran

señalados con la figura (4), del mismo cuadro, los no obligatorios son los siguientes:

REF.

REQUERIMIENTOS a.6. Frecuencia necesaria en el sensor a.12. Mantenimiento sencillo b.1 Fácil de operar electrónica y mecánicamente b.2. Exclusividad de diseño b.3. Facilidad de ensamble con capacitación mínima c.1 Longitud de la herramienta sin restricción

Tabla 2.2. Requerimientos Deseables

Requerimiento

Deseables

P O N D E R A C I Ó N

a.6. a.12. b.1. b.2. b.3. c.1. Σ(+) Fracción %Importancia

a.6. + + + + + 5 5/13 38.47

a.12. < < + + + 3 3/13 23.08

b.1. < < + < + 2 2/13 15.38

b.2. < < < < < 0 0 0

b.3. < < + + < 2 2/13 15.38

c.1. < + < < < 1 1/13 7.69

TOTAL

13

1

100%

Tabla 2.3. Ponderación de los requerimientos deseables.

Número de combinaciones = n(n-1)/2 = 6(5)/2 =15

( < ) indica menor importancia

( + ) indica mayor importancia

Como puede observarse en la tabla 2.3. el requerimiento a.6. es más importante en

comparación con los otros requerimientos, éste se calificó con un peso de 39.47 %. El valor

nos hace notar que dentro de los requerimientos deseables “ a.6. “, es el más importante de

tal forma que debe ser tomado en cuenta con mayor consideración que el resto. La longitud

de la herramienta, “ c.1. ”, no es muy importante como se observa en la tabla, solo se

54



calificó con un peso de 7.69 %, por lo tanto, el b2 es el requerimiento de menor

importancia.

2.5.5. Estudio comparativo

Con la aparición de microprocesadores electrónicos la industria petrolera ha tenido avances

impresionantes, en los inicios de la explotación y perforación se requería obtener

información del pozo con objeto de realizar un máximo aprovechamiento del yacimiento,

se contaba con muy poca tecnología y algunas de las herramientas empleadas tenían

grandes limitaciones técnicas.

Hoy en día podemos encontrar en el mercado diversas herramientas en donde se pueden

observar los avances tecnológicos en esta industria, con aplicaciones de principios ópticos

(cámaras ópticas), acústicos (empleo de ultrasonido) y eléctricos (imágenes producidas por

pulsos eléctricos). Como se ha descrito, estas herramientas, comúnmente llamadas

“sondas”, proporcionan información completa y detallada del interior de un pozo así como

de la superficie interna de una tubería de producción, sin embargo la mayoría de las

herramientas utilizadas para esta labor operan bajo condiciones especiales, como puede ser

la temperatura, presión o simplemente el medio ambiente de trabajo.

Tomando en cuenta la investigación realizada en el inciso 1.6.,del capítulo anterior, donde

se presentaron una serie de herramientas que funcionan bajo diversas condiciones, se

realiza un estudio comparativo, presentado en la tabla 2.5., entre la “Sonda para

Inspección de Tuberías de Pozos Petroleros, utilizando un sensor de ultrasonido” y

aquellas herramientas que se considera poseen características similares a ésta, para esto se

propone la siguiente escala de valores cuya magnitud depende del grado de satisfacción de

los requerimientos exigidos por el cliente:

Totalmente = 4 Casi por completo = 3 Medianamente = 2 Muy poco = 1

55



Nada = 0

Los herramientas que serán comparadas son las siguientes:

MODELO

DESCRIPCIÓN

ORIGEN

I Digital Ultrasonic Scanning Tool ( DUST ) USA II Ultrasonic Imager ( USI ) USA III Ultrasonic Borehole Imager ( UBI ) USA

Tabla 2.4. Herramientas para inspección de tuberías. REF.

REQUERIMIENTOS

VALOR

UNIDAD

PONDERACIÓN

MODELO I II III IV

A Requerimientos Funcionales a.1. Operación en rangos de temperatura ≤ 175 º C Req. Obligatorio 3 4 4 4 a.2. Operación en rangos de presión ≤ 1034.2

(≤ 15 000) bar (lb/pulg2)

Req. Obligatorio 2 4 4 4

a.3. Operación en tuberías ≥ 101.6 ≤ 273.05 (≥ 4 ≤ 10 ¾)

mm (pulg)

Req. Obligatorio 0 2 2 4

a.4. Operación en agua y aceite Req. Obligatorio 4 4 2 4 a.5. Resistencia a la corrosión (ácidos) Req. Obligatorio 4 4 4 4 a.6. Frecuencia necesaria en el sensor 2 MHz. 38.47 % 4 4 - 4 a.7. Velocidad de rotación necesaria para inspección 3 (mín) RPS Req. Obligatorio 4 4 - 4 a.8. Resolución mínima 2 (0.078) mm (pulg) Req. Obligatorio 4 4 4 4 a.9. Diámetro exterior. 42.84 (1.687) mm (pulg) Req. Obligatorio 0 0 0 4 a.10. Ensamble con cable monoconductor 7.93 (5/16) mm (pulg) Req. Obligatorio - - - 4 a.11. Ensamble con cabeza MH-22 Req. Obligatorio 0 0 0 4 a.12. Mantenimiento sencillo 23.08 % 2 2 2 3 a.13 Resistencia al manejo rudo de operarios Req. Obligatorio 2 2 2 3 B Requerimientos de Versatilidad b.1 Fácil de operar electrónica y mecánicamente 15.38 % 2 2 3 3 b.2. Exclusividad de diseño 0 % 4 4 4 4 b.3. Facilidad de ensamble con capacitación mínima 15.38 % 3 3 3 3 C Requerimientos Referentes a la Apariencia c.1 Longitud de la herramienta sin restricción mm (pulg) 7.69 % 4 4 4 4 c.2. Uniformidad en el diámetro 42.84 (1.687) mm (pulg) Req. Obligatorio 0 0 0 4 D Requerimientos de Seguridad d.1. Fiabilidad Req. Obligatorio 3 4 4 4 E Requerimientos Económicos e.1. Inversión económica controlada 2 Millones

de pesos Req. Obligatorio 4 4 4 4

Tabla 2.5. Resumen comparativo.

2.5.6. Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables

En la tabla 2.1., se realizó una evaluación, determinando aquellos requerimientos que no se

pueden cuantificar; sin embargo para tener una referencia en cantidad es necesario

56



cuantificar estos conceptos de una manera que permita asignar un valor que represente la

importancia de cada uno de éstos requerimientos. La siguiente figura muestra el valor

asignado al respecto:

REF.

REQUERIMIENTOS NO MENSURABLES

REQUERIMIENTO TRADUCIDO

VALOR

UNIDAD

a.4 Operación en agua y aceite Protección de elementos vulnerables. Selección de elementos apropiados al medio. Uso de aceites especiales de lubricación en rodamientos. Selección de sensor adecuado para operar en medio ambiente de lodos e hidrocarburo, además de otras sustancias corrosivas.

100 100 100

100

% % %

%

a.5. Resistencia a la corrosión Vida media de elementos expuestos. 10 – 15* Operaciones

a.11. Ensamble con cabeza MH-22

Compatibilidad con conexiones de Pemex, necesariamente en cabeza.

100 %

a.12. Mantenimiento sencillo Limpieza general en cada operación. Lubricación de rodamientos antes de realizar operación.

100 100

% %

a.13. Resistencia al manejo rudo de operarios

Daños producidos por empleo innecesario de herramientas de uso rudo, tales como llaves “steelson”, de cadena, etc. Golpes originados al introducir la herramienta al interior del pozo y que dañen el funcionamiento de las partes motrices.

<10

0

%

%

b.1. Fácil de operar electrónica y mecánicamente

Número de usuarios necesarios 2 Personas

b.2. Exclusividad de diseño Refaccionamiento inmediato. Aseguramiento de la calidad del diseño y acabados.

100 100

% %

b.3. Facilidad de ensamble con capacitación mínima

Aseguramiento de un ensamble correcto efectuado por personal capacitado.

100 %

d.1. Fiabilidad Riesgos de accidentes en operaciones. Riesgos de pérdida de la herramienta en el interior del pozo. Riesgo de atoramiento en el interior del pozo.

0 0

0

% %

% (*) Dependiendo del tipo de pozo y del grado de corrosión existente en el interior. Tabla 2.6. Traducción de requerimientos en términos mensurables.

2.6. Fijación de las metas de diseño

La tabla 2.7., resume los aspectos de importancia que deberán ser considerados para la

siguiente etapa de diseño que inicia con la generación de conceptos; así mismo muestra que

la exclusividad de diseño es un requerimiento necesario, desde un punto de vista de

57



competitividad. Como se puede observar la competencia contra otras empresas que

desarrollan equipos similares es delicada, sin embargo éstas han dedicado mucho tiempo al

desarrollo de este y otro tipo de equipo, aún así el trabajo de los técnicos e ingenieros

encargados de éste desarrollo debe distinguirse por la fiabilidad y utilidad de la

herramienta, además de ofrecer mayores beneficios para el cliente.

El Benchmarking demuestra que el proyecto en cuestión puede ofrecer realmente mayores

beneficios que las herramientas existentes en el mercado, además de desarrollarse con

tecnología del país.

Hasta el momento se han determinado a través del método QFD las necesidades y

requerimientos establecidos por el cliente, en la siguiente fase de diseño, se desarrollarán

los conceptos que serán la base para el diseño de la herramienta.

IV

III

II

Bec

hmar

king

I

Operación en alta temperatura °C 175 Operación en alta presión

bar

(lb/pulg2) 1034.2

(15 000)

58



Operación en tubería

mm (pulg)

≥ 101.6 ≤ 273.05 (≥ 4 ≤ 10 ¾)

Protección de elementos % 100 Selección de element. Apropiados % 100 Uso de aceites especiales % 100 Selección de sensor apropiado % 100 Vida media de element. Expuestos Operación 5-10 Frecuencia necesaria en sensor MHz 2 Velocidad de rotación necesaria Rps (min) 3 Resolución mínima mm (pulg) 2 (0.078) Diámetro exterior

mm

(pulg) 42.84

(1.687”) Ensamble c/cable monoconductor

mm

(pulg) 7.92

(5/16) Compatibilidad c/cabeza PEMEX % 100 Limpieza gral. en c/operación % 100 Lubricación de rodamientos % 100 Daños por uso de herramientas % <10 Golpes originados en operación % 0 Número de operarios necesarios Personas 2 Refaccionamiento % 100 Aseg. de calidad de diseño % 100 Aseg. de ensamble correcto % 100 Longitud de la herramienta pulg. - Uniformidad de diámetro mm

(pulg) 42.84

(1.687”) Riesgos de accidentes de operac. % 0 Riesgos por perdida de la hta. % 0 Riesgos por atoramiento en el pozo % 0

Pond

erac

ió

- -

n

- - - -

38.4

7

- - - -

23.0

8

- - -

15.3

8

0

15.3

8

-

7.69

- - - - -

Unidad Meta Tabla 2.7. DESPLIEGUE DE LAS FUNCIONES DE CALIDAD PARA LA SONDA DE ULTRASONIDO.

Req

uerim

ient

os d

el c

lient

e

Req

ueri

mie

ntos

func

iona

les

Op.

en

rang

os d

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175°C

O

p. e

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10.7

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Op.

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Res

iste

ncia

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Frec

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2 M

Hz

Vel

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Req

ueri

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Req

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d

Req

ueri

mie

ntos

eco

nóm

icos

Inve

rsió

n ec

onóm

ica

cont

rola

da

2.7. Generación y evaluación de conceptos de diseño

La solución de un problema en ingeniería y en cualquier área donde exista una necesidad,

es una consecuencia de la comprensión de éste. En la sección anterior se dió un

seguimiento para comprender, en forma específica, cada una de esas necesidades, en

59



algunos casos fueron prácticamente especificaciones técnicas que debe cumplir el producto

final: “La sonda de ultrasonido”. Se ha visualizado que para comprender un problema se

requiere desarrollar una serie de pasos muy importantes, los cuales inician con una

recopilación de información que describa o trate temas afines al problema. En éste caso fue

necesario mencionar algunos conceptos importantes como lo son la exploración,

explotación y terminación de pozos, explicados brevemente en el capítulo 1. En un segundo

paso se procesa la información de donde se obtienen las referencias más importantes, sin

embargo en esta actividad suele ser de importancia considerar opiniones expresadas por los

usuarios, se dice que la mayor aportación que una persona puede dar en un desarrollo es la

experiencia, esto es mediante la contribución de ideas, hechos y situaciones vividas en “el

campo”, en donde realmente se obtienen conocimientos que no encontramos en artículos

técnicos y que en la mayoría de los casos podemos aplicar a problemas reales.

En el desarrollo de este proyecto, la experiencia de los usuarios e ingenieros que

directamente trabajan en campo han sido de gran utilidad, es así que los conocimientos

aportados a través de experiencias permitieron considerar desde cierto punto de vista

criterios de diseño, sin embargo la base para la generación de conceptos que lleve a fijar los

criterios de diseño, se efectuará con el establecimiento y clarificación de los estados inicial

y final de la necesidad planteada.

A continuación se presenta una descomposición funcional que será la base para generar

conceptos que permitirán establecer las primeras ideas o alternativas, posteriormente se

realizará una evaluación de cada uno de los conceptos para definir aquel que se considere

una mejor opción, que llene los requerimientos establecidos en la tabla 2.7. que muestra el

despliegue de las funciones de calidad.

2.7.1. Descomposición funcional

Tomando en consideración el análisis efectuado a los requerimientos y necesidades del

cliente realizado anteriormente, se establece con prioridad, las funciones del proyecto

partiendo de lo general a lo particular. Este análisis permitirá generar un árbol de funciones

de donde se parte para realizar la generación de cada uno de los conceptos.

60



a.- FUNCIÓN GLOBAL.- Integrar elementos mecánicos para operar eficientemente

componentes de ultrasonido, eléctricos y electrónicos, para

formar una herramienta de inspección de tuberías de pozos

petroleros, que soporte presiones y temperaturas de 1034.2 bar

(15 000 lb/pulg 2) y 175 ºC, respectivamente.

b.-FUNCIONES PRIMARIAS:

1.-Proporcionar movimientos de rotación continuos, a un módulo

que contendrá el sensor de ultrasonido, a una velocidad

dependiente del sensor de ultrasonido seleccionado.

2.-Mantener centrada la herramienta en el interior de la tubería.

3.-Mantener la conductividad eléctrica entre los sensores que se

encontrarán en movimiento y la sección de control y

procesamiento de señales que se encontrará fija.

4.- Proteger todos los elementos eléctricos y electrónicos de las

condiciones externas de operación de la herramienta.

5.- Permitir la comunicación hacia la superficie utilizando un solo

conductor.

c.- FUNCIONES SECUNDARIAS:

De la función 1.- Proporcionar movimientos de rotación continuos, a un módulo que

contendrá el sensor de ultrasonido, a una velocidad dependiente del sensor seleccionado.

1.1.- Mantener constante la velocidad que necesita el sensor para obtener la mayor

información posible.

1.2.- Soportar la acción de la presión del medio exterior.

1.3.- Resistir la acción de la temperatura del medio exterior.

1.4.- Soportar el ataque de sustancias corrosivas.

1.5.- Contener un sistema para calibrar la señal a diferentes medios de operación.

De la función 2.- Mantener centrada la herramienta en el interior de la tubería.

2.1.- Funcionar automáticamente a diferentes diámetros.

2.2.- Permitir la comunicación eléctrica entre partes intermedias.

61



De la función 3.- Mantener la conductividad eléctrica entre los sensores que se encontrarán

en movimiento y la sección de control y procesamiento de señales que se encontrará fija.

3.1.- Mantener el contacto eléctrico con un mínimo de interferencia de las señales emitidas

del y hacia el sensor.

3.2.- Mantener una vida útil larga de los contactos eléctricos utilizados.

3.3.- Mantener una referencia de la orientación del sensor desde la primera medición.

De la función 4.- Proteger todos los elementos eléctricos y electrónicos de las condiciones

externas de operación de la herramienta.

4.1.- Mantener la hermeticidad en cada uno de los acoplamientos.

4.2.- Resistir mecánicamente a los esfuerzos originados por la acción de la presión y

la temperatura simultáneamente.

De la función 5.- Permitir la comunicación hacia la superficie utilizando un solo conductor.

5.1.- Mantener la comunicación entre las partes que se ensamblan minimizando pérdidas

de corriente.

5.2.- Conectar la herramienta con conectores pertenecientes a Pemex.

c.- FUNCIONES TERCIARIAS:

De la función 1.1.- Mantener constante, la velocidad que necesita el sensor para obtener la

mayor información posible.

1.1.1.- Alimentar el motor utilizado con un voltaje menor o igual a 24 VDC.

De la función 1.2.- Soportar la acción de la presión del medio exterior.

1.2.1.- Mantener aislado el sistema con sellos para alta presión y resistentes a la

temperatura.

De la función 1.3.- Soportar el ataque de sustancias corrosivas.

1.3.1.- Evitar la contaminación del sistema con sustancias corrosivas que dañen los

elementos mecánicos internos.

62



De la función 3.1.-Mantener el contacto eléctrico con un mínimo de interferencia de la

señal emitida del y hacia el sensor.

3.1.1.- Disminuir los efectos del rozamiento en la calidad de la señal que circula por este

elemento.

De la función 4.1.- Mantener la hermeticidad de cada uno de los acoplamientos.

4.1.1. Asegurar el sellado en cada unión

2.7.2. Construcción del árbol de funciones

La figura 2.7, expresa gráficamente el conjunto de funciones que serán desempeñadas por

la herramienta, en general algunas expresan la función específica de partes que la integran

y que son importantes para desarrollar la función principal. Este diagrama nos permite

visualizar la relación que existe entre cada una de las funciones y nos permitirá

posteriormente tomarlas como base para establecer algunos conceptos de diseño.

2.-Mantener centrada la herramienta en el interior de la tubería.

1.2.-Soportar la acción de la presión del medio exterior.

1.3.-Soportar la acción de la temperatura del medio ext.

1.4.-Resistir ataque de sustancias corrosivas.

1.1.-Mantener la velocidad constante.

1.1.1.-Alimentar el motor con voltaje ≤ 24 VDC.

3.-Mantener la conductividad eléctrica entre sensores que se encuentran en movimiento y la sección de control y procesamiento de señales, que se encuentra fija.

1.-Proporcionar movimiento de rotación a una velocidad constante.

1.5.-Contener un sistema para calibrar la señal en diferentes medios.

2.1.-Funcionar automática- mente a diferentes diám.

1.2.1.-Mantener aislado el sistema con sellos para alta presión y temperatura.

1.3.1.-Evitar la contamina-ción del sistema por sustancias corrosivas.

1.3.1.-Evitar la contamina-ción del sistema por sustancias corrosivas.

63



5.2.-Permitir el ensamble con conectores pertenecientes a Pemex

5.1.-Mantener la comunicación eléctrica entre las partes que se ensamblan. 5.- Permitir la comunicación

hacia la superficie utilizando un solo conductor.

4.1.-Mantener la hermeticidad en cada acoplamiento.

4.- Proteger todos los elementos eléctricos de las condiciones externas de operación. 4.2.-Resistir mecánicamente los

esfuerzos por pres. y temp.

Integrar elementos mecánicos para operar eficientemente componentes de ultrasonido, eléctricos y electrónicos, para formar una herramienta de inspección de tubería de pozos petroleros, que soporte presiones y temperaturas de 1034.2 bar (15 000 lb/pulg2) y 175ºC, respectivamente.

2.2.-Permitir la comunicación eléctrica entre partes.

3.1.-Mantener el contacto eléctrico.

3.1.1.-Disminuír los efectos del rozamiento en la calidad de la señal.

3.2.-Mantener una vida útil larga de los contactos eléct.

3.3.-Mantener una referencia de la orientación del sensor.

Figura 2.7. Árbol de Funciones.

2.7.3. Generación de conceptos

Esta es una fase importante en el proceso de diseño, que se basa en la generación de un

indeterminado número de ideas cuyo objetivo es proporcionar una solución a los

requerimientos establecidos por el cliente.

Cabe señalar que en esta etapa del diseño no se trata de generar un sistema para cada

necesidad, sino que se trata de generar sistemas que puedan realizar de manera simple, un

conjunto de funciones sin considerar aún el tamaño, forma o dimensiones. Aquí es válido el

uso de esquemas, diagramas o anotaciones que permitan al ingeniero o diseñador, plasmar

64



la mínima contribución técnica y que ayude a tener un panorama más completo en la etapa

posterior que es la de diseño de detalle.

Durante esta generación de conceptos es posible utilizar en la mayor medida posible la

representación esquemática, de aquí que cada concepto en el caso particular se desarrollará

utilizando esta herramienta que al final facilitará una evaluación.

2.7.3.1. Conceptos para proporcionar movimiento de rotación contínuo a un módulo

que contendrá el sensor de ultrasonido

CONCEPTO 1.

CONCEPTO 2.

Figura 2.9. Motor colocado en la parte fija.

Dentro del concepto para proporcionar movimiento de rotación al módulo será necesario

tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

a.- Adaptar un reductor de velocidad que proporcione la velocidad establecida.

b.- Dimensiones del motor y reductor de velocidad.

c.- Potencia necesaria para mover el sistema (potencia del motor).

FIJACIÓN DE LA FLECHA SENSOR

MOTOR PARTE FIJA PARTE MOVIL

SENSOR MOTOR

FIJACIÓN DE LA FLECHA PARTE FIJA

Figura 2.8. Uso de motor colocado en la parte en movimiento

PARTE MOVIL

65



d.- Dimensiones de la flecha.

e.- Arreglo de la flecha para acoplarla al sistema y permitir la transmisión de la

potencia.

f.- Utilización de rodamientos con bajo coeficiente de fricción y resistentes a altas

temperaturas.

g.- Dimensiones del sensor de ultrasonido.

En el concepto 2 se considera que la masa a ser movida es menor que en el concepto 1, ya

que el cuerpo del motor y el reductor se encuentran en la parte fija y solo se calculará la

potencia necesaria para mover el módulo del sensor.

Resulta más sencillo pasar la alimentación del motor directamente de la parte fija que de la

parte móvil como se muestra en el concepto 1.

En estos conceptos se puede cumplir con la función secundaria 1.1. Mantener la velocidad

que necesita el sensor para obtener la mayor información posible, utilizando el

acoplamiento entre el motor y el reductor.

La función secundaria 1.2., soportar la acción de la presión exterior, definitivamente estará

determinada por el cálculo del espesor de pared de los recipientes, que se desarrollará en el

capítulo siguiente.

La función secundaria 1.3., soportar la acción de la temperatura del medio exterior, de igual

forma será especificada en el desarrollo del diseño a detalle, sin embargo ésta dependerá

del material seleccionado para la fabricación de las partes, así como de la selección

adecuada de aquellos elementos que deben de ser adquiridos comercialmente, en esta

misma circunstancia se encuentra la función secundaria 1.4., soportar el ataque de

sustancias corrosivas. Como se especificó en el primer capítulo los elementos externos

como lo es el propio cuerpo de la herramienta que en algunos casos se encuentra en

contacto directo con sustancias de este tipo, como lo son el ácido sulfhídrico, dióxido de

carbono, etc.

66



2.7.3.2.-Conceptos para contener un sistema para calibrar la señal a diferentes

medios

medios de operación

CONCEPTO 3.

X SENSOR

Figura 2.10. Localizando el sensor dentro del cuerpo de la herramienta.

La distancia “x “ que será calculada dependiendo de la potencia del sensor y características

del fluido, algunas ocasiones la herramienta operará inmersa en lodos de perforación cuya

densidad es alta y con partículas en suspensión que disminuyen la intensidad de la onda al

ser recibida nuevamente por el sensor.

El sensor se coloca en una caja dentro de la pieza de soporte, requiriendo el diseño de un

sello que permita retener la presión e impedir el paso del fluido hacia cavidades internas de

la pieza, para el montaje de este sensor es necesario tomarse en cuenta el paso de la

alimentación así como el comportamiento de este en movimiento y sus consecuencias.

CONCEPTO 4.

X

SENSOR

PLACA DE REFRACCIÓN AJUSTABLE

MÓDULO DE SENSORES

PUNTA DESMONTABLE DESMONRA

67



Figura 2.11. Sensor colocado en el extremo inferior del módulo con una punta desmontable y una placa de refracción de onda ajustable.

La placa que se emplea podrá funcionar como ajuste en la distancia “ x ” y dependerá de la

potencia del sensor así como de las características del fluido de operación. El valor de “ x ”

es un parámetro para determinar la velocidad de emisión y recepción de la onda de

ultrasonido que dependerá obviamente de la densidad del fluido, éste valor servirá para

configurar el sensor principal que proporcionará la información del estado interno de las

paredes de la tubería de producción del pozo, a través de la emisión y recepción de pulsos

de ultrasonido. La punta desmontable dará protección al sensor que estará directamente en

contacto con el fluido, además de protegerlo contra golpes; el único inconveniente es que al

introducir la herramienta al fluido, en esta sección pueden originarse burbujas de aire que

impidan o atenúen la energía de la onda de ultrasonido.

Con este arreglo se evita el cabeceo del sistema en rotación y se disminuye el dasbalance

evitando también desgaste en la flecha de transmisión.

El sensor puede ser empotrado con alguna resina resistente a estas condiciones y los cables

pueden colocarse a espaldas del sensor y quedando directamente en una cámara que puede

conectarse directamente al sensor principal.

2.7.3.3. Concepto para mantener centrada la herramienta en el interior de la tubería

CONCEPTO 5.

Los centradores 1 y 2, estarán colocados arriba y abajo del módulo de sensores. Figura 2.12. Utilizando centradores repartidos a lo largo de la herramienta.

CENTRADOR 2 CENTRADOR 1

SENSOR

68



El sensor de ultrasonido gira sobre el eje de la herramienta, se supone que ambos

centradores no giraran, ya que el coeficiente de fricción entre los flejes de este y la pared de

la tubería de producción es alto, solo permite el descenso de la herramienta hacia el fondo

del pozo, a una velocidad determinada.

Los centradores se ajustarán al diámetro interior de la tubería de forma automática.

Es necesario que pueda tener una forma de mantener comunicado el módulo de sensores

con el módulo de electrónica, que en este caso se encuentra en la parte superior del

centrador 2 (hacer un barreno que atraviese el centrador para poder pasar la alimentación

del motor y el o los sensores).

CONCEPTO 6.

ROTACIÓN

MÓDULO DE SENSORES MÓDULO DE CIRCUITERÍA

CENTRADOR 2 CENTRADOR 1

Figura 2.13. Colocando los centradores de tal forma que el módulo de los sensores pueda girar libremente.

Estos dispositivos se colocarán de tal forma que centren a la herramienta en el interior de la

tubería, dejando libre el módulo de sensores para que pueda girar sin mayor obstrucción

que las condiciones que se impongan por el medio ambiente de operación.

Uno de los centradores, al igual que en el concepto 5, deberá permitir la comunicación

hacia el módulo de electrónica, que controlará los mecanismos y la información

proveniente del módulo de sensores. En este concepto, el centrador 2 se encuentra colocado

69



arriba del módulo de circuitos, que también contará con un barreno para comunicar toda la

herramienta hacia el conector donde se ensamblará finalmente. Cabe mencionar que en esta

parte, sólo pasará un cable, esto es para cumplir con la especificación técnica establecida

por el cliente, de enviar la información hacia la superficie a través de un solo conductor, (es

por lo que se denomina herramienta monocable ).

Estos dos conceptos cumplen con las funciones secundarias 2.1.y 2.2, que especifican que

el centrador debe operar automáticamente a diferentes diámetros y que debe permitir la

comunicación eléctrica entre las partes intermedias, respectivamente.

2.7.3.4. Concepto para mantener la conductividad eléctrica entre los sensores que se

encontrarán en movimiento y la sección de control y procesamiento de datos

CONCEPTO 7.

ENSAMBLE CON FLECHA DEL MOTOR

ENSAMBLE CON MÓDULO DE SENSORES

ESCOBILLAS DE ROZAMIENTO

CABLES DE SALIDA

CABLES DE ENTRADA

PISTAS

Figura 2.14. Utilizando dos placas con anillos en las caras.

Este sistema está formado por dos placas, en las cuales una estará fija y la otra móvil, una

de ellas tendrá una serie de pistas perfectamente aisladas entre si y unidas a un cable

eléctrico, la otra placa contendrá las escobillas de contacto que deberán coincidir

perfectamente con las pistas y deberán ser autoajustables, considerando el desgaste sufrido

por el rozamiento de ambas, cuando el sistema se encuentre en operación. Cabe mencionar

que el material de fabricación de estos elementos deberá soportar el desgaste, además de

ser buen conductor eléctrico. Como se puede ver en la figura, se propone que en un

70



extremo de la flecha se conecte al módulo de sensores uniendo también los cables

eléctricos y el otro extremo se ensamble de alguna manera con la flecha de transmisión del

motor, para producir el movimiento de rotación del módulo.

CONCEPTO 8.

ESCOBILLAS

CABLES DE ENTRADA

CABLES DE SALIDA

ENSAMBLE CON FLECHA DEL MOTOR

ENSAMBLE CON MÓDULO DE SENSORES

PISTAS DE CONTACTO RODAMIENTOS

Figura 2.15. Utilizando anillos sobre una flecha y escobillas para mantener el contacto eléctrico. Este concepto permite conectar directamente el módulo que se encuentra fijo con el módulo

de sensores que girará a una velocidad de entre 3 y 6 RPS. En este caso se propone una

serie de anillos de metal dispuestos sobre una flecha, separados por anillos aislantes y

unidos a cables eléctricos por el interior de la flecha, los anillos mantienen el contacto

eléctrico cuando el sistema se encuentra en rotación a través de escobillas, de igual forma

que en el concepto anterior; los materiales de fabricación deberán resistir el desgaste

sufrido por el contacto de las partes en movimiento. Como se puede ver en la figura se ha

propuesto que la flecha principal se monte sobre rodamientos que reducirán la variación de

la linealidad del sistema, así como el coeficiente de rozamiento del sistema y por ende el

71



par necesario para poder mover el sistema. Cabe mencionar que este tipo de elementos no

es fácil de localizar en el mercado común, en la mayoría de las veces es necesario

solicitarlos a compañías que se dediquen a la fabricación de este tipo de elementos, esto es

por lo delicado y especial que debe ser el material de fabricación de los anillos y escobillas.

Con estos conceptos cubren las necesidades establecidas en las funciones 3.1. Mantener el

contacto eléctrico con un mínimo de interferencia de las señales emitidas del y hacia el

sensor, así como la función 3.2. que se refiere a la vida útil de los contactos eléctricos, sin

embargo estos dos requerimientos dependerán del material seleccionado.

2.7.3.5.Concepto para mantener una referencia de la orientación del sensor desde la

primera medición

CONCEPTO 9.

Figura 2.16.Utilizando un sensor óptico.

Se tendrá que calcular el diámetro adecuado de un agujero, para que no altere la resistencia

mecánica de la flecha; además de diseñar un arreglo en el que puedan integrarse estos

elementos, una vez obtenida la información en cuanto al tamaño y características técnicas.

Estos elementos deberán resistir a la temperatura de operación de la herramienta.

CONCEPTO 10.

SENSOR ÓPTICO

RECEPTOR

EMISOR AGUJERO

SENSOR FLECHA

FLECHA

72



Figura 2.17. Utilizando un sensor de “Efecto Hall”.

Para este concepto es necesario localizar comercialmente un sensor que trabaje bajo

condiciones extremas de alta temperatura. De igual forma que el concepto anterior, deberá

diseñarse un arreglo para montar el sensor considerando también la posición sobre la flecha

donde deberá estar colocado un pequeño imán que complementará el efecto hall.

Estos conceptos cumplen con la función secundaria 3.3. que expresa la necesidad de tener

una referencia para las mediciones que se tomen con el sistema de sensores de ultrasonido.

2.7.3.6. Concepto para proteger todos los elementos eléctricos y electrónicos de las

condiciones externas de operación de la herramienta

CONCEPTO 11.

Los arosellos que serán utilizados, deberán ser de material resistente a ambientes

corrosivos, a altas temperaturas y a efectos producidos por alta presión; además de ser

calculados según la aplicación y ajuste de cada pieza. Se ha encontrado que los materiales

que resisten estas condiciones son el VITON-90 y 70. Siendo el más recomendable el viton

90. El fabricante recomienda que arosello debe tener un aplastamiento de entre el 16 y 21

%, dependiendo de la aplicación.

CONCEPTO 12.

O-RINGS (AROSELLOS)

SELLO EN “V ”

Figura 2.18. Utilizando O-rings.

IMAN

73



En la selección correcta de este sello deberá tomarse en cuenta el tipo de trabajo, y de igual

forma el material de fabricación.

CONCEPTO 13.

RETEN

Figura 2.20. Utilizando retenes.

Este tipo de sello se utiliza normalmente para trabajo pesado y en piezas que se encuentran

en rotación, la selección correcta depende de las dimensiones y ajustes entre las piezas,

normalmente son de fabricación especial. Deberá contemplarse de la misma forma que en

los conceptos anteriores la resistencia al medio corrosivo, la presencia de altas presiones y

la temperatura.

2.7.3.7. Concepto para permitir la comunicación hacia la superficie utilizando un solo conductor

CONCEPTO 14.

CONECTOR ELÉCTRICO

Figura 2.21. Utilizando un conector eléctrico para alta presión y alta temperatura, unido a un sistema de contacto retráctil.

ENSAMBLE CON MÓDULO DE ELECTRÓNICA ENSAMBLE CON CABEZA MH-22

SISTEMA RETRÁCTIL

74



El sistema retráctil consistirá en un casquillo de material que tenga buena conductividad

eléctrica, a la vez mantendrá el contacto presionado un resorte en el interior con una

contactor de cierta longitud y será ajustado según las conexiones del módulo de electrónica.

En el otro extremo estará ensamblado con un conector eléctrico de fabricación especial. El

cuerpo externo que envuelve este sistema deberá tener la resistencia suficiente para ser

ensamblado sin problema por un extremo al módulo de electrónica y por el otro a la cabeza

MH-22, ésta perteneciente al equipo de PEMEX, donde se conectará nuestra herramienta.

En el diseño de este conector deberán tomarse en cuenta algunos criterio establecidos en el

desarrollo de los conceptos del punto 2.6.3.6, referente al sello necesario para proteger los

sistemas del interior de la herramienta.

CONCEPTO 15.

SISTEMA DE CONTACTO FIJO

CONECTOR ELÉCTRICO

Este sistema de contacto fijo se ajustará al módulo de electrónica, donde la escobilla de

contacto tendrá que ser retráctil, similar al concepto anterior. De igual forma el conector

deberá ser resistente al medio ambiente además de poder ensamblarse fácilmente al

módulo de electrónica por un extremo y por el otro a la cabeza MH-22.

2.8. Relación entre conceptos y funciones

En el cuadro siguiente se muestra la relación existente entre las funciones establecidas en el

inciso 2.7.1. con los conceptos generados en el inciso anterior. Se podrá verificar que

existen funciones que no tienen relación alguna con los conceptos generados, es decir

ENSAMBLE CON CABEZA MH-22

ENSAMBLE CON MÓDULO DE ELECTRÓNICA

Figura 2.22.Utilizando un conector eléctrico para alta presión y alta temperatura, unido a un sistema de contacto fijo.

75



que se desarrollarán en la etapa de diseño de detalle, donde se podrán incorporar a los

mecanismos y sistemas que serán diseñados.

En la tabla 2.8. se realiza una evaluación tomando en cuenta los recursos y posibilidades

tecnológicas con que se cuenta para el desarrollo del concepto, de tal forma que el concepto

podrá considerarse como factible o disponible tecnológicamente. Analizando cada uno de

los conceptos, podremos encontrar que existen algunos que no es posible construir con

recursos elementales, es decir se necesitaría generar la tecnología necesaria para fabricar el

elemento, es el caso del sensor de efecto hall; como un ejemplo, este concepto entraría en

la categoría de disponibilidad tecnológica, puesto que es posible encontrarlo

comercialmente según especificaciones.

C o n c e p t o s Función 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1 n n 2 n n 3 n n 4 n n n 5 n n

1.1 n n 1.2 1.3 1.4 1.5 n n 2.1 n n 2.2 n n 3.1 n n 3.2 n n 3.3 n n 4.1 n n n 4.2 5.1 n n 5.2

1.1.1 1.2.1 n n n 1.3.1 n n n 3.1.1 4.1.1 n n n

Factibilidad r a a a a a a a a a a a a a a Disponibilidad

Tecnológica r r r r a a r a r a a a a a r

Tabla 2.8. Evaluación entre conceptos y funciones.

76



El hecho de que las funciones 1.2 y 1.3 no tengan algún concepto asociado, puede

interpretarse como aspectos a considerar en el diseño de detalle. Soportar la presión del

medio exterior así como la acción de la temperatura, son cuestiones que serán tomadas en

cuenta en el proceso de diseño, en donde se aplicarán conceptos teóricos, ecuaciones y

criterios necesarios para dar seguridad y cumplimiento a las necesidades establecidas.

La función 1.1.1. que consiste en alimentar el motor con un voltaje determinado, es un

requerimiento del cual no depende de la generación de conceptos, depende principalmente

de la disposición tecnológica, que en este caso se tendrá que apoyar en investigaciones de

mercado tomando como base sus características técnicas.

De igual forma la función 5.2. referente al ensamble con conectores pertenecientes a

Pemex, no es posible establecer un concepto especial debido a la normatividad utilizada en

operaciones de campo. Las características de los ensambles con Pemex, resulta difícil

cambiarlos, generalmente son patrones establecidos que dependen del tipo de herramienta

que se emplee.

En el comercio de partes, componentes y materiales, se ha podido constatar que para cubrir

las necesidades de la industria petrolera del país, existen pocos elementos desarrollados, en

la mayoría de los casos se emplean componentes utilizados para otras aplicaciones, muchos

de ellos son de procedencia Norteamericana, los cuales fueron desarrollados bajo normas

militares. La disponibilidad tecnológica de algunas partes solo está limitada por los

procedimientos de adquisición nacional o de importación.

En el aspecto de factibilidad, se han generado conceptos que teóricamente son funcionales,

sin embargo llevarlos al diseño de detalle y a la fabricación, los convierte en conceptos que

no son fáciles de fabricar, un ejemplo es el concepto 1, en donde se propone que el motor

para generar el movimiento se encuentre en el extremo que gira, teóricamente es posible, si

analizamos el problema y comenzamos con el desarrollo a detalle, la primera pregunta que

surge es: ¿ por dónde pasar los cables de alimentación cuando el sistema se encuentra en

movimiento ?, la respuesta lo convierte en un concepto difícilmente factible.

77



2.9. Evaluación de conceptos bajo el criterio de satisfacción de los requerimientos del

cliente

C o n c e p t o s Ref. Requerimientos del Cliente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

a.1. Operación en rangos de temperatura 175°C 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 a.2. Operación en rangos de presión 1034.2 bar

(15 000 lb/pulg 2 ) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

a.3. Operación en tuberías de 101.6 mm a 273.05 mm (4” a 10.750”)

4 4 4 4

a.4. Operación en agua y aceite 4 4 4 4 4 4 4 4 4 a.5. Resistencia a la corrosión (ácidos) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 a.6. Frecuencia necesaria en el sensor 2 MHz 4 4 a.7. Velocidad de rotación para inspección 3 rps

mínimo 4 4 4

a.8. Resolución mínima 2 mm (0.078”) 4 4 a.9. Diámetro exterior 42.84 mm ( 1.687”) 4 4 4 4 a.10. Ensamble con cable monoconductor 4 4 a.11. Ensamble con cabeza MH-22 4 4 a.12. Mantenimiento sencillo 5 4 5 4 5 4 5 4 4 4 4 4 a.13 Resistencia al manejo rudo de operarios 5 4 4 4 4 4 5 4 4 4 4 4 4 4 4 b.1 Fácil de operar electrónica y mecánicamente 4 4 5 4 b.2. Exclusividad de diseño 4 4 4 4 b.3. Facilidad de ensamble con capacitación mínima 4 4 4 4 4 4 4 c.1 Longitud de la herramienta sin restricción c.2. Uniformidad en el diámetro 4 4 4 4 d.1. Fiabilidad 4 4 4 5 4 5 4 4 4 4 4 4 e.1. Inversión económica controlada 4 4 4 4 Conceptos Aprobados 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Conceptos No Aprobados 5 5 5 5

Tabla 2.9. Evaluación de conceptos contra requerimientos del cliente.

2.10. Diseño conceptual propuesto

Hasta este punto, el Método QFD ha proporcionado los elementos suficientes para

establecer en forma general el concepto para el desarrollo de nuestro objetivo. Es necesario

tomar en cuenta la información proporcionada por los análisis efectuados, es así que

mediante el estudio de los requerimientos establecidos en la tabla 2.1. se detectó que es

importante que el diseño contemple aquellos que son obligatorios, tales como la resistencia

a la temperatura, presión, corrosión, etc., de igual forma se deben considerar los que no

fuero obligatorios pero que son deseables, tal es el caso del requerimiento a.6. establecido

78



en la tabla 2.3. al cual se le ha dado un valor alto, lo que indica que es necesario considerar

en el diseño la frecuencia del sensor de ultrasonido.(7)

En la tabla 2.9. se establecieron posibilidades de aceptación de conceptos basados en los

requerimientos del cliente, rechazándose 7 conceptos, en la mayoría de estos se aprobó un

concepto alternativo que proporcionaba ideas mucho más factibles de llevar al diseño de

detalle; por ejemplo el concepto 1, fue rechazado debido a la problemática que puede

presentarse para comunicar eléctricamente las partes que se encuentran en movimiento de

las partes que están fijas.

De igual forma se descartaron algunos conceptos al ser examinados ante las necesidades

establecidas por la función, en esta fase se descartaron algunos conceptos en base a la

factibilidad y disponibilidad tecnológica. Sin embargo en el proceso de diseño pueden

retomarse algunas ideas de estos conceptos y llevarse a un estudio de ingeniería para poder

integrarse a la herramienta, tomando en cuenta las deducciones anteriores el concepto de

diseño adoptado es el siguiente:

CAPÍTULO 3

Diseño de Detalle

Después de haber realizado un amplio análisis de los requerimientos establecidos por el cliente y de haber propuesto soluciones a cada una de las necesidades a través de la generación de conceptos, el siguiente paso, en el desarrollo de productos, consiste en tomar el diseño conceptual y realizar los análisis exigidos por la problemática, que al final lleven al establecimiento de especificaciones propias para la fase de fabricación.

CAPÍTULO 3, Diseño de Detalle


3. Diseño de detalle

Una vez establecidas cada uno de los conceptos de la herramienta, la etapa inmediata es

determinar la problemática que gira alrededor del diseño de cada uno de los elementos que

deberán desarrollarse, cabe señalar que esta parte es considerada como una etapa que

requiere la mayor atención posible, así como una de las más costosas, en donde el

proyectista pasa la mayor parte del tiempo buscando y analizando soluciones, y en algunas

ocasiones experimentando. Es muy común encontrarse con interrogantes como: ¿ cuánto

resistirá?, ¿ Será seguro el funcionamiento?, ¿ será demasiado ruidoso ?, ¿ será confiable

para el operario ?, etc. ; la respuesta a estas preguntas, es encontrada después de evaluar

cada una de las posibles soluciones utilizando los conocimientos adquiridos durante la

formación profesional, que en la mayoría de las veces es apoyada por el uso de catálogos,

manuales, información técnica, etc., en otras ocasiones es válido aplicar los conocimientos

adquiridos a través de la experiencia, proporcionando soluciones menos complejas y más

efectivas, puesto que son el resultado de anteriores aplicaciones.

A continuación se presenta una serie de circunstancias que expresan los posibles problemas

que a primera instancia se visualizan, destacando también la posibilidad de identificar los

posibles elementos que se utilizarán y si éstos son de diseño especial para las necesidades

existentes y aquellos elementos que pueden encontrarse comercialmente y que de una u otra

forma pueden adaptarse, tales como tornillos, rodamientos, motores, reductores, sellos, etc.

3.1.- Posibles problemas que pueden ser encontrados en el desarrollo del diseño

Como se ha podido observar, las condiciones de operación de ésta herramienta no son

encontradas frecuentemente, por lo que resulta complicado poder imaginar las

circunstancias a las cuales operarán los diferentes mecanismos que la constituyen y de otras

que son utilizadas para diferentes finalidades. Se piensa que las condiciones más críticas

son las siguientes :

a.- El diámetro de operación y por consecuencia el diámetro de la herramienta.

b.- Las condiciones internas del pozo, presión y temperatura.



c.- El ataque de sustancias corrosivas al material de fabricación de la herramienta.

d.- Las condiciones de trabajo relacionadas con los lodos de perforación y los

hidrocarburos.

Considerando estas condiciones, ha sido posible detectar de forma superficial algunos

problemas que surgirán en el diseño detallado de la herramienta, por otro lado también ha

sido posible identificar elementos que pueden ser adquiridos comercialmente o de

fabricación especial, que de una u otra forma podrían ser adaptados al sistema dependiendo

de las necesidades.

1.- Dimensiones en general

Las dimensiones son muy restringidas, puesto que una de las especificaciones marcadas

por el cliente es el diámetro exterior, indicado de 42.85 mm (1.687”), en el que es

complicado integrar fácilmente mecanismos, como acopladores o engranes, que serían

de dimensiones reducidas puesto que el diámetro interior se reduce debido al espesor

necesario para soportar las condiciones externas, principalmente de presión.

2.- Dimensiones del motor

Es necesario emplear un motor acoplado a un reductor de velocidad con objeto de

obtener la velocidad indicada, con un torque suficiente para mover el sistema dentro de

los fluidos del interior de los pozos que, generalmente son lodos de perforación, agua e

hidrocarburos. El motor deberá ser alimentado con un voltaje de 20 a 24 VDC y resistir

las condiciones extremas de temperatura.

Todas estas características en realidad son difíciles de encontrar en un motor común y

corriente por lo que será necesario localizar compañías que puedan proporcionar este

tipo de equipo.

3.- Adaptación de algún sistema para permitir la continuidad eléctrica en el

movimiento de rotación del módulo

Como una necesidad para mantener la comunicación entre dos sistemas, será necesario

diseñar o acoplar algún sistema con escobillas que permita mantener un contacto

eléctrico entre la parte que estará fija y la parte que estará en movimiento, de igual

forma las



dimensiones y condiciones de temperatura, son aspectos que deben de considerarse con

detalle.

4.- Adaptación de un sistema de orientación para tener una referencia de la posición

del sensor

Para poder ubicar el sensor de ultrasonido cuando se encuentre trabajando en el interior

de la tubería, es necesario contar con una referencia de la posición para tomar en cuenta

el primer dato y los subsecuentes. Esta condición es de vital importancia puesto que de

esta manera podrá mantenerse el control de la información que es introducida a la

computadora y procesada de manera que puedan expresarse los datos en forma gráfica.

5.- Resistencia de los materiales que serán empleados para la fabricación de elementos

Debido a las dimensiones que son exigidas, los espesores de pared que posiblemente se

tengan, deberán resistir las presiones de operación, esfuerzos originados por

diferenciales de temperatura, así como todos los esfuerzos que se originen dentro de la

tubería, por lo que el diseño de los mecanismos y recipientes, deberán realizarse

considerando coeficientes de seguridad óptimos.

6.- Cálculo del torque requerido

En el sistema que será movido por un motor cuya potencia estará determinada por

coeficientes de fricción producidos por los siguientes elementos:

a.- Sello para aislar la presión del medio exterior.

b.- Fricción ocasionada por rodamientos empleados.

c.- Fuerzas de fricción que actúan sobre la superficie de la herramienta,

producidas por fuerzas que se oponen al movimiento del cuerpo

inmerso en un fluido.

7.- Cálculo de torsión en la flecha de transmisión

Se efectúa un esfuerzo torsionante en la flecha que impulsa el movimiento del módulo

de sensores, que puede ser considerable, por lo cual deberá de calcularse para definir las

dimensiones de la flecha.

8.- Adaptación de soportes para posicionar tablillas electrónicas

La electrónica formará parte de ésta herramienta y estará colocada sobre tarjetas de

circuito impreso con determinadas dimensiones que dependerán de las dimensiones



internas de los recipientes y deberán colocarse considerando la intercomunicación

eléctrica entre tarjetas, evitando a lo máximo la vibración por el viaje desde la superficie

al fondo del pozo.

9.- Uso de rodamientos resistentes a altas temperaturas

En este aspecto posiblemente se requieran una serie de rodamientos de diferentes

dimensiones, que resistan la temperatura y que además se encuentren disponibles

comercialmente.

3.2.- Selección de materiales de fabricación

Existe una amplia gama de materiales que pueden ser utilizados para la fabricación de las

partes que integrarán esta herramienta, sin embargo si se atienden los requerimientos

técnicos especificados con anterioridad se puede encontrar que sólo algunos materiales

cumplen con estas características. Se ha encontrado en la experiencia, que los usuarios

prefieren tener una herramienta o dispositivo del mismo material del que han sido

fabricadas otras herramientas que utilizan para realizar otras operaciones como sondas de

flujo, por decir alguna. Esto se debe a que las herramientas han sido de procedencia

extranjera y no reconocen un cambio en el material de fabricación por más justificaciones

técnicas que se presenten. En este caso se tratará de evaluar este criterio conjuntamente con

las especificaciones del material.

Si se analiza cada uno de los dispositivos que se utilizarán, se puede establecer que están

divididos en diversas clasificaciones:

a.- Elementos sometidos directamente a las condiciones externas de operación.

b.- Elementos que se encuentran protegidos por recipientes que forman parte del

inciso anterior.

c.- Elementos que además de estar sometidos a condiciones externas de operación

requieren ser ligeros.

El inciso c, se refiere a los mecanismos que forman parte de la sección donde se alberga el

sensor de ultrasonido, que deberán ser lo más ligero posible con el objeto de disminuir la



potencia necesaria para mover el sistema y así elegir un motor con la suficiente potencia sin

ningún problema. Al parecer esta parte es la más delicada por los elementos que la

integran.

A continuación se presentan algunos materiales que pueden encontrarse comercialmente sin

problemas y que además cumplen con los criterios anteriores y con las necesidades

demandadas por los elementos a diseñar.

a.- Acero Inoxidable tipo ASTM 316-L

Este tipo de acero es resistente a la corrosión y posee buenas propiedades mecánicas a

elevadas temperaturas, es empleado en diferentes industrias, tales como la industria del

papel, textil e industria química, donde las partes están sujetas a efectos de corrosión de

sales, ácidos, etc.

También es usado en la industria aeronáutica, es usado para fabricar partes que

requieran buena resistencia a la corrosión y baja permeabilidad magnética. Tiene

excelente resistencia a temperaturas de hasta 871.1 ºC en servicio continuo. Este tipo de

aceros es menos susceptible a porosidad en aplicaciones donde existen vapores de ácido

acético o soluciones de cloruros, bromuros o yoduros.

Propiedades mecánicas :

Resistencia a la tracción 5624 kg/cm 2 (80 000 lb/pulg 2 )

Resistencia a la fluencia 2109 kg/cm 2 (30 000 lb/pulg 2 )

Dureza 80 Rb

Densidad 0.00803 kg/cm3 (0.29 lb/plg3)

b.- Acero Inoxidable tipo Nitronic-50

Es un acero inoxidable especial que proporciona una combinación de resistencia a la

corrosión y dureza no encontrado en ningún otro material de su tipo. Tiene además muy

buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas, por ejemplo no se magnetiza al ser

trabajado en frío, su maquinabilidad es regular.



Propiedades mecánicas :

Esfuerzo a la fluencia 9018 kg/cm2 (128 000 lb/pulg 2)

Esfuerzo de cedencia 6059.103 kg/cm2 ( 86 000 lb/pulg 2)

Dureza 38 Rc

Densidad 0.00454 kg/cm3 (0.164 lb/pulg3)

c.- Acero tipo 17-4Ph

Es un material del tipo acero inoxidable, catalogado dentro de los tipos 316 y el nitronic,

resistente a agentes corrosivos y resistente a altas temperaturas sin deformación de su

estructura.

Propiedades mecánicas:

Esfuerzo a la fluencia 14795.5-8172.7 kg/cm2 (210-116x103 lb/pulg 2)

Esfuerzo de cedencia 13034.2-8806.83 kg/cm2 (185-125x103 lb/pulg 2)

Dureza 36-38 Rc

Densidad 0.00778 kg/cm 3 (0.281 lb/pulg3)

d.- Titanio 6-6-2

Es un material muy noble puesto que tiene excelente maquinabilidad, su permeabilidad

magnética es buena, tiene buenas propiedades mecánicas en comparación con los aceros

inoxidables, tiene buena resistencia a agentes corrosivos como el ácido clorhídrico. Este

material es usado actualmente para la fabricación de prototipos de sondas para la

industria petrolera, el costo de adquisición es alto.

Propiedades mecánicas:

Esfuerzo a la fluencia 10568.2 kg/cm2 (150 000 lb/pulg 2)

Esfuerzo de cedencia 9863.6 kg/cm2 (140 000 lb/pulg 2)

Dureza 38 Rc

Densidad 0.00454 kg/cm3 (0.164 lb/pulg3).

TITANIO ACERO



PROPIEDADES

ALEACIÓN 6-6-2

NITRONIC 50

ACERO 17-4 ph INOXIDABLE 316

Densidad kg/cm3 (lb/pulg. 3 )

0.00454 (0.164)

0.00789 (0.285)

0.0077 (0.281)

0.00803 (0.290)

Dureza 38 Rc 21 Rc 80 Rb Esfuerzo de Cedencia kg/cm2

(lb/pulg 2) 9863.6

(140 000) 6059.1

(86 000) 14795-8172.7 (210-116x10 3)

2460.5 (35 000)

Esfuerzo a la fluencia kg/cm2

(lb/pulg 2) 10568.2

(150 000) 9018.2

(128 000) 13034-8806

(185-125x10 3) 5624

(80 000)

Tabla 3.1. Propiedades de algunos materiales utilizados para la construcción de elementos mecánicos de herramientas de prospección geofísica.

Se ha decidido a utilizar la aleación de Titanio 6-6-2 por las siguientes razones:

a.- La resistencia mecánica es buena, considerando el tipo de material y la utilidad, en

comparación con las otras opciones.

b.- La resistencia a la corrosión es buena, especialmente con los ácidos como el

sulfhidrico y clorhídrico.

c.- Su maquinabilidad es buena, mejor que las de los aceros inoxidables.

d.- No requiere de tratamiento térmico para aumentar su resistencia mecánica.

e.- Posee un bajo coeficiente de conductividad térmica, aspecto que nos beneficia en el

control de la temperatura de nuestro sistema.

Por lo que respecta a las piezas internas, se considera que no está sometidas a ningún

esfuerzo que pueda considerarse como importante, técnicamente se proponen los siguientes

materiales para la fabricación de las partes. (8)

Bronce SAE 62 ( C.D.A. 905 ASTM B-143 (1A)) Este bronce al estaño tiene resistencia a la tensión de 2812 kg/cm2 (40

000lb/pulg2), una densidad de 0.00873 kg/cm 3 , se utiliza en la fabricación de

chumaceras, bujes, anillos de pistón, accesorios para trabajo en vapor, etc.

Bronce ALMENA B-2 ( C.D.A. 932, SAE 660, ASTM B-144 (3B))

Este bronce al plomo tiene una resistencia a la tensión de 2320.67 kg/cm2 (33 010.9 lb/pulg 2), una densidad de 0.03285 kg/cm3 (1.186 lb/pulg 3 ), tiene buena conductividad eléctrica.

Es buen metal antifriccionante, resistente al desgaste bajo presiones, es utilizado para

fabricar bujes, cojinetes, partes para bombas hidráulicas, chumaceras, equipo eléctrico.

Teflón Blanco ( TFE)



Es utilizado para elaborar aislantes, es un plástico resistente a altas

temperaturas, hasta 400 °C, así como también al ataque de sustancias

corrosivas como ácidos.

Viton

Es un material empleado para fabricar arosellos, es resistente a altas

temperaturas, tiene una dureza de 90 grados Shore, es utilizado

principalmente para sellar equipo a altas presiones y altas temperaturas.

3.3.- Análisis de esfuerzos y determinación de características de resistencia.

Como se puede observar en la figura 2.4., las herramientas que son introducidas en el

interior de los pozos petroleros, viajan hacia el fondo por acción de la gravedad. En la

mayoría de las veces son acoplados a aditamentos especiales con la finalidad de aumentar

el peso de la herramienta y facilitar el descenso. Éste equipo especial es identificado

comúnmente como contrapeso que se puede encontrar en aleaciones de acero cuando se

requiere de una carga ligera o construidos de plomo y tungsteno, cuando los requerimientos

de carga son mayores, estos tienen un peso de entre 28 y 30 Kg..

En un análisis de las condiciones de trabajo de la herramienta se detectaron dos tipos de

esfuerzo, estos son:

a.- Esfuerzo radial

Este esfuerzo se presenta por la acción de la presión exterior cuyo valor

máximo es de 1054.5 kg/cm 2 (15 000 kg/cm2), así como los esfuerzos que se

originan por el movimiento de la herramienta cuando se encuentra inmerso en

un medio viscoso.

b.- Esfuerzo axial

Este esfuerzo esta definido cuando la herramienta llega a atorarse en el interior

del pozo por cualquier deformación, estrangulación o cualquier otro problema

que impida el movimiento ascendente de la herramienta, el esfuerzo máximo

que se origina en este instante es el valor en el cual el cable electromecánico

sufre la ruptura, que es aproximadamente de 11 000 kg (4994 lb) siendo el

cable de 7.93 mm (5/16”) de diámetro, monoconductor.



c.- Esfuerzo de torsión, se produce cuando el modulo de sensores se encuentra en

movimiento de rotación, el esfuerzo máximo se lo caliza en la fase de arranque

y cuando el fluido en el interior del pozo es aceite pesado.

La herramienta esta integrada por varias secciones, como se ilustró en la figura A, la parte

que contiene el sensor que anteriormente fue identificada como módulo de sensores, que

requiere ser analizada con mayor detalle, debido a que opera bajo condiciones diferentes al

resto de la herramienta, la figura 3.1.muestra las condiciones que se analizan en esta

sección.

Esfuerzo de tensión

ffluido

Rodamientos

fsb

fsb

Tm

Flecha de transmisión

Tm

Fxp

fs

Sello

N

fs

ffluido fs Fuerza de fricción sobre el sello Tm Torque resultante fsb Fuerza de fricción de los rodamientos ffluido Fuerza de fricción producida por el movimiento del cuerpo en el fluido W Peso del sistema

W

Figura 3.1. Esfuerzos que actúan sobre el sistema de rotación donde se encuentra el sensor.

3.4.-Determinación de la potencia necesaria para mover el módulo de sensores



En la figura anterior, se muestra un esquema del mecanismo que se emplea para

proporcionar el movimiento de rotación al sensor, donde puede notarse la integración de

diversos elementos, como el sello y los rodamientos. En un análisis sobre el mecanismo,

encontramos que los esfuerzos que existen están concentrados en la flecha que se utiliza

para transmitir la potencia; se puede observar que el máximo esfuerzo se encuentra en la

parte donde se produce el contacto entre la flecha y un sello, que trabaja en función de la

presión y la temperatura.(12)(9)

Las fuerzas que actúan sobre la transmisión y que producen un torque son:

a.- La fuerza que actúa en los sellos, produciendo una fuerza de fricción (contacto

teflón-titanio 6Al-6V-2Sn).

b.- La fuerza exterior producida por la resistencia del medio al movimiento del cuerpo.

c.- La fuerza de fricción producida por los rodamientos.

Cada una de estas fuerzas producen un torque, la evaluación de cada uno de ellos nos

proporciona un torque equivalente que podemos considerar como la energía necesaria para

mover el sistema, este parámetro puede ser determinado a través de dos métodos:

a.- Método analítico

b.- Método experimental

3.4.1.- Estimación de la potencia necesaria para mover el módulo de sensores por el

método analítico

El análisis mostrado en la figura 3.1, muestra la distribución de fuerzas que intervienen en

el movimiento del sistema, como se puede observar la magnitud de cada una de ellas

depende de las condiciones de operación que son consideradas como extremas. La presión

en el exterior es considerada como una restricción en el diseño de ciertos elementos, como

se observa en la figura. El sello es un elemento importante debido a su forma y

comportamiento con la acción de la presión, la figura 3.2. muestra un diseño utilizado para

realizar pruebas que permitieron obtener información para definir características de diseño

del sello y la flecha de transmisión. En este análisis se encontró que las superficies de

contacto entre el sello y la flecha, determina la magnitud de la fuerza, ya que una superficie

lisa disminuye el valor del coeficiente de fricción disminuyendo el esfuerzo al movimiento,



se aplicó un recubrimiento de cromo duro en el exterior de la flecha sobre la cual trabaja el

sello para dar resistencia a la flecha por desgaste, ayudando de cierto modo a disminuir la

fricción de las dos partes.

Sello

fs

N

Presión

Figura 3.2. Colocación del Sello

La figura 3.1, muestra también la acción de una fuerza de fricción producida por el trabajo

de los rodamientos que serán utilizados para disminuir el esfuerzo necesario para mover el

sistema, se considera que este esfuerzo es muy pequeño ya que los rodamientos son

diseñados para trabajar con bajos coeficientes de rozamiento, sin embargo su valor se

analiza en las siguientes ecuaciones.

La acción de la presión sobre la superficie exterior del sistema que gira se considera como

nula, ya que en un diagrama de cuerpo libre se puede observar que la presión actúa en

forma perpendicular a la superficie, en este caso se considera una superficie cilíndrica y los

esfuerzos sobre la superficie se anulan y no intervienen en el movimiento.

P

P

P

P

P

P

Figura 3.3. Distribución de la presión sobre la superficie del sistema que se gira.

En el análisis consideramos que la flecha mostrada en la figura 3.2, está conectada a un

motor de cierta potencia, sobre la flecha de longitud L y de diámetro interno D1 y externo

D2, están soportadas varias cargas que producen esfuerzos tendientes a disminuir la

potencia del motor y detener el movimiento, partiendo del esquema de fuerzas, figura 3.1,


sis de Maestría, MAHR, 2000

podemos establecer que el torque requerido será la resultante de los pares que ocasionan

cada fuerza de fricción sobre la flecha, es decir:

Realizando una suma de momentos y aplicando la segunda ley de Newton, tenemos:

∑ = αIM (3.1)

donde:

I es el momento de inercia de la flecha y el cilindro

α es la aceleración angular del cuerpo que gira

esto es:

M11 + M22 + M33 + M44 = Iα (3.2)

M11 es el par producido por la fuerza de fricción provocada por el sello dinámico y

la superficie de la flecha.

M22 es el par producido por la fuerza de fricción de los rodamientos.

M33 es el par producido por las fuerzas involucradas en la resistencia del fluido al

movimiento del cuerpo.

M44 es el par producido por el motor para dar el movimiento de rotación.

Calculando el par producido en el sello, M11 , tenemos :

Considerando que la presión actúa directamente sobre las paredes del sello en forma

perpendicular al área expuesta, como lo muestra la figura 3.4.

Te91 N

d2

d3

d1 φ

d4



Presión

fs

z1

z2

F

Fy= Fcos φ

Fx=Fsen φ

Figura 3.4. Fuerzas que actúan sobre el sello y la flecha de transmisión.

La fuerza F actúa sobre la superficie que se encuentra expuesta directamente a la presión

exterior deformando el sello sobre la superficie que se encuentra en contacto con la flecha

produciendo una fuerza de fricción en estas superficies, la magnitud de la fuerza esta

determinada de la siguiente manera:

La figura 3.5. muestra el desarrollo de la superficie que se encuentra sometida a la presión

del medio exterior, de donde se obtiene una estimación del área de trabajo:

φcos

2z

d3 π

Figura 3.5. Desarrollo de la superficie de contacto del sello.

Si P = AF , despejando: (3.3)

Despejando:

F=PA (3.4)

F= P πφ 3

2

cosdz⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ (3.5)

Si para el equilibrio:

0=∑ xF (3.6)

N - Fx = 0 (3.7)



Si Fx = F senφ (3.8)

De la ecuación 3.7, N = F senφ (3.9)

De la ecuación 3.5, N = P φπφ

sencos 3

2⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛d

z (3.10)

Si la fuerza que se opone al movimiento esta dada como:

Nf s μ= (3.11)

Sustituyendo el valor de la ecuación 3.10, tenemos:

μ=sf P φπφ

sencos 3

2⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛dz

(3.12)

Ahora si el torque producido en este movimiento esta dado por la relación:

M11+ = (3.13) srf

Sustituyendo la ecuación 3.12:

M11+ = r μ P φπ

φsen

cos 32

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛dz

(3.14)

Esta ecuación describe el torque existente sobre el sello en contacto con la flecha de

transmisión, en donde μ=0.13(21) es el coeficiente de fricción entre acero con recubrimiento

de cromo duro con una rugosidad de 0.1 μm ( 4 μpulg.) y teflón, material utilizado para

fabricar el sello, r =2.3749 mm (0.0935”), es el radio de la superficie de contacto de la

flecha, P = 1034.2 bar (15 000 lb/pulg2), es la magnitud de la presión exterior, z2 =1.9558

mm (0.077”), es la proyección del cateto opuesto, formado al extraer el área sobre la que

actúa la presión, como se muestra en la figura 3.5, φ = 45°C, es el ángulo de ataque de la

presión sobre la superficie expuesta, d3 =10.617 mm (0.418”), es la dimensión media

estimada en el desarrollo de la superficie de ataque, sustituyendo estos valores en la

ecuación 3.14, y se obtiene un valor de 2.0829 N.m (18.4358 lb pulg). Equivalente a

0.01731 W (2.3216x10-5 hp), según la ecuación:

Nm(141.612)rpm(9.917x10 –7)= hp (3.15)

Nm(141.612)rpm(7.4x10 –4)= W

Sustituyendo: M11=0.01731 W (2.3216x10-5 hp)


Calculando el par producido por los rodamientos, M22, se tiene:

La figura 3.6, muestra el arreglo mecánico diseñado para proporcionar el movimiento de

rotación al módulo de sensores, la pieza 1 se mantiene fija y se acopla al resto de la

herramienta, permitiendo a través de rodamientos que la pieza 2, donde se montará el

módulo de sensores, gire a una velocidad dada, el movimiento de rotación es transmitido

desde el motor que se encuentra fijo detrás de la pieza 1, a través de la flecha de

transmisión 5, sobre la cual se aplicó un recubrimiento de cromo duro que disminuye el

rozamiento entre ésta y el sello. Aunque los rodamientos utilizados se consideran como

antifriccionantes, existe un torque de arranque considerado como relativamente alto, en

comparación con el torque producido con una carga dinámica, caracterizado por la

temperatura de operación, carga, velocidad y lubricación.

Figura 3.6. Arreglo mecánico del sistema de rotación.

Sobre una cara de la pieza 2, se produce un fenómeno de resistencia originado por la

fricción entre dos superficies en movimiento, metal y carbón grafitado, la figura 3.6,

muestra la disposición de la pieza 3, que consiste en un plato de carbón grafitado que se

mantiene en contacto con una de las superficies de la pieza 2, mediante la acción de una

fuerza de compresión producida por un resorte, pieza 6. Este arreglo impide que los fluidos




del pozo ingresen a la sección de los rodamientos, cuando el sistema se encuentre en

movimiento dentro del pozo, sellando las uniones a través de una delgada película de

lubricante entre las superficies en contacto; el espacio libre en el interior de este arreglo, es

decir el espacio entre rodamientos y una pequeña cámara que se crea en la parte del resorte,

es llenado con un aceite de silicón con procedimiento de alto vacío para evitar burbujas,

este aceite permitirá disminuir la diferencia de presión entre el interior y exterior de la

pequeña cámara. El libre movimiento del mecanismo está restringido por las fuerzas de

fricción del propio sistema, actuando un par de rozamiento sobre los rodamientos que

depende de la carga así como un par de rozamiento producido entre las superficies de las

piezas 2 y 3, la figura 3.7, muestra un diagrama de fuerzas del sistema:

Figura 3.7. Fuerzas que intervienen en el arreglo del sistema de rotación

La siguiente ecuación describe las condiciones del mecanismo:

Considerando la existencia de rozamiento en los rodamientos axial y normal, tenemos la

ecuación :

MBA + MBN + MSUP = 0 (3.16)

De donde:

MBA corresponde al torque producido en los rodamientos axiales

MBN corresponde al torque producido en el rodamiento normal

MSUP corresponde al torque producido entre las piezas 2 y 3

El par de rozamiento para el rodamiento con carga normal, se obtiene sumando el par de

rozamiento M0, que es independiente de la carga aplicada sobre el rodamiento, con el par

de rozamiento M1 que si depende de la carga, por lo tanto :

MBA = Mo + M1 (3.17)

De donde M0 no depende de la carga aplicada sobre el rodamiento, sino de las pérdidas

hidrodinámicas originadas en el lubricante, la viscosidad y la cantidad de lubricante usado,

así como de la velocidad de rotación. Es el factor dominante en los rodamientos que

funcionan a altas velocidades con cargas ligeras y puede calcularse por la siguiente

fórmula: (10)

( ) 332

07

0 10 mdnfM ν−= para ν n ≥ 2 000 (3.18)

Pieza 3, Plato de carbón grafitado. Pieza 2, Parte Móvil



para ν n ≤ 2 000 (3.19) 30

70 10160 mdfxM −=

donde:

M0 = par independiente de la carga

Dm = diámetro medio del rodamiento = 0.5(d+D)

f0 = coeficiente (ver tabla 3.2.) que depende del tipo de rodamiento y de su lubricación

n = velocidad del rodamiento, en rpm

v = viscosidad cinemática del aceite ( o del aceite de base, si se trata de lubricación

con grasa) a la temperatura de funcionamiento, en cm2/s

Ahora, M1 depende de la carga aplicada sobre el rodamiento, siendo el predominante para

bajas velocidades y elevadas cargas, y proviene de las deformaciones elásticas y

deslizamientos parciales en los contactos. El valor de M1 se obtiene de la siguiente

expresión: (10)

(3.20) bm

a dPfM 111 =

de donde :

M1 = par que depende de la carga,

f1 = coeficiente (ver tabla 3.2) que depende del tipo de rodamiento y la carga aplicada

P1 = carga sobre el rodamiento que determina el par de rozamiento

dm = diámetro medio del rodamiento = 0.5(d+D)

a,b = exponentes (ver tabla) que dependen del tipo de rodamiento

Sustituyendo las ecuaciones para M0 y M1 tenemos la ecuación general para el cálculo del

par de rozamiento en un rodamiento rígido de bolas:

( ) ( )[ ][ ] ( )[ ][ ]bam DdPfDddnfM +++= − 5.05.010 11

3332

07 ν (3.21)

de donde ν corresponde a la viscosidad del lubricante, que corresponde realmente a una

Grasa tipo LGHB2 de SKF, alta viscosidad para alta temperatura, con un valor de

viscosidad a 100 °C de 0.2649 cm2/s ( 0.04107 pulg2/ s). ( 10 ).

f1 es un coeficiente que depende del tipo de rodamiento y de la carga aplicada y está

descrito por la siguiente ecuación:

55.0

0

01 0006.0 ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=

CPf (3.22)

P0 es la carga estática equivalente sobre el rodamiento, dada por la siguiente ecuación:



FaFrP 5.06.00 += (3.23)

de donde Fr es la componente radial de la carga dinámica y Fa es la componente axial de la

carga dinámica del rodamiento, C0 es la capacidad de carga estática.

Para los rodamientos axiales el par de rozamiento está dada como:

(3.24) aadmPfM 111 =

de donde:

33.0

1 0008.0 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=CoFaf (3.25)

Del Catálogo General de SKF, páginas 56-63, tablas 1-6, se obtienen los siguientes datos

para el cálculo: ( Se utilizan rodamientos rígidos de bolas)(10):

Tipo de

Rodamiento f0 ν

cm2/s (pulg2/s)

N rpm

d cm

(pulg)

D cm

(pulg)

Co N

(lbf)

Po N

(lbf)

f1

P1 N

(lbf)

a

Pa1

N (lbf)

B

M N-m

(lb-pulg) Normal 3202.03

4 0.2649 (0.04107)

360 1.4986 (0.590)

3.8989 (1.535)

6799.10 (1528.5)

21.17 (4.76)

21.34x10-6

12.94 (2.91)

1 12.94 (2.91)

1 0.00310 (0.027546)

Axial 51104 5.5 0.2649 (0.04107)

360 1.9989 (0.787)

3.4975 (1.377)

22798.9 (5125.4)

10.319 (2.32)

47.18x10-7

10.319 (2.32)

1 10.319 (2.32)

1 3.6x10 –7 (32.3x10-7)

Axial 51100 5.5 0.2649 (0.04107)

360 1.0100 (0.393)

2.3977 (0.944)

12199.2 (2742.5)

10.319 (2.32)

71.59x10-7

10.319 (2.32)

1 10.319 (2.32)

1 5.1x10-7

(45.8x10-7)

Tabla 3.2. Datos técnicos de los rodamientos.(10)

Estos valores se refieren a los pares producidos en el movimiento, sin embargo existe un

par de arranque que debe ser vencido por el motor, éste se define como el par de

rozamiento que debe vencer el rodamiento para empezar a girar partiendo del estado de

reposo. El valor del par de arranque se puede tomar, en general, como el doble del par de

rozamiento M1 que depende de la carga aplicada sobre el rodamiento, esto corresponde a

un valor de 6.519x10–3 Nm (37.225x10-6 lbf-pulg), mucho menor que el par total que es

48.256 Nm (0.27555065 lbf-pulg), por lo que su valor no es muy considerable, esto es

tomando los siguientes valores para el cálculo:

Fr = peso del cuerpo ≈ 14.67 N ≈ 1.5 kgf (3.30 lbf)

Fa = fuerza de apriete producida por la pieza 7 ≈ 10.333N ≈ 1.054 kgf (2.323 lbf) Como se muestra en la figura 3.7, existe otra fuerza de rozamiento sobre las piezas 2 y 3. El

mecanismo es considerado como un embrague automático accionado por la fuerza de



compresión de un resorte, pieza 6, la teoría especifica que las ecuaciones que describen el

comportamiento, se relacionan con las dimensiones del embrague, coeficiente de fricción,

capacidad del par de torsión, fuerza axial de sujeción y presión entre las superficies de

contacto, usando cada una de las suposiciones básicas y suponiendo para el análisis que el

coeficiente de fricción μ, es constante y que la presión en las superficies de contacto son

uniformes, la fuerza normal que actúa en un elemento diferencial de un anillo de radio r es:

df=(2πrdr)p (3.26)

p es el nivel uniforme de la presión en las superficies de contacto.

La fuerza normal total que actúa en el área de contacto es:

(3.27) )(2 20

20 i

r

ri

rrpprdrF −== ∫ ππ

De donde F es la fuerza de operación axial que reúne los discos. El par de torsión por

fricción que puede desarrollarse en un elemento del anillo, es el producto de la fuerza

normal, el coeficiente de fricción y el radio, por lo tanto:

dT= (2πrdr)pμr (3.28)

El par total que puede desarrollarse sobre toda la superficie de contacto es:

( ) ( )330

0 2

322 i

r

rirrpdrrpT (3.29) −== ∫ μπμπ

ecuación que representa la capacidad del par de torsión de un embrague con una superficie

de contacto de fricción. ro

dr

rri

Figura 3.8. Análisis del rozamiento entre dos platos tipo embrague.

De la ecuación 3.27, podemos despejar p, y tenemos:

( )220 irrFp−

=π

(3.30)

sustituimos en la ecuación 3.29 , reduciendo tenemos:



( )

( )220

330

32

i

i

rrrrF

T (3.31) −−

=μ

Ecuación que describe el par de torsión total que puede desarrollarse sobre las superficies

de contacto de las piezas 2 y 3, de donde F, corresponde a la fuerza de compresión del

resorte que actúa sobre el disco de carbón grafitado. La figura 3.9. muestra un resorte sobre

el cual, se describen las características que son consideradas en el análisis.

d h

D

Figura 3.9. Resorte de compresión.

El resorte utilizado es un resorte helicoidal con los extremos amolados, en donde la

deflexión esta descrita por la ecuación:

Gd

NFD4

38=δ (3.32)

despejando la fuerza de compresión F, tenemos:

NDGdF 3

4

8δ

= (3.33)

donde G es el módulo de rigidez del material, N es el número de espiras, D es el diámetro

exterior del resorte, d es el diámetro del alambre del resorte, sustituyendo 3.33 en 3 .31,

obtenemos la expresión para determinar el torque producido en el sello de carbón grafitado

en la superficie de la pieza 2, donde existe una fuerza de compresión producida por un

resorte:

( )( )22

0

330

3

4

8 i

i

rrrr

NDGdT (3.34)

−−

= μδ

de donde r0 =2.1412 cm (0.843 pulg.) , ri =1.760 cm (0.693 pulg.), d =1.1143 cm

(0.045 pulg.), D =4.127 cm (1.625 pulg.), N =2, δ = 0.190 cm (0.075 pulg.), μ =0.19,



G = 745180 kg/cm2 (10.6x106 lb/pulg 2) para acero inoxidable AISI-316, el torque

producido tiene un valor de 1.8300 Nm (0.01045 lb pulg.), equivalente a 9.77x10 –5W

(1.31x10-7 hp.)

Considerando los torques descritos por las ecuaciones 3.20 y 3.34, obtenemos el torque

resultante, dado por la siguiente ecuación (3.35): (10)

( ) ( )[ ][ ] ( )[ ][ ] [ ] [ ] TdmPfdmPfDdPfDddnfM aaaabam ++++++= −

511001151104113202113202333

20

722 5.05.010 ν

sustituyendo los valores correspondientes para cada ecuación, según la tabla 3.2., el torque

resultante esta dado por:

M22 = ( 0.003122 + 3.65x10-7 + 5.17x10-7 + 0.001180) Nm

M22 = 0.0042293Nm ≈0.0003565 W (4.78x10-7 hp)

Calculando el par producido por el fluido para retardar el movimiento del sistema, M33 , tenemos :

Dado que el análisis de este sistema resulta un tanto complejo, es necesario comprender

algunos conceptos de la mecánica de fluidos, así como la deducción de las ecuaciones que

describen el comportamiento del sistema.

Considerando al fluido, en el cual se lleva a cabo el movimiento, como estacionario e

incompresible, las ecuaciones de variación a utilizar son: la ecuación de continuidad y la

ecuación de movimiento, aunado con las condiciones iniciales y de límite. A partir de estas

relaciones se obtienen las ecuaciones fundamentales del comportamiento del fluido en

un cilindro en rotación. Cabe señalar que se considera el fluido como estacionario, ya que

el objetivo final de la herramienta es obtener información del estado interno de la tubería,

realizando esta operación a pozo cerrado, sin flujo de hidrocarburos.

En este análisis se toman en cuenta las siguientes consideraciones:

a.- El líquido es incompresible

b.- El flujo que se presenta en el fluido es laminar, estacionario e isotérmico.

c.- Las líneas de corrientes de flujos son circulares en el plano horizontal y

perpendiculares en el eje de rotación.



d.- La velocidad del fluido es solamente una función del radio; es decir, la velocidad

radial y axial son cero.

e.- El comportamiento del fluido es independiente del tiempo.

Partiendo de la ecuación de balance de masa en coordenadas cilíndricas.

( ) ( ) ( ) 011=

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

zr vz

vr

vrrrt

ρρθ

ρρθ (3.36)

donde t es el tiempo, θ es la coordenada angular; tomando en cuenta las consideraciones

antes mencionadas, tenemos que: la densidad del fluido, ρ es constante, r = z = 0,

quedando la ecuación como sigue:

v v

01=

θθ

ddv

r (3.37)

Ahora, considerando la ecuación de balance de momento en coordenadas cilíndricas en

función del esfuerzo cortante τ, ecuación 3.38:

( ) θθθθ

θθθθθθθ ρ

τθτ

τθρ

θρ g

zrr

rrrzv

vrvvv

rv

rv

vt

v zrz

rr +⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

∂∂

+∂∂

+∂∂

−∂∂

−=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

∂∂

++∂∂

+∂∂

+∂∂ 111 2

2

Considerando nuevamente las restricciones mencionadas, la ecuación se simplifica a:

01 22 =θτ rr

drd

r (3.39)

Suponiendo dos cilindros concéntricos, de los cuales el interno de radio Ri, gira con una

velocidad angular uniforme Ω (rad/s), mientras que le cilindro externo permanece fijo.

El fluido contenido en el espacio anular, gira en capas laminarmente concéntricas.

Suponiendo que no hay deslizamiento la velocidad del fluido varía desde Ω en el cilindro

interno hasta cero en la superficie del cilindro externo. La velocidad de rotación en

cualquier radio intermedio r será ω. El gradiente de velocidad angular es dω/dr.

Considerando un elemento anular de radio r y altura h de un cilindro hipotético con un área

de 2πrh; el gradiente de velocidad lineal, a través de la pared del cilindro es rdrdω , así como

la tracción viscosa que actúa en él esta dada por:

hdrdr πωη 2 (3.40)

Integrando la ecuación 3.39, se obtiene:



C (3.41) =θτ rr 2

= C (3.42) τ2r

La constante de integración se evalúa de las condiciones de frontera.

El momento del par de fuerzas M33 externo, es el que se desea obtener y el esfuerzo

cortante τ, se obtiene del momento del par de fuerzas opuestas en el fluido, esto es :

M33 = superficie lateral (radio) esfuerzo cortante M33 = )(2 τπ rrh (3.43)

de la ecuación: 2r

Cr = (3.44)

sustituyendo este valor en la ecuación 3.43:

M33 = hCπ2 (3.45)

de donde : h

MC

π233= (3.46)

de la ecuación 3.43 se observa que el esfuerzo cortante τ es directamente proporcional a la

torca media, e inversamente proporcional a las dimensiones del cilindro en movimiento,

esto es: hr

M2

33

2πτ = (3.47)

El esfuerzo puede determinarse en el cilindro en movimiento, dependiendo únicamente de

su geometría e independientemente de las características del fluido.

Considerando el gradiente de velocidad lineal, consideramos que la relación de velocidad

angular a lineal se usa para determinar éste gradiente. Suponiendo por facilidad, que el

cilindro en movimiento gira a una velocidad Ω.

La velocidad lineal a una distancia r es rω y a una distancia dr de r, está dada por:

( )( ) ( )( )ωωωωωωω ddrrddrdrrddrr ++++=++ (3.48)

El último término se desprecia por ser de segundo orden y por lo tanto es muy pequeño.

Así el incremento en la velocidad del fluido pasando de r a r+dr es :

ωω rddrdv += (3.49)

y el gradiente de velocidad es:



drdr

drdv ωω += (3.50)

donde ω es la velocidad angular en la sección que gira, sin considerar corte alguno. El

esfuerzo cortante no depende de la velocidad angular ω, sino únicamente del esfuerzo de

corte, de modo que el gradiente de velocidad se da sin considerar la rotación, por lo tanto :

-drdr

drdv ω

= (3.51)

como : )(τfdrdv

=− (3.52)

entonces : ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

hrM

ffdrdr 2

33

2)(

πτω (3.53)

Considerando que el fluido en el que se mueve el sistema es un fluido newtoniano o

también denominado viscoso, y que cumple por lo tanto con la Ley de Newton de la

viscosidad, representada por la ecuación:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

drdvητ (3.54)

esta ley expresa que la fuerza de corte por unidad de área, es directamente proporcional a la

rapidez de deformación negativa de la velocidad local.

Ahora si se sustituye la ecuación 3.51, en la anterior se tiene:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

drdr

drdv ωηητ (3.55)

y la ecuación 3.40 por lo tanto:

ηωπ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

drdrhrM 2

33 2 (3.56)

Simplificando:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

drdhrM ωηπ 3

33 2 (3.57)

siendo M33 , el momento del par de fuerzas que tiende a retardar el movimiento del

cilindro.

Sin embargo desglosando la ecuación 3.57, se obtiene:

333

2 rdr

hM

d ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−

ηπω (3.58)



e integrando bajo las consideraciones mencionadas, esto es: la velocidad angular es igual a

cero en la pared del cilindro externo, por la condición de ausencia de deslizamiento, y en el

cilindro interno, la velocidad angular es Ω , por lo tanto w varía de 0 a Ω y r de Re a Ri (11)

∫∫Ω

=−e

i

R

R rdr

hM

dw 30

33

2 ηπ (3.59)

∫∫Ω

=−e

i

R

R rdrMdwH 3

0332 ηπ (3.60)

integrando y despejando M33, se tiene:

22

33 114

ei RR

hM−

Ω=

πη (3.61)

La ecuación 3.61, indica que la medición de M33 está en función de la velocidad angular, de

los radios del cilindro y tubería al cuadrado, así como del valor de la viscosidad del aceite,

que es una medida de clasificación de los diferentes tipos de petróleo, que se refiere a la

resistencia al flujo de un fluido, siendo la unidad de medición común en poises o en

centipoises (=0.01 poises). De acuerdo a esta propiedad y al valor de la densidad, el

petróleo puede clasificarse en ligero o pesado. Por ejemplo, el petróleo crudo mexicano

Istmo es ligero y el Maya se encuentra en los límites de ligero-pesado, la figura 3.10

muestra una relación entre los tipos de petróleo y la densidad y viscosidad.

Viscocidad (cp) 10 100 1000 10 000 100 000

Crudo Maya

Crudo Istmo

Densidad (gr/cm3) 0.904 0.934 0.966 1.00 1.037 (lb/pulg.3 ) (0.0325) (0.0336) (0.0348) (0.0360) (0.0373) ° API 25 20 15 10 5 Figura 3.10. Clasificación del petróleo por viscosidad y densidad. Dado que la viscosidad también depende de la temperatura, disminuyendo su valor a mayor

temperatura, para una estimación de la ecuación 3.61, tomamos los siguientes valores de un



estudio PVT de aceite crudo del pozo Taratunich DL-1, del distrito de Dos Bocas en el

estado de Tabasco, con una muestra tomada a una profundidad de 4270 m (14 009 ft) con

los siguientes valores de viscosidad a la mayor temperatura registrada en el pozo y en el

laboratorio:

Viscosidad a 120° C 0.006578 poise


Para las dimensiones de la tubería de producción que va desde 10.16 cm (4 pulg) a

27.305 cm (10.750 pulg) de diámetro interior, evaluamos la ecuación 3.61, sustituyendo los

siguientes valores:

h = 21.9964 cm (8.66 pulg)., radio del cilindro que gira Ri =2.14249 cm (0.8435 pulg),

radio del cilindro exterior (radio interior del tubo de producción) Re = 5.08 cm (2 pulg),

para tuberías de producción de 10.16 cm (4 pulg). de diámetro exterior y Re = 13.652 cm

(5.375 pulg) para TP de 27.305 cm (10.750 pulg), velocidad angular Ω = 37.698 rad/seg.,

obtenemos los siguientes valores:

Datos Viscosidad a 120° C 0.006578 poise


Re = 5.08 cm (2pulg).

0.00003825 Nm (0.00033858 lb pulg.)

0.0003058 Nm (0.002707 lb pulg.)

Re = 13.65 mm (5.375 pulg)

0.0000322 Nm (0.000285 lb pulg.)

0.0002578 Nm (0.002282 lb pulg.)

Tabla 3.3. Cálculo del torque a diferentes condiciones Los resultados muestran que el torque máximo se da cuando la temperatura es baja y el

diámetro de la tubería de producción es de 10.16 cm (4 pulg.), sin embargo existe poca

probabilidad de que la herramienta trabaje a bajas temperaturas, por lo general las

operaciones realizadas en pozos de producción son a temperaturas mayores de 80 °C, para

el análisis puede ser válido tomar el valor crítico, en este caso la magnitud del torque que se

produce cuando la herramienta trabaja en el fondo del pozo es de 0.0002578 Nm (0.002707

lb pulg.). Regresando a la ecuación 3.2, donde α es la aceleración angular, dado que la

velocidad angular en el sistema es constante con un valor de 360 rpm, α = 0, tenemos:



M11 + M22 + M33 + M44 = 0 (3.62)

Despejando M44 :

M11 + M22 + M33 = - M44 (3.63)

Que es torque necesario del motor para mover el sistema, esto es teóricamente:

M44 = 2.0829 Nm + 0.0042938 Nm + 0.0003058 Nm

= 0.1730 W (18.5137 lb pulg. ≈ 0.00023 hp)

3.4.2.- Estimación de la potencia necesaria para mover el módulo de sensores por el

método experimental.

Para realizar esta estimación se diseñó y fabricó el sistema mostrado en la figura 3.11, con

el cual se simularon algunas condiciones que se encuentran en los pozos y en las cuales la

herramienta trabaja. A continuación se muestra el procedimiento empleado para realizar la

prueba, en el que se incluye también la fabricación de otros aditamentos que fueron

necesarios.

a.- Se elaboró un prototipo similar al mecanismo deseado, empleando elementos si-

milares a los que se han propuesto, tales como baleros, sellos, tipo de material,

etc.

b.- Se instaló un sistema como se muestra en la figura 3.11, utilizando una bomba

hidráulica manual con rango de hasta 1054 kg/cm2 (15 000 lb/pulg2) de presión,

conectada a un probador hidrostático, especialmente fabricado para resistir altas

presiones.

c.- Se introdujo el sistema al probador, asegurando que no exista fuga, probando

posteriormente el funcionamiento del motor, sin presión, a través de una fuente

de voltaje variable, con capacidad de medir corriente.

d.- Se suministró presión a través de la bomba, en intervalos de 35.15 kg/cm 2

(500 lb/pulg 2).

e.- Se tomó una serie de datos de la corriente que demandaba el motor en función de



la presión suministrada; se muestran en la tabla 3.4.

107

Prototipo

Multímetro

Entrada de presión

Bomba manual para inyectar presión con rango de hasta 1054 kg/cm2 (15 000 lb/cm2)

Rotación



Probador para alta presión

Figura 3.11. Sistema de Pruebas

Presión bar (lb/pulg 2)

Corriente (Amp)

Potencia W (hp)

Presión bar (lb/pulg 2)

Corriente (Amp)

Potencia W (hp)

34.473 (500) 0.56 11.19 (0.0150) 241.31(3 500) 0.6 12.01 (0.0161) 68.947 (1000) 0.53 10.59 (0.0142) 0.59 11.78 (0.0158)

0.54 10.82 (0.0145) 275.79(4 000) 0.61 12.23 (0.0164) 0.55 10.81 (0.0145) 0.66 13.20 (0.0177) 0.55 11.04 (0.0148) 0.68 13.65 (0.0183) 0.52 10.36 (0.0139) 0.59 11.78 (0.0158) 0.56 11.19 (0.0150) 344.73 (5 000) 0.64 12.83 (0.0172)

103.421 (1 500) 0.51 10.22 (0.0137) 0.66 13.20 (0.0177) 0.54 10.81 (0.0145) 0.65 12.98 (0.0174) 0.52 10.36 (0.0139) 0.61 12.23 (0.0164) 0.52 10.36 (0.0139) 0.63 12.60 (0.0169) 0.51 10.22 (0.0137) 0.62 12.38 (0.0166)

137.895 (2 000) 0.57 11.78 (0.0158) 0.64 12.83 (0.0172) 0.58 11.63 (0.0156) 0.63 12.60 (0.0169) 0.57 11.41 (0.0153) 0.62 12.38 (0.0166) 0.58 11.63 (0.0156) 0.61 12.38 (0.0166)

172.368 (2 500) 0.58 11.63 (0.0156) 0.67 13.42 (0.0180) 0.57 11.41 (0.0153) 0.68 13.65 (0.0183) 0.57 11.41 (0.0153) 0.66 13.20 (0.0177)

206.84 (3 000) 0.61 12.23 (0.0164) 0.62 12.38 (0.0166) 0.63 12.60 (0.0169) 0.56 11.19 (0.0150

Tabla 3.4. Demanda de corriente del motor, tomada experimentalmente.



P o t e n c i a r e q u e r i d a p o r e l m o t o r

11.1

9

10.5

9 10.8

1

10.8

1 11.0

4

10.3

6

11.1

9

10.2

2

10.8

1

10.3

6

10.3

6

10.2

2

11.7

8

11.6

3

11.4

1 11.6

3

11.6

3

11.4

1

11.4

1

12.2

3

12.3

8 12.6

11.1

9

12.0

1

11.7

8

12.2

3

13.2

13.6

5

11.7

8

12.8

3

13.2

12.9

8

12.2

3

12.6

12.3

8

12.8

3

12.6

12.3

8

12.3

8

13.4

2 13.6

513

.2

9

9 . 5

1 0

1 0 . 5

1 1

1 1 . 5

1 2

1 2 . 5

1 3

1 3 . 5

1 4

C o r r ie n t e ( A m p )

Pot

enci

a (w

)

Gráfica 3.1. Gráfica de demanda de energía del motor en función de la carga.

Con los datos obtenidos de la corriente, se puede determinar la potencia necesaria del

motor para mover el sistema en condiciones reales, se puede determinar también la pérdida

de potencia en función de la presión, ya que se observa en los datos que la demanda de

corriente aumenta con la presión, esto se debe al esfuerzo existente en el punto donde se

encuentra el sello, la presión actúa directamente sobre las paredes de éste aumentando el

coeficiente de fricción.

Datos iniciales:

Alimentación del motor.............. 20 Volt

Corriente demandada sin carga 0.51 Amp.

Tomando como valor máximo la corriente de 0.68 Amp y el valor del voltaje suministrado,

se tiene:

Potencia = E I (3.64)

= (20 Volt)(0.68 Amp)

= 13.6 Watts

Potencia requerida = 13.6 Watts ≈ 0.0183 Hp.



Comparando este resultado con el calculado en el inciso 3.4.1, el valor estimado

experimentalmente, resulta ser mucho mayor que el calculado analíticamente, debido a

comportamiento de los rodamientos, ajustes en el maquinado y presiones que se generan en

la parte del sello, pudiendo existir también pérdidas de potencia en los ensambles de las

partes en movimiento, ya que en el prototipo elaborado para la experimentación se

emplearon elementos mecánicos con longitud considerable para el tamaño de motor. Sin

embargo este análisis nos da un indicativo del tipo de motor que debe de seleccionarse.



3.5- Cálculo de espesor de pared de los elementos sometidos a presión.

El cálculo de los recipientes a presión esta regida por las diferentes teorías de resistencia de

materiales, sin embargo es necesario determinar si el recipiente es considerado de pared

gruesa o delgada, para ello existen diversos criterios, por ejemplo: Shigley establece que un

cilindro es de pared delgada si la relación entre el espesor e y el diámetro interior da del

cilindro es menor de 1/20.

e <201 da (3.65)

Pisarenko refiere que un cilindro se considera de pared gruesa si el espesor de su pared es

mayor que una décima de su radio medio.

e > 10rm (3.66)

Durr y Wachter indican que los cilindros de paredes delgadas son aquellos cuyo diámetro

exterior es mayor o igual a 10 veces el espesor de la pared.

db≥10e (3.67)

Por último Gere y Timoshenco proporcionan como regla general la relación del radio r al

espesor e mayor a 10 para que se considere el cilindro de pared delgada.

er >10 (3.68)

Para un diámetro interior da de aproximadamente 31.75 cm (1.250”) y un diámetro

exterior db de 42.84 mm (1.687”) propuesto, según estos criterios se tiene: Autor Espesor ( e ) Criterio Shigley 2.93 mm >0.97 mm

(0.1155” > 0.03845”) Pared gruesa

Pisarenko 2.93 mm>2.24 mm (0.1155” > 0.08845”)

Pared gruesa

Durr y Wachter 25.4 mm<29.33mm (1”< 1.155”)

Pared gruesa

Gere y Timoshenko 109.95 mm<35.4 mm (64.329” < 10”)

Pared gruesa

Tabla 3.5. Criterios para determinar el tipo de cilindro.(7)

Según estos criterios el recipiente pertenece a los de pared gruesa, por lo tanto se deben de

realizar consideraciones diferentes a las tomadas si este fuera de pared delgada.



Sin embargo es posible seguir un procedimiento análogo para determinar la fuerza total que

transmite la sección longitudinal, dividiendo esta fuerza entre el área sobre la que actúa

obteniendo el valor medio del esfuerzo circunferencial o tangencial, tanto en el caso de

paredes delgadas como en el de paredes gruesas.(7) (12) La diferencia entre uno y otro caso

estriba en que el cilindro de pared delgada, dicho valor medio es prácticamente igual al

máximo esfuerzo tangencial, esto es, el esfuerzo tangencial se distribuye casi

uniformemente en el espesor, mientras que en el caso de pared gruesa es mucho menor que

el máximo valor de este esfuerzo tangencial, que no se distribuye uniformemente en el

espesor, y su variación ni siquiera es lineal.

Figura 3.12.Cilindro de análisis. Figura 3.13. Elemento aislado.

Es importante recordar la metodología para determinar los esfuerzos originados en el

cilindro de pared gruesa, según la teoría de Gabriel Lamé, quien desarrolló este problema

encontrando la solución en 1833, tenemos:

Considerando el cilindro de la figura 3.12. se observa que tiene un radio interior a y un

radio exterior b, estando sometido a presión interna y externa uniformemente distribuidas y

de valor pi y p0, en este análisis no se consideran los esfuerzos producidos por un cambio

de temperatura ΔT , será considerado posteriormente completando el análisis,

considerando el cilindro también como un cilindro cerrado, se aísla una porción del cilindro

con un espesor diferencial dr y se considera la mitad de longitud unitaria de este elemento

cilíndrico diferencial. El esfuerzo tangencial en el elemento aislado en la figura 3.13, es

σrr+ dσrr ya que σrr varía a lo largo del radio. Los esfuerzos radiales se suponen

0

de tensión de modo que un resultado negativo indica la existencia de compresión. Tal

Línea de centro

θrd

σzz rrrr dσσ +

zzσ

θθσ θθσ

0p

b a

ip r



elemento puede estudiarse como un cilindro de pared delgada por lo tanto, para el

equilibrio, la suma de las fuerzas aplicadas debe ser igual a cero:

(σ + dσ ) 2( r + dσ ) - σ ( 2r ) - 2σ t dr = 0 (3.69) r r r r

El producto dr(dσ ) puede despreciarse, como infinitésimo de segundo orden, respecto de

las otras cantidades. En estas condiciones la ecuación anterior se escribe en la forma:

r

dr

dr rσ + σ r - 2σ t = 0 (3.70)

Para obtener otra relación entre σ y σ t hay que adoptar alguna hipótesis complementaria.

Se supone que una sección recta, normal al eje del cilindro, permanece plana después de la

deformación y, por tanto, la deformación unitaria longitudinal es constante en cualquier

punto de la sección. Aplicando la ley de Hooke en el caso de un estado triaxial de esfuerzos

resulta:

r

zε =E1 ( zσ -ν ( rσ + tσ )) (3.71)

Ahora bien, como zε , E, zσ y ν son constantes, la suma rσ + tσ ha de ser constante en

toda la sección. Llamando 2A a esta constante:

rσ + tσ = 2A (3.72)

Ahora se puede enunciar una ecuación que sólo incluya rσ ; esto es sumando las

ecuaciones 3.63 y 3.65:

r = dr

d rσ + 2 rσ = 2A (3.73)

o bien, r = dr

d rσ = 2(A- rσ ) (3.74)

de donde al separar variables, se obtiene

r

r

Adσσ−

= 2r

dr (3.75)

la integración da

-log (A-e rσ ) = 2 log e r + C = log r + C (3.76) e2

log e (A- rσ )r =-C (3.77) 2



o bien, log e (A- rσ ) r = e = B (3.78) 2 C−

de donde B es una constante más adecuada que e . Resolviendo para C−rσ , finalmente se

obtiene :

rσ = A - 2rB (3.79)

Sustituyendo este valor en la ecuación 3.6.4, resulta:

tσ = A + 2rB (3.80)

Los valores de las constantes A y B se determinan mediante las condiciones de frontera que

son :

rσ = -p i para r = a

rσ = -p para r =b 0

donde el signo menos indica que rσ es un esfuerzo de compresión, con estos valores se

obtiene el sistema:

-p i =A - 2aB (3.81)

0p− =A- 2bB (3.82)

cuya solución es:

A= 220

22

abpbpa i

−−

(3.83)

B= 220

22 )(ab

ppba i

−−

(3.84)

Sustituyendo estos valores en las expresiones 3.71 y 3.72 se obtienen las expresiones

generales de rσ y tσ en un punto cualquiera a la distancia r del centro:

rσ = 220

22

abpbpa i

−−

- 2220

22

)()(

rabppba i

−−

(3.85)

tσ = 220

22

abpbpa i

−−

+ 2220

22

)()(

rabppba i

−−

(3.86)

considerando que existe un cambio de temperatura 0TΔ en función del radio r, la

distribución de esfuerzos por temperatura en las paredes del recipiente están expresadas a



por las ecuaciones:

rσ = )/ln()1(2

0

abET

να

− ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

+−ab

abrrba

rb ln

)()(ln 222

222

(3.87)

tσ =)/ln()1(2

0

abET

να

− ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

−−ab

abrrba

rb ln

)()(ln1 222

222

(3.88)

donde α es el coeficiente de expansión térmica, E es el módulo de elasticidad y ν es la

relación de Poisson. En este esfuerzo cuando T =T -T b es positivo, la temperatura en

radio interior T es mucho mayor que en el radio exterior T . Cuando el cilindro se

encuentra sujeto a una presión interna y una presión externa , y un cambio de

temperatura, la distribución de esfuerzos en la pared del recipiente están dados por las

ecuaciones: (13)

0 a

a b

ip 0p

rσ = 220

22

abpbpa i

−−

- 2220

22

)()(

rabppba i

−−

+)/ln()1(2

0

abET

να

− ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

+−ab

abrrba

rb ln

)()(ln 222

222

(3.89)

tσ = 220

22

abpbpa i

−−

+ 2220

22

)()(

rabppba i

−−

+)/ln()1(2

0

abET

να

− ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

−−ab

abrrba

rb ln

)()(ln1 222

222

(3.90)

Utilizando estas ecuaciones para determinar la distribución de esfuerzos en las paredes de

las camisas, se pueden establecer los espesores mínimo y máximo que soporten las

condiciones expresadas anteriormente, A continuación se presenta un análisis de la

distribución de esfuerzos a diferentes radios de los cilindros.(13)

Utilizando como material de fabricación la Aleación de titanio 6-6-2, cuyos datos para el

cálculo son:

Coeficiente de expansión térmica, α = 2.88x10-6 Cmm

mm°

(5.2x10 6−

Fpupu

lgºlg )

Módulo de elasticidad, E = 1159950 kg/cm 2 (16.5x10 6 PSI)

Relación de Poisson, ν = 0.33

Presión externa, = 1054.6 kg/cm2 (15 000 PSI) op

Presión interna, = 1 kg/cm 2 (14.7 PSI) ip

Temperatura exterior = 180 º C ( 356 º F )

Temperatura interior = 20 º C ( 356 º F )



De la gráfica 3.2., que representa la variación de los esfuerzos de tensión y cedencia de la

aleación de titanio 6-6-2, donde se puede observar los siguientes datos en función de la

temperatura:

7000

7500

8000

8500

9000

9500

10000

10500

11000

11500

0 50 100 150 200 250

Tem peratura ° C

Esfu

erzo

(kg/

cm2)

Esf de TensiónEsf de Cedencia

Gráfica 3.2. Relación de esfuerzos de la aleación de titanio 6-6-2 a diferentes temperaturas.

Temperatura ( ºC )

Esfuerzo de Tensión kg/cm 2 (103lb/pulg 2)

Esfuerzo de Cedencia kg/cm 2 (103lb/pulg 2)

25 11249.38 (160) 10545 (150) 50 10845.88 (154.28) 9721.084 (138.28)

100 10082.42 (143.42) 8977.31 (127.70) 150 9680.31 (137.70) 8575.89 (121.99) 180 9479.95 (134.85) 8315.08 (118.28) 200 9459.56 (134.56) 8254.62 (117.42)

Tabla 3.6. Esfuerzos de tensión y cedencia para aleación de titanio 6Al-6V-2Sn en función de la temperatura. La tabla anterior fue determinada por interpolación de la tabla 3.6., en donde se puede

observar que los esfuerzos de tensión y cedencia disminuyen cuando la temperatura

aumenta, en este caso a 180 ºC el esfuerzo a la cedencia es de 8315.08 kg/cm2 (118 280

lb/pulg 2), aproximado.

El cilindro y la mayoría de las piezas estarán sometidas a variaciones de temperatura desde

20ºC hasta un máximo de 180ºC, en un tiempo determinado dependiente de las condiciones

de operación, el mecanismo se homogeneizará a la máxima temperatura, tomando la



diferencia de temperatura en este instante, los esfuerzos térmicos serían nulos, según las

ecuaciones 3.87 y 3.88. Considerando el caso extremo, temperatura en el interior del

cilindro de 20ºC y en el exterior de 180ºC, se obtienen los siguientes esfuerzos sobre un

espesor de pared propuesto de 0.55245 cm (0.217 pulg ) (tabla 3.7).

Radio

Interior (a)

Variación del radio

(r)

Radio Exterior

( b)

Espesor

(e)

Suma de Esfuerzos Térmicos y Normales Radial Tangencial

15.9004 0 -1 -4253.500196 16.0274 0.127 -34.64721973 -4241.135466 16.1544 0.254 -67.66999278 -4229.227206 16.2814 0.381 -100.0864316 -4217.759933 16.4084 0.508 -131.9139704 -4206.718783 16.5354 0.635 -163.1693961 -4196.08948 16.6624 0.762 -193.8688769 -4185.858307 16.7894 0.889 -224.0279902 -4176.012085 16.9164 1.016 -253.6617485 -4166.538142 17.0434 1.143 -282.7846245 -4157.424296 17.1704 1.27 -311.4105741 -4148.65883 17.2974 1.397 -339.553059 -4140.230471 17.4244 1.524 -367.2250678 -4132.128373 17.5514 1.651 -394.4391364 -4124.342093 17.6784 1.778 -421.2073665 -4116.861581 17.8054 1.905 -447.5414444 -4109.677154 17.9324 2.032 -473.452658 -4102.779488 18.0594 2.159 -498.9519132 -4096.159597 18.1864 2.286 -524.04975 -4089.808822 18.3134 2.413 -548.7563566 -4083.718817 18.4404 2.54 -573.0815845 -4077.881533 18.5674 2.667 -597.0349613 -4072.289209 18.6944 2.794 -620.6257041 -4066.934357 18.8214 2.921 -643.8627315 -4061.809754 18.9484 3.048 -666.7546754 -4056.908428 19.0754 3.175 -689.3098924 -4052.22365 19.2024 3.302 -711.5364741 -4047.748924 19.3294 3.429 -733.4422577 -4043.477976 19.4564 3.556 -755.0348352 -4039.404747 19.5834 3.683 -776.3215633 -4035.523381 19.7104 3.81 -797.309572 -4031.828224 19.8374 3.937 -818.0057731 -4028.313809 19.9644 4.064 -838.4168682 -4024.974851 20.0914 4.191 -858.5493567 -4021.806242 20.2184 4.318 -878.4095433 -4018.803041 20.3454 4.445 -898.0035447 -4015.960471 20.4724 4.572 -917.3372968 -4013.27391 20.5994 4.699 -936.416561 -4010.738884 20.7264 4.826 -955.2469306 -4008.351066 20.8534 4.953 -973.8338368 -4006.106269 20.9804 5.08 -992.1825541 -4004.000436 21.1074 5.207 -1010.298206 -4002.029642 21.2344 5.334 -1028.185771 -4000.190084 21.4249 5.5245 -1054.6 -3997.668793

15.9004

mm

mm

21.4249

mm

Mm kg/cm2 Kg/cm2 Tabla 3.7. Distribución de esfuerzos sobre el espesor de la camisa exterior de la herramienta a 180ºC



-4 5 0 0

-4 0 0 0

-3 5 0 0

-3 0 0 0

-2 5 0 0

-2 0 0 0

-1 5 0 0

-1 0 0 0

-5 0 0

01 .5 1 .6 1 .7 1 .8 1 .9 2 2 .1 2

E s p e s o r d e p a re d ( c m )

Esf

uerz

o (k

g/cm

2)

.2

E s fu e rz o R a d ia lE s fu e rz o T a n g e n c ia l

Gráfica 3.3. Distribución de esfuerzos sobre el espesor del cilindro sometido a temperatura y a presión sobre el exterior.

Debido a que la presión exterior es mucho mayor que la presión que se encuentra en el

interior del sistema los esfuerzos radial y tangencial son de compresión, siendo el esfuerzo

tangencial ( tσ ) siempre mayor al esfuerzo radial ( rσ ), el máximo esfuerzo de compresión

tiene lugar en la superficie interior, en donde el esfuerzo radial ( rσ ) es la presión interna,

en este caso el valor de la presión atmosférica, evaluando estos resultados con las

principales teorías de falla, tenemos:

a.- Teoría del esfuerzo normal máximo(6)

Esta teoría expresa que la falla se produce siempre que el mayor esfuerzo principal sea

igual al valor de la resistencia a la fluencia, o bien a la resistencia ultima del material, en un

estado de esfuerzos el mayor corresponde a σ1 de tal forma que σ1 > σ2 >σ3, por lo tanto la

falla se producirá si σ1=Sy ó si σ1 =Su , de donde Sy es el esfuerzo a la cedencia y Su es el

esfuerzo ultimo, para el caso de aleación de titanio 6-6-2, a la temperatura de 180°C:

SY= 9479.95 kg/cm2 (134.83x103 lb/pulg2)

Su= 8315.08 kg/cm2 (118.28x103 lb/pulg2)

La falla por ruptura se producirá siempre que:

σ1= -Suc



para este caso:

σ1= 4253.500196 kg/cm2 a compresión

4253.500196 kg/cm2 < 8315.08 kg/cm2

lo que indica que se tiene un factor de seguridad para la falla por ruptura de:

95.150.425308.8315

1

===σ

ucSn (3.91)

La falla por fluencia ocurrirá siempre que:

σ1= -Syc (3.92)

para este caso:

4253.500196 kg/cm2 < 9479.95 kg/cm2

calculando el factor de seguridad:

228.250.425395.9479

1

===σ

ycSn (3.93)

b.- Teoría del esfuerzo cortante máximo(6)

Esta es una teoría fácil de emplear y siempre proporciona predicciones seguras aplicándose

a materiales dúctiles, que se definen como aquellos cuyo porcentaje de alargamiento es

mayor de 5%, la aleación de titanio empleada en este caso posee un coeficiente de

alargamiento en 50.8 mm de 10 %, por lo que se considera como un material dúctil. La

teoría del esfuerzo cortante máximo afirma que se inicia la fluencia siempre que el esfuerzo

cortante máximo se vuelve igual al esfuerzo cortante máximo:

2

ymax

S=τ (3.94)

de donde:

2/25.21262

)1(50.42532

cmkgminmaxmax =

−−−=

−=

σστ a compresión (3.95)

2/975.47392

95.94792

cmkgSy == (3.96)

por lo tanto:

2126.25 kg/cm2< 4739.975 kg/cm2

El coeficiente de seguridad de acuerdo con esta teoría, esta dado por:



229.2)25.2126(2

95.94792

===max

ySn

τ (3.97)

Este valor indica que el espesor calculado esta dentro de los rangos aceptables y no se corre

el riesgo de falla por fluencia.

c.- Teoría de Energía de distorsión(6)

Esta teoría se emplea para definir el principio de la fluencia al igual que la teoría del

esfuerzo cortante máximo y afirma que la fluencia se inicia cuando la energía total de

deformación, almacenada en el elemento esforzado, llega a ser igual a la energía elástica

que hay en un elemento contenido en una probeta de tensión en el punto de cedencia, el

criterio de energía de distorsión predice una resistencia de fluencia al cortante,

sensiblemente mayor que la predicha por la teoría del esfuerzo cortante máximo.

Para el análisis se calcula el esfuerzo de Von Moises:

2221

21

' σσσσσ +−= (3.98)

de donde:

2

1

22

1 22 ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

++

= strt S

rσσσσσ (3.99)

2

1

22

2 22 ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−+

= strt Srσσσσ

σ (3.100)

Ss es el esfuerzo cortante dado por:

2

minmaxsS

σσ −= (3.101)

Sustituyendo los valores calculados en las ecuaciones anteriores se tiene:

21

22

1 )25.2126(2

)1(5001.42532

)1(5001.4253

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −−−

+−+−

=σ = 879.72kg/cm2 (3.102)

21

22

2 )25.2126(2

)1(5001.42532

)1(5001.4253

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −−−

−−+−

=σ = -5134.22Kg/cm2 (3.103)

calculando es el fuerzo de Von Moises:

222 /90.5625)22.5134()22.5134)(72.879()72.879(´ cmkg=−+−−=σ (3.104)

La falla por fluencia queda predicha por la teoría de la energía de distorsión, siempre que:



yS=´σ (3.105)

5625.90 kg/cm2 < 9479.95 kg/cm2

El coeficiente de seguridad por lo tanto esta dado como:

68.190.562595.9479

===σ

ySn (3.106)

Los coeficientes de seguridad estimados en cada una de las teorías, definen que el espesor

del cilindro que será sometido a presión exterior soporta los esfuerzos, pudiendo ser en

algunos casos de menor espesor, a continuación se presenta una tabla que resume los

resultados obtenidos.

Teoría Esfuerzo a la fluencia Kg/cm2 (lb/pulg2)

Esfuerzo a la cedencia Kg/cm2 (lb/pulg2)

Coeficiente de Seguridad

Esfuerzo normal máximo -4253.50 (-60372.13) -4253.50 (-60372.13) 1.95

Esfuerzo cortante máximo -2126.25 (-11881.48) - 2.229

Energía de distorsión 5625.90 (79851.32) - 1.68

Tabla 3.8. Coeficientes de seguridad aplicando diversas teorías de esfuerzos



3.6. Cálculo de esfuerzos torsionantes sobre la flecha de transmisión.

La figura 3.14, muestra el arreglo diseñado para la flecha que se emplea en la transmisión

de potencia del motor hacia el módulo de sensores, se puede apreciar que consiste de una

flecha de dos diámetros y un barreno al centro que es empleado para atravesar cables

eléctricos que mantienen la comunicación entre los sensores y el módulo de la electrónica.

La flecha es acoplada al “slip-ring” que es empleado para mantener en contacto eléctrico

entre las partes que giran y las que permanecen estáticas, el contacto se realiza a través de

escobillas que rozan sobre un anillo con recubrimiento de oro. Sobre este sistema se

generan esfuerzos torsionantes ocasionados por el torque del motor aplicado sobre la

flecha; según la teoría de la elasticidad existen hipótesis que deben ser consideradas para

realizar un análisis de torsión sobre barras redondas sólidas o huecas, esto es:

a.- Las secciones circulares permanecen circulares después de la torsión.

b.- Las secciones planas permanecen planas y no se alabean después de la torsión

c.- La proyección sobre una sección transversal de una línea radial de una sección

permanece radial después de la torsión.

d.- El árbol está sometido a la acción de pares torsores o torsionantes que actúan en

planos perpendiculares a su eje.

e.- Los esfuerzos no sobrepasan el límite de proporcionalidad.

Figura 3.14. Flecha de transmisión.

Considerando un árbol circular macizo, en el que se aplica un momento torsionante T en los

extremos del árbol, ver figura 3.15, una generatriz cualquiera, tal como AB, en la superficie



del cilindro, inicialmente recta y paralela al eje , se tuerce formando una hélice AC, al

tiempo que la sección en B gira un cierto ángulo θ respecto de la sección en A.

Figura 3.15. Flecha con momento torsionante.

Si se considera una fibra cualquiera del árbol a una distancia ρ del eje del árbol, el radio de

la fibra gira también un ángulo θ, produciéndose una deformación tangencial δs igual a DE,

como se muestra en la figura 3.16. La longitud de esta deformación es el arco de círculo de

radio ρ y ángulo θ, dado por la ecuación:

δs = DE = ρθ (3.107)

de tal forma que la deformación esta dada como:

LL

s ρθδγ == (3.108)

y el esfuerzo cortante según la ley de Hooke:

ρθγτ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

LGG (3.109)

Esta ecuación indica que el esfuerzo cortante en un punto interior es el producto de una

constante por su distancia al centro, es decir, la distribución de esfuerzos a lo largo de

cualquier radio varía linealmente con la distancia al centro de la sección, la figura 3.16,

muestra gráficamente esta variación a lo largo de OB; el esfuerzo cortante máximo τmax,

tiene lugar evidentemente en las fibras exteriores. Si se divide el árbol en dos, mediante una

sección M-N perpendicular al eje se traza el diagrama de cuerpo libre correspondiente a una

de las partes; un elemento diferencial de área de esta sección estará sometido a una fuerza

resistente dP = τdA, ya que al ser diferencial, se puede admitir que el esfuerzo es constante

dentro del elemento.(12)



Como la misión de estas fuerzas resistentes, que representan la acción sobre esta sección de

la parte suprimida del sólido, es oponerse al momento torsionante aplicado T, han de tener

la dirección perpendicular al radio para producir el máximo efecto. En una sección circular

esto es matemáticamente cierto, y como consecuencia del principio de conservación de la

energía, las fuerzas resistentes se distribuyen siempre de manera que sean lo más eficaces

υ

Figura 3.16. Distribución de esfuerzos.

posibles y que, por lo tanto, dP ha de ser perpendicular a ρ de forma que produzca la

máxima resistencia a la torsión.

Para que se cumplan las condiciones de equilibrio estático, se aplica la condición ΣM=0, es

decir, que el par torsor resistente ha de ser igual al momento torsionante aplicado. El par

resistente Tr es la suma de los momentos respecto al centro de todas las fuerzas

diferenciales dP:

T = Tr = ∫ρdP = ∫ρ(τdA) (3.110)

Sustituyendo τ por su valor dado en la ec. 3.94, resulta :

dAL

GT ∫= 2ρθ (3.111)

Ahora si ∫ρ2dA = J, es el momento polar de inercia de la sección recta, con lo que:

JL

GT θ= (3.112)

Sustituyendo el valor de Gθ/L en la ecuación 3.109, por su equivalente T/J , se obtiene:

J

Tρτ = (3.113)

que es la formula de torsión. Para calcular el máximo esfuerzo cortante, que es la expresión



más utilizada en la práctica, se sustituye ρ por el radio r del árbol, es decir :

J

Trmax =τ (3.114)

se observa que al haber aplicado la ley de Hooke en la deducción de las fórmulas, los

esfuerzos no deben sobrepasar el límite de proporcionalidad.

Para barras huecas el momento polar de inercia J, esta dado como: )(32

44 dDJ −=π ,

sustituyendo este valor en la ecuación 3.114 ,obtenemos:

( )44

16dD

TDmax −

=π

τ (3.115)

resolviendo para el caso de la flecha mostrada en la figura 3.24, tenemos:

T6.35 + T 9.525 = T (3.116)

Considerando que para tener la velocidad de salida de 3 rps, como lo indica el

requerimiento, es necesario acoplar un reductor de velocidad a un motor, que según

catálogo, el motor proporciona una velocidad de salida de 25 100 rpm, y acoplado a un

reductor de velocidad es posible tener una reducción con una relación de 127.1:1, y un

torque a la salida de 21 oz-pulg. equivalente a 0.14829 Nm, considerando 197.63 rpm de

salida, el motor proporciona una potencia de 3.070 W ( 0.0041 hp), por lo tanto,

sustituyendo en la ecuación anterior:

T6.35 + T9.525 = 0.14829 Nm. (3.117)

Suponiendo que la flecha se divide en dos secciones, una de 6.35 mm (0.250”) de diámetro

y otra de 9.525 mm (0.375”) de diámetro y que en ambas partes se produce el mismo

ángulo de torsión, se establece la siguiente ecuación:

525.935.6

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

JGTL

JGTL (3.118)

Resolviendo para cada una de las incógnitas, tomando como datos los siguientes valores:

Para la sección de 6.35 mm (0.250”) de diám.,D= 6.35 mm, d=3.175 mm (0.125”),

L=80.01 mm (3.150”).

Para la sección de 9.525 mm (0.375”) de diám.,D=9.525mm, d=4.749mm,L =79.375 mm

(3.125”). El material de fabricación de la flecha es aleación de titanio Ti-6al-4V cuyo

módulo de elasticidad a la torsión es 428830 kg/cm2 (6.1x10 6 lb/pulg 2).



Despejando el valor de T para cada sección de la Flecha, se tiene:

T6.35 = 0.04129 Nm (0.3655 lb-pulg)

T9.525 = 0.21084 Nm (1.8661 lb-pulg)

Que corresponden al valor del torque producido en cada sección, sustituyendo en la

ecuación 3.99, se obtiene el valor del esfuerzo máximo en cada sección de la flecha:

τ6.35 = 8.933 kg/cm2 (127.08 lb/pulg2)

τ9.525 = 13.504 kg/cm2 (192.10 lb/pulg2)

Estos valores son mucho menores al valor de la resistencia a la cedencia del material

(9842 kg/cm2 ≈ 140 000 lb/pulg2), por lo que la flecha no corre el riesgo de sufrir

deformación ni ruptura por efectos de los esfuerzos de torsión.

3.7. Cálculo de esfuerzos en uniones roscadas.

Existen generalmente dos clasificaciones genéricas de roscas:

a.- Rosca para tornillos de potencia

b.- Roscas para sujetadores

Las roscas para tornillos de potencia se utilizan para transmitir movimiento en forma suave

y uniforme, como actuadores lineales que transforman el movimiento rotatorio en

movimiento lineal. Mientras que las roscas para tornillos de potencia se utilizan en

dispositivos con movimiento, ordinariamente las roscas para sujetadores se usan en

tornillos comunes para unir partes, es decir como dispositivos de unión.

Algunas aplicaciones típicas de tornillos de potencia se encuentran en gatos para

automóviles, tornillos de avance en tornos, prensas tipo tornillo, grapas, vástagos para

válvulas, camas de hospital, barras de mando para control en reactores nucleares, etc.

Por lo general los tornillos de potencia tienen eficiencia del orden de 30 a 75%,

dependiendo del ángulo de la hélice y del coeficiente de fricción por el deslizamiento entre

la tuerca y el tornillo. Las formas de roscas usadas en tornillos de potencia son: rosca

Acme, rosca Acme corta o truncada, rosca Acme truncada de 60°, rosca cuadrada

modificada y rosca trapezoidal.(14)



Las especificaciones de estas roscas están dadas por los estándares de la ANSI para

tornillos de traslación.

Los tornillos de sujeción están caracterizados por tener la rosca en “ V ”, en comparación

con la rosca para tornillos de potencia, ésta es más susceptible al deterioro, además la raíz

aguda da como resultado grandes concentraciones de esfuerzo, sin embargo esto se ha

reducido reemplazando las crestas y raíces agudas por superficies planas, roscas Seller,

mostrada en la figura 3.17. El diámetro mayor o exterior es medido en las crestas de las

roscas externas y en las raíces para las roscas internas, éste diámetro es utilizado para

designar una rosca. El paso de un tornillo se mide como la distancia entre puntos

correspondientes de roscas adyacentes. Este es igual al recíproco del número de hilos/pulg.

P/8

P/

Figura 3.17. Geometría de la rosca unificada e ISO, perfil básico de una cuerda externa.

El avance es la distancia que mueve axialmente un tornillo durante una revolución del

mismo. Las siguientes roscas son las más comúnmente usadas y se les designa como roscas

“estándar”.

1.- Gruesa, designada como UNC (Unified National Coarse). Se le usa para trabajos de

ensamble generales, especialmente donde el ensamble y el desensamble son frecuentes

y necesarios. No debe utilizarse en el caso de diseños con problemas de vibraciones. Se

recomienda su empleo con metales que sean de acero. Una regla recomendada en el

diseño es especificar siempre rosca gruesa a menos que un factor específico de diseño

indique lo contrario.

2.- Fina, designada como UNF (Unified National Fine). Esta serie es muy usada en

automóviles, aviones y en aplicaciones con problemas de vibración. También son

recomendadas para diseños donde se tengan agujeros para roscar en materiales de

acero.

4

60°

30°

Paso

Diámetro mayor d

Diámetro de fondo dr

Diámetro en el paso dP Eje de la rosca



3.- Extrafina, designada como UNEF (Unified National Extra Fine). Usada en aplicaciones

instrumentales, particularmente en trabajos de aviación y también en los casos que

involucren vibraciones y choques fuertes. Por lo general los tornillos de esta serie se

hacen de acero de aleación de alto grado.

En la designación de roscas, la letra A se usa para indicar roscas externas y la B para roscas

internas. Además las roscas se clasifican de acuerdo al ajuste. El ajuste 1 tiene la tolerancia

más amplia y por tanto, los ajustes más holgados, se usa donde se necesita de un ensamble

y desensamble rápido. Los de ajuste 2 son los más ampliamente empleados y son

recomendados para la mayor parte de las aplicaciones excepto cuando se indique lo

contrario y por alguna razón específica. La clase 3 es el último ajuste estándar, es el más

apretado, y se le utiliza en aplicaciones de precisión. Una variación de estos ajustes puede

obtenerse usando una diferente clase de ajuste para roscas externas e internas.

Al realizar un análisis del esfuerzo en un perno o en un tornillo, el primer paso consiste en

calcular el diámetro necesario usando la fórmula directa de tensión o de compresión, donde

F es la carga que está soportada y A es el área de la sección transversal basada en el

diámetro de raíz, ec. 3.119.

AF

=σ (3.119)

Si hay posibilidad de fallas por flexión o por efecto de columna, deberá verificarse el

diámetro para esas condiciones.

Otro posible modo de falla sería si las roscas se cortasen, suponiendo que las roscas

comparten por igual el esfuerzo, las siguientes ecuaciones pueden utilizarse para calcular el

esfuerzo de corte en el tornillo y en las roscas de la tuerca, además del aplastamiento entre

las roscas. Según V.M. Faires: (6)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

2

)( hd

Ftuerca

πσ (3.120)

( )

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

2hd

F

r

tornillo

πσ (3.121)



( )( ) ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛−

=

phdd

F

r

b2

4π

σ (3.122)

Donde σ es el esfuerzo de corte, σb es el esfuerzo de aplastamiento, d es el diámetro

exterior del tornillo, h es la altura de la tuerca, dr es el diámetro de la raíz del tornillo y p el

paso del tornillo.

Se ha encontrado que las roscas no comparten por igual la carga, una estimación

conservadora sería que un solo hilo tomara toda la carga, como se indica en la figura 3.18.

Sin embargo la cedencia de los hilos admite que la carga sea transferida a otros hilos de la

rosca. Por lo tanto, es recomendable escoger un material suave para la tuerca, de manera

que la cedencia del material pueda actuar.

tuerca

elemento sujeto

d

dd

dr

i

p

lineas del flujo de fuerzas

pern

o

A

B

P

P

Figura 3.18. Distribución de esfuerzos en una rosca. Debido a que no esta muy claro cuántos hilos están en acoplamiento y pueden compartir la

carga, como criterio de diseño se puede establecer que todos los hilos comparten la carga

por igual, por lo que es conveniente calcular con un coeficiente de seguridad alto; también

podrá suponerse que toda la carga la soporta un solo hilo, posición muy conservadora. Para

cualquier caso, una longitud razonable de hilos acoplados puede aproximarse por las

siguientes reglas empíricas:

1.- Para acero, la longitud deberá ser por lo menos igual al diámetro exterior de la rosca.



2.- Para hierro vaciado, latón o bronce la longitud del acoplamiento de las roscas deberá ser

por lo menos 1 ½ veces el diámetro exterior de la rosca.

3.- Para aluminio, zinc o plástico ésta deberá ser por lo menos 2 veces.

Robert C. Juvinall (14) , establece que existe un esfuerzo cortante sobre los hilos de la

cuerda en donde el área de corte esta dada como ( )td 75.0π , donde d es el diámetro de la

superficie de fractura por cortante.

Si determinamos el espesor de la tuerca (o la profundidad de agarre de un tornillo en un

agujero roscado) necesario para proporcionar equilibrio entre la resistencia a la tensión del

perno y la resistencia al “ barrido “ o deformación de la cuerda si ambos elementos, perno

y tuerca o agujero roscado, se hace del mismo material. La fuerza a tensión requerida en el

perno para que ceda toda la sección transversal con rosca es :

( ) ( ) ySdtdF 29.04

75.0 ππ ≈= (3.123)

donde d es el diámetro de la cuerda. Según la figura 3.18, la carga a la tensión requerida en

el perno para que la superficie de falla al “barrerse” la cuerda entera de la tuerca es:

( )( )yStdF 58.075.0π= (3.124)

Al igualar las dos expresiones anteriores se sabe que las resistencias a la tensión del perno y

al “barrido” de la rosca están equilibradas cuando el espesor de la tuerca es

aproximadamente:

t = 0.47d (3.125)

Ya que las tuercas por lo común son más suaves que los pernos con objeto de permitir

cedencia ligera en los hilos superiores de la cuerda y, por lo tanto, distribuir la carga con

más uniformidad entre los hilos de contacto, el espesor estándar de la tuerca debe ser

aproximadamente 7/8d.

La figura 3.18 muestra los esfuerzos originados en cada elemento roscado, en donde fueron

aplicadas las ecuaciones anteriores, se consideró que sobre la herramienta actúa una fuerza

a tensión originada en un caso crítico, cuando ésta se encuentra atrapada en el interior del

tubo o pozo y existe una fuerza de tensión a través del cable que se origina desde la

superficie para que la herramienta se libere, sin embargo dadas las características del cable

electromecánico que normalmente se utiliza, se considera que los elementos roscados



sometidos a ésta fuerza deben de soportar más de 2270 kg (5 000 lb), ya que el cable debe

de romper antes que cualquier parte de cualquier herramienta.

Las especificaciones del cable empleado son las siguientes:

Cable Camesa Manufacturado para operar en ácido sulfhídrico ( )SH2 y condiciones severas en pozos de aceite.

5.55 mm de diámetro (7/32”) Monocable Tipo MP-35N, 12 cables en capa interior de 7.87 mm (0.31”) de diámetro, 18 cables en capa exterior de 0.787 mm (0.031”) de diámetro, diámetro total del cable 5.689 ± 0.127 mm (0.224” ± 0.005”). Esfuerzo de ruptura de 2270 kg ≈ 22261.09 N (5000 lb) mínimo. Peso aproximado de 44.090 kg ± 4.473 kg/Km ( 97 lb.± 3 lb/Mft). Resistencia de 68.897 Ω/Km (21 Ω/Mft).

Esfuerzo de Corte kg/cm2 (lb/pulg 2)

Fuerza requerida para Que ceda la cuerda kg/cm2

(lb/pulg2)

Pza.No.

Descripción

Tipo de Rosca

d

mm (pulg)

rd mm

(pulg)

T

mm (pulg) σ (tuerca) σ(tornillo) F(tuerca) F(tornillo)

61 Conector c/sello 1.359-16UNF 33.55(1.321) 16.51(0.650) 390.91 (5560.64) 9698.6(137 960.8)

24 Camisa del mod. de motores.

1.359-16UNF

1.375-12UNF

34.51(1.359)

34.92(1.375)

16.51(0.650)

20.32(0.800)

596.72 (8405.16)

305.14 (4340.58)

9964.8(141747.05)

12408.7(176511.8)

31 Conector p/centrador inf.

1.375-12UNF

0.625-18NF

15.87(0.625)

32.33(1.273) 20.32(0.800)

18.79(0.740)

725.74(10323.5)

329.59(4688.38)

5217.32(74 215.21)

9928.3(141 228.5)

33 Centrador inferior 0.625-18NF

0.750-16NF

14.14(0.557)

17.11(0.674)

18.79(0.740)

19.05(0.750)

814.34(11583.8)

664.01(9445.39)

1397.59(19 880.3)

2012.53(28 627.7)

36 Conector Sup. P/centrador inf.

0.750-16NF

19.05(0.750) 19.05(0.750) 596.72 (8488.26) 8460.5 (120 349.0)

39 Camisa p/circuitería

55 Conector p/centrador sup.

56 Conector sup. P/centrador sup.

0.750-16NF

1.375-12UNF

19.05(0.750)

34.92 1.375)

19.05(0.750)

20.32(0.800)

596.72 (8488.26)

305.14 (4340.58)

8460.5 (120 349.0)

12408.7(176511.8)

33 Centrador superior

0.625-18NF

0.750-16NF

14.14(0.557)

17.11(0.674)

18.79(0.740)

19.05(0.750)

814.32(11 583.6)

664.01( 9445.39)

1397.59(19 880.3)

2012.53(28 627.7)

59 Conector-centrador-conect. Eclipse

16 Flecha de transmisión

0.187-32UNF 3.83 (0.151) 19.05(0.750) 2963.8(42160.4) 125.06 (1 779)

6 Tuerca de flecha 0.187-32UNF 4.74 (0.187) 6.35 (0.250) Tabla 3.10. Esfuerzos en elementos roscados.

Como se puede analizar en la tabla anterior, la carga necesaria para que la cuerda de

cualquiera de las partes se ceda o se “ barra ”, es mucho mayor a la carga producida por la

tensión en operación, como se explicó anteriormente, sin embargo realmente en campo el



cable rompe a 2270 kg (5000 lb) de tensión; esta resistencia esta limitada por la disminución

de los cables de acero que son conectados a la “cebolla” que es el dispositivo utilizado para

unir el cable con las partes mecánicas, es decir si para tener el 100% de resistencia en el

cable se conectan los 12 ó 18 cables de acero, para tener un 40% de resistencia sólo se

sujetan 7 u 8 cables. Por lo tanto es posible asegurar que realmente las dimensiones de las

cuerdas calculadas resistirán la tensión de operación. Cabe mencionar que la cebolla forma

parte de un aditamento más complejo empleado para ensamblar el cable con la herramienta

denominado comúnmente Cabeza, existente en dos modelos MH-21 y MH-22; esta

herramienta esta diseñada para ser conectada a una cabeza del tipo MH-22.(ver anexo A)

En el caso de la flecha de transmisión, la carga calculada para la cedencia es menor a la

carga a tensión que se origina realmente, lo que indica que puede sufrir un daño en estas

condiciones, sin embargo es necesario tener estas dimensiones ya que existen condiciones

que exigen que el diámetro en esta flecha sea el mínimo, una de ellas son los efectos de la

presión sobre las paredes de los sellos que se acoplan a esta parte.

El arreglo diseñado para este ensamble protege el trabajo de la flecha disminuyendo los

riesgos de ruptura o barrido de la cuerda. Las piezas 4 y 7 (Ver plano general de ensamble),

están unidas por 6 tornillos de acero inoxidable de aproximadamente 0.187” de diámetro,

considerando las condiciones de operación a tensión se calcula la resistencia por cortante a

través de la ecuación 3.119, en donde A es el área de la sección transversal de los tornillos

por lo tanto el esfuerzo producido por cortante es de 3145.69 bar ( 45 513.29 lb/cm2). Este

esfuerzo es mucho menor al límite de cedencia del material, se considera que los tornillos

soportan la fuerza a la tensión .

3.8. Consideraciones para determinación de arosellos.

Existe una gran variedad de empaques y sellos para diversas aplicaciones, los arosellos

también conocidos como o-rings, junta tórica, sello y/o empaque, son empleados

ampliamente en la industria y su uso dependen de las condiciones de operación donde sea

colocado. El o-ring es uno de los elementos más sencillos usado para el sellado de diversas

partes, generalmente se encuentran dos aplicaciones: (15)

Sellado estático

Sellado dinámico



El primero se caracteriza por un pequeño o inexistente movimiento entre las superficies de

contacto, el segundo se caracteriza por la existencia de un movimiento entre las superficies

de contacto, tal es el caso de los pistones hidráulicos, flechas de motor, etc. Dadas las

características de operación de los mecanismos que se encuentran en este proyecto, el sello

que se requiere es totalmente estático, a excepción del sello que se encuentra en la flecha de

transmisión, del cual se proporcionarán datos posteriormente.

Según la literatura(15), para un sello estático el diseño del alojamiento deberá ser de la

siguiente forma:

Figura 3.19. Detalle típico del alojamiento de arosellos. Dadas las condiciones de diseño y dimensiones en el diámetro exterior de la herramienta, se

considera que es apropiado utilizar arosellos delgados, esto es con diámetros desde 2.38

mm (3/32”) a 3.175 mm (1/8”), en su sección transversal.

La siguiente tabla muestra las dimensiones que deberá tener el alojamiento y el

aplastamiento propuesto según el diámetro seleccionado y número de parte. ( según

catálogo de Parker):

No.de Arosello (Catalogo Parker)

Diámetro (W) de la sección transversal o grueso. Nominal Real mm (pulg) mm(pulg)

Profundidad del alojamiento L

Aplastamiento Real %

Claro Diametral E

Ancho del Alojamiento G

Radio del Alojamiento R

2-110 al

2-178

2.38 (3/32)

2.61 ± 0.076 (0.103±0.003)

2.057 a 2.108 (0.081 a 0.083)

0.431 a 0.635 (0.017 a 0.025)

17 a 24

0.05 a 0.127 (0.002 a 0.005)

3.556 a 3.683 (0.140 a 0.145)

0.127 a 0.381 (0.005 a 0.015)

2-210 al

2-284

3.175 (1/8)

3.50 ± 0.101 (0.138±0.004)

0.558 a 0.812 (0.022 a 0.032)

0.558 a 0.812 (0.022 a 0.032)

16 a 23

0.076 a 0.152 (0.003 a 0.006)

4.749 a 4.876 (0.187 a 0.192)

0.254 a0.635 (0.010 a 0.025)

Tabla 3.11.Características generales para alojamiento de arosellos en estado estático.(15)

Como se ha mencionado con anterioridad las condiciones de operación son

extremadamente severas, para lo cual es necesario utilizar un material que resista los



ataques de agentes corrosivos, alta temperatura además de la presión, en la actualidad

existen una infinidad de materiales que pueden ser empleados en la fabricación de

arosellos, la tabla siguiente muestra las características de los más recomendados:

Designación ASTM D2000-70b SAE j200

Compuesto Parker

Polímero

Básico

Resistencia a la Temperatura en Servicio continuo

Dureza Shore

“A”

Aplicación y uso recomendado

3CH715 N 3000-7 M Nitrilo (Buna “N”)

-40°C a +121°C 70 Aceite mineral, fluido hidráulico, gasolina y aire.

7BG915 N 3006-9 M Nitrilo (Buna “N”)

-34°C a +121°C 90 Aceite mineral, fluido hidráulico, gasolina y aire, gran resistencia a la extrusión.

7BG820 N 3009-8 M Nitrilo (Buna “N”)

-29°C a +107°C 80 Para sellos rotatorios, dinámicos de alta velocidad acción intermitente. Gran resistencia a la fricción.

5BC715 C 3002-7 Cloropreno (Neopreno)

-54°C a +149°C 70 Freón 12, agua, agua salada, aplicaciones industriales en general.

2AA815 E 3003-8 Etileno Propileno

-54°C a +149°C 80 Skydrol y otros ésteres fosfatados, vapor de agua, aire, ácidos diluidos y alcalies.

7GE707 S 3018-7 Silicon -62°C a +232°C 70 Aire y Gases, aplicaciones estáticas únicamente.

2HK715 V 3022-75 Fluoroelasto-mero(Viton)

-29°C a +204°C 70 Aceites de muy alta temperatura, solventes aromáticos y servicio químico, petróleo.

3HK915 V 3027-9 Fluoroelasto-mero(Viton)

-29°C a +204°C 90 Aceites de muy alta temperatura, solventes, aromáticos y servicio químico, petróleo.

Tabla 3.12. Características y recomendaciones para arosellos.(15)

De esta tabla se ha seleccionado como material de constitución el Viton en dureza 90, que

experimentalmente ha dado buenos resultados en el sellado de partes a alta presión. La

experiencia indica que es recomendable realizar un cambio de arosellos en cada operación,

(que dura entre 12 a 18 horas, dependiendo de la longitud del tramo a analizar)esto es para

asegurar el sello de los elementos mecánicos. El número de arosello empleado se muestra

en la siguiente tabla y está especificado en el plano general de ensamble.

No. de referencia de la pieza (**)

No. de referencia del arosello (**)

Especificación (*) Cantidad

7 5 2-121 2 61 21 2-216 1 11 8 2-106 1 11 9 2-115 1 31 30 2-214 2 33 32 2-115 8 35 37 2-217 2 44 45 2-217 2 55 52 2-217 2 59 58 2-214 2

Tabla 3.13. Relación de arosellos empleados en la sonda de ultrasonido. (** ver plano general, * ver catalogo de Parker)



3.9. Especificaciones Generales.

Tipo de cable de alimentación: Monoconductor de 4.749 mm (3/16 pulg.)

Diámetro exterior: 42.84 mm (1.687”)

Longitud: 3.389 m (11 ft 1.45 pulg.)

Presión máxima de operación: 1034.21 bar (15 000 lb/pulg2)

Temperatura máxima de operación: 175° C

Peso aproximado: 32 kg (70.4 lb)

Compatible con cabeza MH-22

Diámetro mínimo de operación: 92.25 mm (3.75pulg.)

Esfuerzo máximo a tensión: 815.37 kg/cm2 (11583.63 lb/pulg2)

Características del sensor de ultrasonido:

Velocidad de rotación: 3 – 6 rpm

Voltaje de alimentación: En superficie 450 V En fondo 35 V Corriente de alimentación de la electrónica de fondo: 900 mA

CAPITULO 4

Análisis Dimensional

Como una parte del diseño de detalle, el análisis dimensional complementa la información necesaria para la fabricación. Los ajustes entre piezas, las dimensiones y tolerancias, así como los acabados de maquinado, se plasman en dibujos de ingeniería, los cuales se realizan bajo formatos normalizados.

CAPÍTULO 4, Análisis Dimensional


4. Análisis Dimensional.

Una de las etapas fundamentales en el desarrollo de proyectos consiste en dar forma y

magnitud a cada elemento idealizado, con el apoyo de dibujos y esquemas, que deberán

contener la información necesaria para llevarlo a la fase de fabricación.

En el capítulo anterior se realizaron estudios presentando alternativas de solución a los

requerimientos del cliente, sin embargo los análisis realizados no son suficientes aún para

dar forma al proyecto, se requiere complementar los estudios con información que describa

ampliamente el funcionamiento y dimensión de las partes. A continuación se presenta un

estudio detallado en cada elemento que comprende la información necesaria para la

fabricación de las partes, conteniendo el resultado de análisis de tolerancias y rugosidades,

que complementa la información desarrollada.

4.1. Tolerancias

La tolerancia se define como la variación total admisible del valor de una dimensión, y

puede estar dada por los siguientes tipos:

a.- Bilateral, cuando la dimensión de una pieza puede ser mayor o menor que la

dimensión dada.

b.- Unilateral, cuando la dimensión de una pieza puede ser sólo mayor, o sólo

menor, que la dimensión dada.

Las tolerancias unilaterales se adoptan generalmente en las dimensiones implicadas en un

ajuste, tal como el de un perno en un agujero.

4.2. Juego

Para dimensiones de ajuste, la tolerancia, que depende de los requisitos de servicio, se elige

con un cierto conocimiento de la variación natural de los procesos de fabricación por los

cuales se obtienen las dimensiones apareadas. En la fabricación de conjuntos

intercambiables la diferencia de dimensiones es tenida en cuenta por el juego, el cual, en

ajustes de rotación libre, es definido como la mínima diferencia especificada entre las



dimensiones del perno y del agujero. Cuando el diámetro del perno es mayor que el del

agujero, el juego es la diferencia que se llama también apriete o interferencia de metal.

4.3. Ajuste

Tomando como referencia la norma ISO (Organización Internacional de Normalización) en

la versión mexicana, publicada en 1973, con el número NOM-Z23/1973, se proporcionan

diferentes tipos de ajustes, que dependen de la posición de la tolerancia:

Ajuste con juego En este tipo de ajuste, se asegura siempre un juego ya

que la tolerancia del agujero esta por encima de la

tolerancia del árbol.

Ajuste incierto Es un ajuste que puede dar a veces juego, a veces

apriete ya que las tolerancias del árbol se traslapan con

las tolerancias del agujero.

Ajuste con apriete Se asegura siempre un apriete, puesto que la tolerancia

del agujero está enteramente por debajo de la zona de

tolerancia del árbol. Antes del ensamble, el árbol es

más grande que el agujero.

En el sistema ISO, la tolerancia para cada bloque de dimensiones, puede tener 28 distintas

posiciones, representada cada una por medio de letras, mayúsculas para agujeros y

minúsculas para árboles. En el caso de los agujeros, las primeras letras del alfabeto

representan la posición de la tolerancia siempre por encima de la dimensión nominal.

El agujero H representada la posición de la tolerancia con desviación inferior nula. Los

agujeros representados con las últimas letras, indican que su tolerancia está por debajo de la

dimensión nominal.

Existen dos tipos de sistemas para designar los ajustes, uno es denominado sistema de

agujero normal y otro sistema de árbol normal, el más utilizado es el primero que consiste

en tomar como base el agujero H logrando el ajuste con el árbol más indicado, obteniendo

ajuste con juego al combinar el agujero H con cualquiera de los árboles a, b,... hasta g.

De igual forma se logra un apriete al combinar H con n,p,r, ...hasta z. El agujero será exacto

cuando se combine H con h.



En la siguiente tabla se dan una serie de ajustes recomendados para uso en el diseño de

elementos mecánicos.

Agujeros y calidades de los árboles

AJUSTES PRINCIPALES

Árboles

H6 H7 H8 H9 H11c

9 11 JUEGO AMPLIO

Ensambles cuyo funcionamiento requiere juego amplio por dilataciones, mal alineamiento, cojinetes grandes, etc. d 9 11

e 7 8 9 JUEGO MEDIANO

Piezas que giran o deslizan con buena lubricación. f 6 6-7 7

JUEGO PEQUEÑO

Piezas con guía precisa y movimientos de pequeña amplitud.

g 5 6

AJUSTE EXACTO h 5 6 7 8 js 5 6 APRIETE

DEBIL Ensamble a mano k 5

m 6 APRIETE MEDIANO

El ensamble puede hacerse a mano, la unión no puede transmitir esfuerzos. Se puede montar y desmontar.

Ensam. a mano auxiliado c/mazo p 6 Ensam. a prensa s 7

u 7 x 7

APRIETE FUERTE

Imposible desmontar sin deterioro. La unión puede transmitir esfuerzos.

Ensam. a prensa o por dilatación

z 7 Tabla 4.1. Ajustes recomendados para uso mecánico.

La calidad esta definida como el grado de exactitud necesario y está representado por un

número que va desde 1 hasta 18.

Existen diversos factores que afectan la exactitud que puede esperarse de un proceso de

fabricación o particularmente de una máquina herramienta. El estado de desgaste de sus

órganos componentes, la habilidad del operario, las características de la herramienta de

corte y otras causas, determinan que los procesos de fabricación por maquinado, con

máquinas herramientas tales como tornos en sus diferentes tipos, fresadoras, cepillos,

rectificadoras, permitan obtener calidades de más de 5 (IT5).(16)

A continuación se proporciona una lista de la relación que guardan los diferentes procesos

de fabricación con las calidades IT, denominado como el intervalo de tolerancia, que tiene

como objetivo, el satisfacer las distintas necesidades de exactitud para cada intervalo de

dimensiones nominales, se han designado 18 valores distintos de tolerancia, llamados

Intervalos de Tolerancia Fundamentales, la tabla 4.3 muestra la relación de las

dimensiones en el sistema inglés de unidades.



MAQUINA CALIDAD

IT Torno paralelo clásico 7 Torno revólver 9-8 Torno semiautomático 8-7 Torno vertical 8-7 Torno automático con multihusillo 9-7 Fresadora vertical 7 Fresadora horizontal 7 Fresadora universal 7 Fresadora con control numérico 8 Cepillo de codo 8 Cepillo de mesa 8-7 Brochadora 7 Taladro de columna y/o radial con broca con escariador

11 7

Talladora c/fresa plana de módulo 7 Talladora c/fresa madre 7 Talladora c/hta. piñón 7 Rectificadora de engranes 6-5 Rasuradora de engranes 6-5 Rectificadora plana 6-4 Rectificadora de revolución 6-5 Rectificadora sin centros 6-5

Tabla 4.2. Relación de los Intervalos de tolerancia en función de los procesos de fabricación.(16)



Valores en micras (0.001 mm) Temperatura de referencia 20°C

Diámetro en mm

≤3

>3 a 6

>6 a 10

>10 a 18

>18 a 30

>30 a 50

>50 a 80

>80 a 120

>120 a

180

>180 a

250

>250 a

315

>315 a

400 H6 +6

0 +8 0

+9 0

+11 0

+13 0

+16 0

+19 0

+22 0

+25 0

+29 0

+32 0

+36 0

H7 +10 0

+12 0

+15 0

+18 0

+21 0

+25 0

+30 0

+35 0

+40 0

+46 0

+52 0

+57 0

H8 +14 0

+18 0

+22 0

+27 0

+33 0

+39 0

+46 0

+54 0

+63 0

+72 0

+81 0

+89 0

H9 +25 0

+30 0

+36 0

+43 0

+52 0

+62 0

+74 0

+87 0

+100 0

+115 0

+130 0

+140 0

AGUJER O H11 +60

0 +75 0

+90 0

+110 0

+130 0

+160 0

+190 0

+220 0

+250 0

+290 0

+320 0

+360 0

g5 -2 -6

-4 -9

-5 -11

-6 -14

-7 -16

-9 -20

-10 -23

-12 -27

-14 -32

-15 -35

-17 -40

-18 -43

h5 0 -4

0 -5

0 -6

0 -8

0 -9

0 -11

0 -13

0 -15

0 -18

0 -20

0 -23

0 -25

js5 +2 -2

+2.5 -2.5

+3 -3

+4 -4

+4.5 -4.5

+5.5 -5.5

+6.5 -6.5

+7.5 -7.5

+9 -9

+10 -10

+11.5 -11.5

+12.5 -12.5

k5 +4 0

+6 +1

+7 +1

+9 +1

+11 +2

+13 +2

+15 +2

+18 +3

+21 +3

+24 +4

+27 +4

+29 +4

f6 -6 -12

-10 -18

-13 -22

-16 -27

-20 -33

-25 -41

-30 -49

-36 -58

-43 -68

-50 -79

-56 -88

-62 -98

g6 -2 -8

-4 -12

-5 -14

-6 -17

-7 -20

-9 -25

-10 -29

-12 -34

-14 -39

-15 -44

-17 -49

-18 -54

h6 0 -6

0 -8

0 -9

0 -11

0 -13

0 -16

0 -19

0 -22

0 -25

0 -29

0 -32

0 -36

js6 +3 -3

+4 -4

+4.5 -4.5

+5.5 -5.5

+6.5 -6.5

+8 -8

+9.5 -9.5

+11 -11

+12.5 -12.5

+14.5 -14.5

+16 -16

+18 -18

m6 +8 +2

+12 +4

+15 +6

+18 +7

+21 +8

+25 +9

+30 +11

+35 +13

+40 +15

+46 +17

+52 +20

+57 +21

p6 +12 +6

+20 +12

+24 +15

+29 +18

+35 +22

+42 +26

+51 +32

+59 +37

+68 +43

+79 +50

+88 +56

+98 +62

e7 -14 -24

-20 -32

-25 -40

-32 -50

-40 -61

-50 -75

-60 -90

-72 -107

-85 -125

-100 -146

-110 -162

-125 -182

f7 -6 -16

-10 -22

-13 -28

-16 -34

-20 -41

-25 -50

-30 -60

-36 -71

-43 -83

-50 -96

-56 -108

-62 -119

h7 0 -10

0 -12

0 -15

0 -18

0 -21

0 -25

0 -30

0 -35

0 -40

0 -46

0 -52

0 -57

e8 -14 -28

-20 -38

-25 -47

-32 -59

-40 -73

-50 -89

-60 -106

-72 -126

-85 -148

-100 -172

-110 -191

-125 -214

f8 -6 -20

-10 -28

-13 -35

-16 -43

-20 -53

-25 -64

-30 -76

-36 -90

-43 -106

-50 -122

-56 -137

-62 -151

h8 0 -14

0 -18

0 -22

0 -27

0 -33

0 -39

0 -46

0 -54

0 -63

0 -72

0 -81

0 -89

d9 -20 -45

-30 -60

-40 -76

-50 -93

-65 -117

-80 -142

-100 -174

-120 -207

-145 -245

-170 -285

-190 -320

-210 -350

e9 -14 -39

-20 -50

-25 -61

-32 -75

-40 -92

-50 -112

-60 -134

-72 -159

-85 -185

-100 -215

-110 -240

-125 -265

d11 -20 -80

-30 -105

-40 -130

-50 -160

-65 -195

-80 -240

-100 -290

-120 -340

-145 -395

-170 -460

-190 -510

-210 -570

h11 0 -60

0 -75

0 -90

0 -110

0 -130

0 -160

0 -190

0 -220

0 -250

0 -290

0 -320

0 -360

árboles

js11 +30 -30

+37 -37

+45 -45

+55 -55

+65 -65

+80 -80

+95 -95

+110 -110

+125 -125

+145 -145

+160 -160

+180 -180

Tabla 4.3. Tolerancias principales en mm.(16)



( Multiplicar los valores por 1x10-4 pulgadas)

Diámetro en Pulgadas

≤0.118 >0.118 a 0.236

>0.236 a 0.393

>0.393 a 0.708

>0.708 a 1.181

>1.181 a 1.968

>1.968 a 3.149

>3.149 a 4.724

>4.724 a 7.086

>7.086 a 9.842

>9.842 a

12.401

>12.401 a

15.748 H6 +2.3

0 +3.1 0

+3.5 0

+4.3 0

+5.1 0

+6.2 0

+7.4 0

+8.6 0

+9.8 0

+11.4 0

+12.5 0

+14.1 0

H7 +3.9 0

+4.7 0

+5.9 0

+7 0

+8.2 0

+9.8 0

+11.8 0

+13.7 0

+15.7 0

+18.1 0

+20.4 0

+22.4 0

H8 +5.5 0

+7 0

+8.6 0

+10.6 0

+12.9 0

+15.3 0

+18.1 0

+21.2 0

+24.8 0

+28.3 0

+31.8 0

+35 0

H9 +9.8 0

+11.8 0

+14.1 0

+16.9 0

+20.4 0

+24.4 0

+29.1 0

+34.2 0

+39.3 0

+45.2 0

+51.1 0

+55.1 0

A G UJ E R O H11 +23.6

0 +29.5

0 +35.4

0 +43.3

0 +51.1

0 +62.9

0 +74.8

0 +86.6

0 +98.4

0 +114.1

0 +125.9

0 +141.7

0 g5 -0.7

-2.3 -1.5 -3.5

-1.9 -4.3

-2.3 -5.5

-2.7 -6.2

-3.5 -7.8

-3.9 -9

-4.7 -10.6

-5.5 -12.5

-5.9 -13.7

-6.6 -15.7

-7 -16.9

h5 0 -1.5

0 -1.9

0 -2.3

0 -3.1

0 -3.5

0 -4.3

0 -5.1

0 -5.9

0 -7

0 -7.8

0 -9

0 -9.8

js5 +0.7 -0.7

+0.9 -0.9

+1.1 -1.1

+1.5 -1.5

+1.7 -1.7

+2.1 -2.1

+2.5 -2.5

+2.9 -2.9

+3.5 -3.5

+3.9 -3.9

+4.5 -4.5

+4.9 -4.9

k5 +1.5 0

+2.3 +0.3

+2.7 +0.3

+3.5 +0.3

+4.3 +0.7

+5.1 +0.7

+5.9 +0.7

+7 +1.1

+8.2 +1.1

+9.4 +1.5

+10.6 +1.5

+11.4 +1.5

f6 -2.3 -4.7

-3.9 -7

-5.1 -8.6

-6.2 -10.6

-7.8 -12.9

-9.8 -16.1

-11.8 -19.2

-14.1 -22.8

-16.9 -26.7

-19.6 -31.1

-22 -34.6

-24.4 -38.5

g6 -0.7 -3.1

-1.5 -4.7

-1.9 -5.5

-2.3 -6.6

-2.7 -7.8

-3.5 -9.8

-3.9 -11.4

-4.7 -13.3

-5.5 -15.3

-5.9 -17.3

-6.6 -19.2

-7 -21.2

h6 0 -2.3

0 -3.1

0 -3.5

0 -4.3

0 -5.1

0 -6.2

0 -7.4

0 -8.6

0 -9.8

0 -11.4

0 -12.5

0 -14.1

js6 +1.1 -1.1

+1.5 -1.5

+1.7 -1.7

+2.1 -2.1

+2.5 -2.5

+3.1 -3.1

+3.7 -3.7

+4.3 -4.3

+4.9 -4.9

+5.7 -5.7

+6.2 -6.2

+7 -7

m6 +3.1 +0.7

+4.7 +1.5

+5.9 +2.3

+7 +2.7

+8.2 +3.1

+9.8 +3.5

+11.8 +4.3

+13.7 +5.1

+15.7 +5.9

+18.1 +6.6

+20.4 +7.8

+22.4 +8.2

p6 +4.7 +2.3

+7.8 +4.7

+9.4 +5.9

+11.4 +7

+13.7 +8.6

+16.5 +10.2

+20 +12.5

+23.2 +14.5

+26.7 +16.9

+31.1 +19.6

+34.6 +22

+38.5 +24.4

e7 -5.5 -9.4

-7.8 -12.5

-9.8 -15.7

-12.5 -19.6

-15.7 -24

-19.6 -29.5

-23.6 -35.4

-28.3 -42.1

-33.4 -49.2

-39.3 -57.4

-43.3 -63.7

-49.2 -71.6

f7 -2.3 -6.2

-3.9 -8.6

-5.1 -11

-6.2 -13.3

-7.8 -16.1

-9.8 -19.6

-11.8 -23.6

-14.1 -27.9

-16.9 -32.6

-19.6 -37.7

-22 -42.5

-24.4 -46.8

h7 0 -3.9

0 -4.7

0 -5.9

0 -7

0 -8.2

0 -9.8

0 -11.8

0 -13.7

0 -15.7

0 -18.1

0 -20.4

0 -22.4

e8 -5.5 -11

-7.8 -14.9

-9.8 -18.5

-12.5 -23.2

-15.7 -28.7

-19.6 -35

-23.6 -41.7

-28.3 -49.6

-33.4 -58.2

-39.3 -67.7

-43.3 -75.1

-49.2 -84.2

f8 -2.3 -7.8

-3.9 -11

-5.1 -13.7

-6.2 -16.9

-7.8 -20.8

-9.8 -25.1

-11.8 -29.9

-14.1 -35.4

-16.9 -41.7

-19.6 -48

-22 -53.9

-24.4 -59.4

h8 0 -5.5

0 -7

0 -8.6

0 -10.6

0 -12.9

0 -15.3

0 -18.1

0 -21.2

0 -24.8

0 -28.3

0 -31.8

0 -35

d9 -7.8 -17.7

-11.8 -23.6

-15.7 -29.9

-19.6 -36.6

-25.5 -46

-31.4 -55.9

-39.3 -68.5

-47.2 -81.4

-57 -96.4

-66.9 -112.2

-74.8 -125.9

-82.6 -137.7

e9 -5.5 -15.3

-7.8 -19.6

-9.8 -24

-12.5 -29.5

-15.7 -36.2

-19.6 -44

-23.6 -52.7

-28.3 -62.5

-33.4 -72.8

-39.3 -84.6

-43.3 -94.4

-49.2 -104.3

d11 -7.8 -31.4

-11.8 -41.3

-15.7 -51.1

-19.6 -62.9

-25.5 -76.7

-31.4 -94.4

-39.3 -114.1

-47.2 -133.8

-57 -155.5

-66.9 -181.1

-74.8 -200.7

-82.6 -224.4

h11 0 -23.6

0 -29.5

0 -35.4

0 -43.3

0 -51.1

0 -62.9

0 -74.8

0 -86.6

0 -98.4

0 -114.1

0 -125.9

0 -141.7

árbol es

js11 +11.8 -11.8

+14.5 -14.5

+17.7 -17.7

+21.6 -21.6

+25.5 -25.5

+31.4 -31.4

+37.4 -37.4

+43.3 -43.3

+49.2 -49.2

+57 -57

+62.9 -62.9

+70.8 -70.8

Tabla 4.4 Tolerancias principales en pulgadas. (16)



4.4. Tolerancias generales.

Para aquellas dimensiones en las cuales no se especifican intervalos de tolerancia, se

recomienda utilizar intervalos de tolerancia del tipo JS11 a JS13 para los casos en que las

dimensiones no sean funcionales, de tal forma que el intervalo de tolerancia dependerá de

la dimensión nominal, a continuación se muestra una tabla para las tolerancias generales:

Diámetros ( mm)

≤3

>3 a 6

>6 a

10

>10 a

18

>18 a

30

>30 a

50

>50 a

80

>80 a

120

>120 a

180

>180 a

250

>250 a

315

>315 a

400 JS11

Y Js 11

± 30

± 37

± 45

± 55

± 65

± 80

± 95

± 110

± 125

± 145

± 160

± 180

JS12 Y

Js12

± 50

± 60

± 75

± 90

± 105

± 125

± 150

± 175

± 200

± 230

± 260

± 285

JS13 Y

Js13

± 70

± 90

± 110

± 135

± 165

± 195

± 230

± 270

± 315

± 360

± 405

± 445

Tabla 4.5. Tolerancias generales en μm. (16)

Diámetros ( pulgadas)

≤0.118

>0.118a

0.236

>0.236 a

0.393

>0.393a

0.708

>0.708 a

1.181

>1.181 a

1.968

>1.968 a

3.149

>3.149 a

4.724

>4.724 a

7.086

>7.086 a

9.842

>9.842 a

12.400

>12.400 a

15.748 JS11

Y Js 11

±0.00118

±0.0014

±0.0017

±0.0021

±0.0025

±0.0031

±0.0037

±0.0043

±0.0049

±0.0057

±0.0062

±0.0070

JS12 Y

Js12

±0.00196

±0.0023

±0.0029

±0.0035

±0.0041

±0.0049

±0.0059

±0.0068

±0.0078

±0.0090

±0.0102

±0.0112

JS13 Y

Js13

±0.0027

±0.0035

±0.0043

±0.0053

±0.0064

±0.0076

±0.0090

±0.0106

±0.0124

±0.0141

±0.0159

±0.0175

Tabla 4.6. Tolerancias generales en pulgadas.(16)



4.5. Rugosidad.

Existe una relación necesaria entre la lisura o rugosidad de una superficie y los grados de

tolerancia que se puede adoptar, es imposible especificar tolerancias en milésimas de

pulgadas sobre superficie que tienen irregularidades de varias milésimas de pulgada. Como

es natural, cuanto más uniforme o liso es el acabado, el costo de fabricación incrementa el

valor de la pieza, sin embargo es necesario que el material en sí mismo debe estar casi

exento de imperfecciones para obtener superficies uniformes con buen acabado.

La rugosidad está constituida por irregularidades relativamente poco espaciadas sobre la

superficie del material. La ondulación está constituida por irregularidades o divergencias de

la superficie nominal que tiene mayor separación entre sí que la rugosidad. El sesgo o

sentido de la rugosidad, esta definida como la dirección del dibujo o aspecto predominante

de la superficie y usualmente está determinado por el método seleccionado para la

fabricación, como marcas o huellas de herramientas.

El símbolo representado en la siguiente figura, se emplea en los dibujos para designar la

rugosidad superficial deseada.

3 1 2 4

Figura 4.1. Elementos del signo del estado de superficie.(16)

De donde :

1 Valor numérico de la rugosidad permitida

2 Valor numérico de algún otro criterio del perfil de estado de superficie

3 Proceso de fabricación empleado para generar la superficie

4 Abreviatura que indica la función de la superficie

La siguiente tabla muestra la codificación de las diferentes funciones de las superficies:



F u n c i ó n

Superficie Referencia Designación Abreviatura01 Rozamiento por deslizamiento RD 02 Rozamiento por rodamiento RR 03 Resistencia al aplastamiento RA 04 Rozamiento lubricado RL

Con desplazamientos relativos

05 Hermeticidad dinámica HD 06 Hermeticidad estática HE 07 Ensamblado fijo EF 08 Ensamblado fijo sometido a esfuerzos EE

Con ensamblado fijo

09 Adherencia (pegado) AD 10 Depósito electrolítico DE 11 Verificación VE

Sin esfuerzos

12 Recubrimiento (pintura) RE 13 Resistencia a los esfuerzos alternos EA Con esfuerzos 14 Corte de viruta (filo) CV

Tabla 4.7. Codificación de las diferentes funciones de las superficies.(16)

A continuación se proporciona una breve descripción de las características y algunas

aplicaciones de distintas rugosidades expresadas en unidades Ra.

12.5 μm (500 μpulg): superficie muy rugosa, con maquinado burdo, resultado de cortes

muy profundos con avances muy rápidos en fresado, torneado, cepillado y barrenado;

acabado característico de piezas fundidas en arena y acero laminado en caliente.

Las superficies de este tipo pueden utilizarse en partes que no son críticas desde el punto de

vista de vibraciones, fatiga o concentraciones de esfuerzo.

6.3 μm (250 μpulg): superficie muy rugosa, con maquinado burdo, resultado de cortes muy

profundos, acabado que presenta marcas definidas de herramientas con alimentación rápida,

encontrado en piezas forjadas, rectificado muy basto, adecuado para superficies

mecanizadas exteriores en general, roscas cortadas con peine, etc.

1.6-3.2 μm (63-125 μpulg): mecanizado fino o de alta calidad; acabado liso de máquina

obtenido por pase de herramienta de corte ligero y buen filo, alimentación fina y alta

velocidad; es el acabado más basto a emplear para superficies de cojinetes de carga ligera y

baja velocidad; superficies para empaquetadura suave; piezas forjadas; piezas fundidas en



molde permanente; piezas fundidas para envolventes; roscas de tornillos cortadas con

terraja; superficies de referencia para tolerancias de más de 0.0254mm (0.001”), superficie

circunferencial exterior de engranes. Es adecuada para ajustes precisos o para partes

sometidas a esfuerzos.

0.8-1.6 μm (32-63 μpulg): mecanizado de acabado muy fino obtenido con herramienta de

carburo o de diamante; acabados de rectificado medio, escariado, brochado, bruñido; piezas

fundidas a presión, dientes de trinquetes, dientes de engranajes para servicio ordinario,

superficies de referencia para tolerancias menores de 0.0254mm (0.001”), roscas de

tornillos fresadas, piezas ajustadas a presión, chavetas y sus ranuras, cojinetes o

chumaceras ordinarios (más próximos a 0.8 μm), superficies deslizantes en contacto;

engranajes de tornillo sinfín.

0.4-0.8 μm (16-32 μpulg): se especifica cuando el acabado es de primordial importancia;

rectificado fino cilíndrico, escariado liso, bruñido o lapeado bastos; empleado en vástagos

de válvula de motor, émbolos o pistones, mandrilados cilíndricos, roscas de tornillos

rectificadas, dientes de engranajes para servicio pesado, cojinetes de precisión,

empaquetaduras para árboles, superficies estiradas en frío, tambores de freno y otras

superficies de fricción.

0.2-0.4 μm (8-16 μpulg): se emplea sólo cuando los acabados más bastos que este valor

resultan inadecuados; rectificado cilíndrico muy fino, microbruñido y lapeado, mandrilado

de cilindros para motores de combustión interna, asientos para pistas de cojinetes

antifricción, pernos de cigüeñal, asientos para válvulas, vástagos de válvulas, roscas

laminadas, superficies rodantes de precisión, caras de levas.

0.05-0.2 μm (2-8 μpulg): producido por bruñido, lapeado, superacabado, rectificado muy

fino y lustrado, generalmente es costoso; pernos de émbolo o pistón, cojinetes lubricados a

presión, herramientas de precisión.



0.025 μm (1 μpulg): calibradores , calibres, palpadores de tornillos micrométricos, espejos.

4.6. Dibujos de Detalle

Aplicando los conceptos anteriores así como los conceptos desarrollados en el capítulo dos,

se presentan algunos dibujos de las partes que componen la herramienta de ultrasonido

para inspección de tuberías. Se utiliza el sistema americano en la presentación de las vistas,

así como en las unidades de medición, a solicitud del cliente. Esta información se considera

como confidencial, por tal motivo no se presentan todos los dibujos de las partes; sin

embargo se presenta un plano general de ensamble del sistema diseñado.



4.7. Plano General de Ensamble



4.8. Descripción del Funcionamiento.

La mayoría de los registros en pozos se realiza tomando como base un plan de pruebas, que

consiste en una descripción detallada de las operaciones que se desarrollaran, incluyendo

las condiciones existentes en el pozo. El estado mecánico del pozo, resulta ser uno de los

aspectos más importantes a considerar, como se pudo analizar en el capítulo 1, éste se

refiere a la forma histórica en que fue colocada la tubería, describiendo las profundidades a

las que se encuentra cada cambio de diámetro. La presión, temperatura, calidad de

hidrocarburo, porcentaje de agua, existencia y tamaño de partículas en suspensión, son

algunos de los parámetros a considerar antes de tomar un registro.

Para la prueba de ésta herramienta es necesario tener las siguientes condiciones:

• Revisar el estado mecánico del pozo, detectando obstrucciones en la tubería de

producción.

• Determinar la presión y temperatura del pozo, teniendo un perfil de temperaturas a

diferentes profundidades.

• Identificar la calidad del crudo y su viscosidad.

• Definir si la prueba es llevada a cabo a pozo abierto o cerrado.

• Correr previamente un calibrador de diámetro a 92.25 mm (3.750”) mínimo, en la

tubería de producción.

• Definir el peso y longitud de la herramienta, así como proporcionar un dibujo

esquemático de sus componentes.

Una vez verificada esta información, se realizan las pruebas de funcionalidad de la

herramienta, para lo cual se conecta el cable de registros al conector denominado

“conector de cabeza MH-22”, donde existen aditamentos que amarran los torones del cable

de acero al conector, esta actividad es conocida como “elaboración de cebolla”, una vez

que los torones son fijados, se coloca un conector eléctrico a la punta del conductor central

del cable de acero, éste se fija a otro conector denominado “conector para cabeza” (ver

plano general, pieza No. 59), después del ensamble, las conexiones eléctricas se aíslan

perfectamente, cabe señalar que el otro extremo del cable se encuentra fijo a un colector



colocado sobre el tambor del malacate, en donde se enrolla el cable; este colector une el

cable con el sistema de adquisición de datos ubicado en el interior de la cabina del camión

de registros, como el que se muestra en la figura 2.6. hasta aquí se tiene conectado el

equipo de fondo con el equipo de superficie, el cable monoconductor se encargará de

comunicar ambos bloques.

Como se especificó en la descripción de las características técnicas, la herramienta se

alimenta desde superficie con un voltaje de 450V y 900 mA, suministrados por una fuente

de voltaje, desde el interior de la cabina de la unidad; por las características del cable la

pérdida de voltaje en la alimentación de la herramienta es de 415 V, debido a la impedancia

del cable por su longitud y variación de la temperatura, éste parámetro depende mucho del

tipo de cable.

Es necesario realizar como una norma, el chequeo de las condiciones eléctricas de cada

parte, esto es verificar continuidad eléctrica en los conectores que sirven para unir las

partes, también se debe de revisar el estado de los arosellos, verificando que sean de la

medida y sean de vitón 90, material resistente a alta temperatura; además de estar

lubricados con grasa de silicón. Las uniones roscadas se protegen con una grasa

antiaferrante.

Después de realizar estas revisiones se procede a colocar la herramienta en posición para

introducirla al pozo, previamente preparado para realizar la operación.

El inicio de operación de la prueba está en manos de los ingenieros a cargo, quienes

definirán el momento en que iniciará. Como se ha remarcado en capítulos anteriores, la

herramienta está controlada por un software instalado en una computadora, que se

encargará de mantener comunicación con la herramienta de fondo, recibiendo y enviando

información.

La operación inicia cuando se define el punto de origen, detectado por un sistema integrado

en la herramienta, piezas 20,22,23,27,28, (ver plano de general), ésta partes forman un

sensor de posición basado en el principio del ”Efecto Hall”, un magneto está montado

sobre una flecha que mueve el bloque de los sensores de ultrasonido, en el inicio de la

rotación, el magneto gira detectándose el campo magnético por un “chip”, el cual registra

solo la existencia de magnetismo, convirtiendo ésta en pulso eléctrico que es procesado por



una tarjeta electrónica, cada vez que el magneto pasa por este elemento se registra un pulso,

esta información será tomada de referencia para definir el recorrido angular de los sensores.

Una operación necesaria antes de poner a funcionar la herramienta, es medir la densidad de

los fluidos del pozo, operación que se realiza en la punta de la herramienta, integrada por

las piezas 1,2,3,4 y el sensor de ultrasonido montado en la pieza 4, el sensor genera ondas

de ultrasonido que pasan a través de los fluidos del pozo, en una distancia de

aproximadamente 25 mm, distancia que puede ser ajustada, las ondas chocan con un

receptor, pieza 1, denominado calibrador de señal, en el choque las ondas son regresadas

hacia el sensor de ultrasonido que registra el eco, se verifica la intensidad de la emisión de

la onda, la intensidad del eco y el tiempo, definiendo así la velocidad de propagación de la

onda en los fluidos del pozo, dato de interés para configurar los sensores que inspeccionan

el diámetro interior de la tubería.

Los sensores de ultrasonido están integrados por un cristal piezo eléctrico encapsulado en

una resina, el cristal convierte la energía eléctrica en energía mecánica, en este caso se

excita el cristal con una diferencia de potencial generando la onda ultrasónica, cuando ésta

choca con una pared se produce un eco que se recibe nuevamente por el sensor generando

una diferencia de potencial, de esta forma los impulsos de excitación y rebote son

registrados por la electrónica de fondo y utilizados por el programa de cómputo que

generará una imagen a partir de esta información.

Después de haber definido la densidad del fluido, se procede a bajar la herramienta con

una velocidad de giro que puede ser de 3 a 6 rps, cabe señalar que es necesario mantener en

el centro de la tubería toda la herramienta, para lo cual se colocaron dos centradores

mecánicos, uno instalado cerca del módulo de sensores y otro cerca del conector para

cabeza MH-22. Los centradores funcionan mecánicamente y están integrados por un

resorte centrado sobre una guía de acero y unidos a un buje en el cual se encuentran 3 tiras

de fleje, en una primera posición el resorte se encuentra en reposo y los flejes se encuentran

abiertos formando un diámetro imaginario de hasta 254 mm (10 pulg), cuando la

herramienta se introduce a la tubería de producción los flejes se ajustan al diámetro,

trabajando el resorte a tensión, la fuerza de tensión del resorte es transmitida como una

fuerza normal entre las paredes del tubo y la cara del fleje, de tal forma que permite

deslizarse la herramienta sobre el interior del tubo, manteniéndola centrada.



Por el interior de los centradores se coloca un conductor eléctrico que llega hasta el módulo

de electrónica y hasta el módulo de motores.

Como se puede ver en el plano general de ensamble y como se ha mencionado

anteriormente, existe un módulo de sensores movido por un motor, el cual forma parte de

un módulo denominado de motores, que se encuentra relativamente fijo al resto de la

herramienta, y unido a los centradores, mientras que el módulo de sensores rota movido por

la acción del motor y reductor, piezas 25 y 26, a través de una flecha , pieza 16, que

transmite el movimiento. En esta parte interaccionan una serie de elementos muy

importantes, en primer lugar la flecha junto con los sellos permiten controlar la presión,

evitando que ingrese al interior de la herramienta y el hidrocarburo o fluido de pozo dañe

los componentes eléctricos, que deben mantenerse libres de contaminación. La flecha tiene

una superficie cromada que aumenta la resistencia al desgaste por rozamiento y disminuye

el coeficiente de fricción entre el sello, permitiendo estabilizar el torque del motor. La junta

entre la parte que gira y la parte fija esta integrada por un anillo de carbón, pieza 15, que es

empujado sobre una de las caras del módulo de sensores, como se aprecia en el plano

general de ensamble, el resorte tiene la finalidad de mantener en contacto el anillo, el

espesor del anillo se va desgastando por trabajo de fricción entre las partes, y deberá

cambiarse cuando sea necesario, la fuerza normal que permite el sello entre las dos partes,

se mantiene por el empuje del resorte.

La comunicación eléctrica entre la parte que gira y la que se mantiene fija, se realiza a

través de un dispositivo diseñado e identificado como “slip ring”, parte 19, este elemento

esta integrado por una serie de anillos de plata montados en una flecha con rodamientos, el

contacto se realiza con escobillas de plata con grafito, que se encuentran fijas sobre una

placa pequeña y ensambladas con tornillos sobre la carcaza del “silp ring”, los anillos se

encuentran soldados a cables de alimentación de los sensores y las escobillas están unidas a

cables que van hacia el módulo de electrónica, es obvio que cuando los anillos giren por

acción del motor moviendo al módulo de sensores, las escobillas mantendrán el contacto

eléctrico y la comunicación entre ambas partes. El “slip-ring” , puede soportar una

corriente de hasta 5 Amp.

La velocidad del módulo de sensores puede ser variada por el motor que funciona con un

voltaje de 16 a 24 V.



De esta forma se hace funcionar la herramienta, la información emitida y recibida por los

sensores en el recorrido en el interior de la tubería, es procesada y controlada por la

electrónica de fondo, que se encarga de enviarla a superficie a un adquisitor de datos donde

simultáneamente se va generando el contorno del diámetro interior de la tubería, pudiendo

verificar las variaciones por diferencias entre una y otra señal. Estos datos servirán para

generar la imagen del estado interno de la tubería con una resolución de 0.5 mm,

enviándose 115 pulsos por revolución a una velocidad de bajada de 68.58 m por hora.

Se inspecciona un kilómetro en un promedio de 14.58 hr, en caso de requerir mas rapidez la

resolución de la información disminuye.

CAPITULO 5

PARTES MECÁNICAS

Una vez desarrollado el diseño de detalle, es conveniente pasar a la fase de fabricación de un prototipo, en donde se analizan de forma real, aquellos aspectos que no fueron visualizados en el diseño de escritorio. Éste ofrece la oportunidad de detectar problemas en el funcionamiento, permitiendo realizar optimizaciones que den origen al aseguramiento de la calidad y posteriormente dar inicio a la producción en línea. A continuación se presenta una serie de piezas que fueron fabricadas para integrar el primer prototipo de la sonda de ultrasonido.

CAPITULO 5, Partes Mecánicas


5.- Partes mecánicas

Tomando como base los análisis realizados expresados en capítulos anteriores, así como

elaboración de pruebas, se fabricó un prototipo de la sonda de ultrasonido, utilizando para

ello diversos materiales cuya selección fue definida después de realizar investigaciones

sobre distintos materiales y sus especificaciones técnicas; sin embargo, cabe mencionar que

hoy en día existe una infinidad de calidades de aceros y aleaciones que pueden ser

empleados bajo éste y otros requerimientos de trabajo, jugando un papel importante el costo

y la disponibilidad en el mercado. Si bien la mayoría de piezas fueron especificadas de

aleación de titanio en algunos casos puede ser sustituido por materiales como el acero

17-4ph o monel, materiales muy empleados en la fabricación de partes para herramientas

que operan en pozos petroleros.

A continuación se presentan algunos detalles de piezas diseñadas y elaboradas bajo las

condiciones y análisis presentadas en los capítulos 2, 3 y 4:

Figura 5.1. Componentes del módulo de sensores Figura 5.2. Ensamble de las piezas y modulo de motor. interiores.

La figura 5.1 y 5.2, muestran las partes que integran los módulos de sensores y motor, se

pueden observar un par de sensores de ultrasonido embutidos en una cabeza rotatoria, que

se acopla a un conector donde se sujetará con la flecha de transmisión.



Figura 5.3. Modulo de sensores y porta baleros. Figura 5.4. Motorreductor y disipador de calor.

La figura 5.3, muestra el modulo de sensores en la posición como se acopla al portabaleros

donde se fija la flecha de transmisión; mientras que la figura 5.4, presenta el motorreductor

utilizado.

Dentro del modulo de motores se encuentra el conjunto de dispositivos para mantener en

contacto eléctrico los dos módulos. La figura 5.5, muestra el dispositivo que consiste en un

slip-ring acoplado directamente al motorreductor.

En esta figura, se observa a detalle

la construcción del slip-ring y su

acoplamiento a la flecha de

transmisión. Los cables que salen

del slip son pasados por un

pequeño orificio a través de la

flecha para alimentar a los sensores

de ultrasonido.

En el otro extremo se aprecia el

ensamble con el sensor de posición que consiste en un pequeño imán cuyo campo

magnético es detectado por un sensor; el imán esta montado sobre la flecha de transmisión

y el sensor se encuentra fijo, la figura 5.6, muestra el arreglo a detalle.

Figura 5.5. Arreglo del slip-ring conectado a la flecha de transmisión.



Figura 5.6. Detalles del sensor de posición. Como se puede apreciar en la figura 5.7, existen una serie de piezas con las que se acopla el

modulo de sensores, como se ha mencionado, una de ellas es la flecha de transmisión, ésta

es acoplada a través de otras piezas mostradas en la figura 5.6, consistentes en un par

Figura 5.7. Flecha de transmisión y piezas porta baleros.

de piezas portabaleros donde se montan los rodamientos, la pieza del lado derecho se

acopla directamente con el modulo de sensores fijando la flecha con una tuerca, mostrada

en material de bronce. En la parte intermedia de estas piezas se acopla un sistema de

sellado con ajuste al desgaste, integrado por un cilindro flexible de viton vulcanizado sobre

un anillo de carbón grafitado, mostrado en la figura 5.8, la regulación del contacto entre

estas partes cuando el sistema está integrado totalmente, se efectúa con un resorte a

compresión, como se puede observar.



Figura 5.8. Partes del sello con anillo de carbón grafitado.

Figura 5.9. Sistema completo del sello y rodamientos. La figura 5.9, muestra las partes que componen el sistema de sellos, se puede apreciar el

pequeño sello mecánico, fabricado de viton, utilizado para contener la presión del medio

exterior sobre la flecha, así como el conjunto de rodamientos normal y axial.

Figura 5.10. Conectores del centrador , conector para módulo de motor, conector con cabeza, etc.



Las figuras 5.10 y 5.11, muestran algunos conectores diseñados para unir las partes

principales. Se pueden apreciar conectores que se ensamblan con el centrador, el conector

que se ensambla con el modulo de motores. En uno de estos conectores se colocó un buje

con cuerda exterior que funciona como una tuerca loca, su diseño no fue sencillo ya que se

partió de la necesidad de ensamblar dos partes de las que se desprendían cables eléctricos,

para lo cual se pensó en adaptar algún conector especial que girará al mismo tiempo en el

movimiento de apriete de ambas partes, esto no fue fácil. El primer problema que se

presentó fue como posicionar las dos partes del conector eléctrico, ya que el que se localizó

está formado por dos partes, una hembra y un macho. En seguida se pensó como fijarlo

para que fuera removible, estos problemas y otros nos llevaron a diseñar un arreglo en el

cual las dos partes que se deberán ensamblar no giran, sino que la tuerca loca permite

realizar la unión simplemente girando esta parte que se mueve con libertad, logrando

acomodar los cables eléctricos en ambas secciones sin peligro a que se arranquen o

degollen, la tuerca loca esta dividida en dos y unida por dos tornillos de cabeza allen

fabricados de acero inoxidable.

Figura 5.11. Conector con tuerca loca y otros.

Cabe señalar que aún tomando en cuenta los análisis realizados en el capítulo 2, en la

sección de generación de conceptos de diseño, y realizando las consideraciones necesarias

se fabricaron las partes diseñadas considerando los elementos en calidad de prototipo, las

piezas que se muestran han sido resultado de evoluciones en el diseño, algunas veces de

conceptos y en otros casos de funcionalidad.



Las siguientes figura 5.12, presenta detalles del conector empleado para unir el centrador

con el modulo de electrónica, se aprecian las ranuras para colocar los sellos para alta

presión, elementos importantes dentro del diseño, puesto que debe de ser diseñada con las

dimensiones y ajustes mecánicos adecuados para asegurar el aislamiento total del fluido

que se encuentra en el exterior del cuerpo de la herramienta. El arosello seleccionado

deberá de resistir la temperatura y ataque de ácidos corrosivos que pueden degradar el

material del sello y el metal del conector. La figura 5.13, muestra el conector utilizado para

unir el centrador superior y la cabeza MH-22, se observa un conector eléctrico acoplado

con el cual se comunica la herramienta de fondo con el cable electromecánico que está

conectado a la unidad de registros (camión). Este conector eléctrico es la parte final de la

herramienta y como puede observarse, la información generada y la alimentación de la

herramienta se transmite por un solo conector, cumpliendo de esta forma con uno de los

requisitos del cliente, establecidos en el capítulo 2.

Figura 5.12. Conector para centrador. Figura 5.13. Detalle del conector para cabeza MH-22 y centrador.

El modulo de electrónica esta compuesta de una serie de tarjetas electrónicas que procesan

la información y controlan el motor del módulo de sensores y los sensores de ultrasonido,

en fase de prototipo, los componentes electrónicos empleados resisten alta temperatura,

mayor a 150 C. El montaje diseñado para el soporte de las tarjetas fue diseñado

especialmente para cada sección, considerando los elementos electrónicos empleados.



La figuras 5.13 y 5.14, muestran de forma general el arreglo de las tablillas electrónicas y la

camisa que la protege, la longitud aproximada es de las de 7 ft (2.13 m) fabricada de

aleación de titanio.

Figura 7.14. Vista aérea de las tarjetas électrónicas de control de la herramienta y camisa de protección. Figura 7.15. Vista lateral de la electrónica.

CAPÍTULO 6

Descripción General de los Sistemas

Electrónicos Es importante notar la importancia que tienen los resultados cuando diversas disciplinas se unen para desarrollar un mismo objetivo. A continuación se muestra de forma general las aportaciones del área de electrónica para el desarrollo complementario en la operación del sensor y los sistemas mecánicos de la herramienta.

CAPÍTULO 6, Descripción General de los Sistemas Electrónicos


6.1. Integración electrónica

En el módulo de electrónica, mencionado en el capítulo 1, se encuentran los dispositivos y

arreglos electrónicos para controlar los sensores y la información que se genera y está

formada por 6 secciones:

a.- Regulador de protección

b.- Reguladores positivos +25, +12 y +5 V

c.- Regulador con tierra flotante +12, -12 y +5 V

d.- Electrónica digital

e.- Recepción

f.- Excitación

g.- Alimentación del motor

Regulador de protección

Proporciona protección de sobre-voltaje en la alimentación para evitar que los reguladores

de +25 y +12 V sufran daños por el incremento de la diferencia de potencial entre la

entrada y salida. Esta diferencia no debe ser demasiado grande para evitar una disipación

excesiva de potencia (el voltaje de entrada a los reguladores no debe ser mayor a 38 V).

Reguladores positivos +25, +12 y +5 V

Genera los voltajes que alimentan a la electrónica de excitación, digital y a los reguladores

de tierra flotante, proporcionan el voltaje a diversos circuitos de forma escalonada, como se

muestra en la figura 6.1.

Regulador de +25 V

Entrada

+ 25 Volts

Regulador de +12 V

+ 12 Volts

Regulador de +5 V

+ 5 Volts Figura 6.1. Distribución de Voltajes.



Reguladores con tierra flotante +12, -12 y +5 V

Se generan los voltajes de +12, -12 y +5 V, para alimentar la electrónica analógica y

además genera el voltaje de +5 V con tierra flotante para suministro de energía de la

electrónica analógica y digital que se acopla con el sistema de adquisición de datos de la

herramienta. Es importante observar que el empleo de amplificadores operacionales hace

necesario la utilización de un voltaje negativo, razón por la cual se utiliza una tierra flotante

para derivar el voltaje de –12 V.

+ 5 V +25 V + 5 V

+ 12 V

- 12 VTierra flotante

+12 V

Tierra (gnd)

- 12 V Figura 6.2. Regulador de tierra flotante

Electrónica digital

Esta tarjeta se encarga de realizar el control, adquisición, mediación y comunicación de la

herramienta con la superficie. Cuenta con un sistema digital basado en el microcontrolador

para alta temperatura C8-P31. Este circuito envía una señal a la electrónica de recepción

para abrir una ventana a través de un “flip-flop” enviando al multivibrador a estado alto en

su salida. Esta señal corresponde a la señal de excitación del transductor, dicha ventana se

cierra en el momento en que la electrónica de recepción capta un eco cuya duración del

tiempo depende de la distancia de la tubería al transductor y de la velocidad de propagación

del ultrasonido. Esta ventana tiene una duración igual al tiempo de transición de eco

enviado. El microcontrolador permite medir el tiempo de tránsito de la señal enviada y

transmite la información hacia la superficie a través de un puerto serial RS-232.

Recepción

Esta tarjeta recibe la señal del transductor la amplifica y acondiciona para proporcionar al



microcontrolador una ventana de tiempo cuya duración es equivalente al tiempo de

transición del ultrasonido.

Impulso Eco Eco t

t Acondicionamiento

t Ventana de tiempo Figura 6.3. Procesamiento de la señal en la electrónica de recepción

Excitación

Amplifica el pulso de excitación enviado por la electrónica digital a +100 Vp-p (Volt pico a

pico) para alimentar al transductor y generar una onda sónica.

t

Figura 6.4. Pulso de excitación +100 Vp-p

El diseño de esta herramienta se ha efectuado a partir de dos transductores ultrasónicos, los

cuales utilizan como medio de propagación aceite. La excitación de cada transductor se

realiza en forma independiente.

En el transductor que está muestreando la tubería es excitado cada 3 ms obteniendo una

exploración de 333 puntos en 1 s, o bien 111 muestras por segundo, mientras que el

segundo transductor destinado para medir la velocidad del medio se excita cada 0.333 ms

(cada vuelta de muestreo). El circuito de excitación se diseñó para enviar un pulso cuya

duración es de 5μs y una amplitud de +100 V, para ello se realizaron dos transformadores:



Sensor de 21 μH =P y 13μHys = S C= 5.78 nF

Velocímetro de 21 μHys =P y 13μHys = S C= 1.211 nF

Los voltajes de excitación utilizados son de +12 V, +5V y 25 V

Alimentación del motor

Regula el voltaje que alimenta al motor de la herramienta para proporcionar la velocidad de

rotación del módulo de transductores. Entrada

Regulador de voltaje define la velocidad angular de los

transductores

Figura 6.5. Alimentación del motor.

Para la operación de la herramienta se recomienda el uso de heptacable para la alimentación

y adquisición de la información en superficie. Esto se debe a que con el uso de monocable

se presenta la dificultad de rescatar la información en superficie, debido a que el motor

consume una corriente de 600 mA, la cual se ve incrementada en ciertos ángulos de giro del

motor por presentarse un esfuerzo adicional.

Estas variaciones de corriente se reflejan en el voltaje de alimentación de una amplitud

considerable, lo que hace difícil la recuperación de la información. La herramienta cuenta

con dos transductores en operación. Uno de ellos con una frecuencia de 2 MHz, se utiliza

para medir la velocidad del medio de operación de la herramienta. El segundo transductor

de una frecuencia de 500 kHz, permite el muestreo de la tubería del pozo, las muestras son

cada 3 milisegundos, de manera que en cada vuelta o giro de 360° se obtienen 111 puntos

de la tubería, esto equivale a tener una resolución radial de 360° /111 =3.24°.

Si la velocidad de desplazamiento de la herramienta es de 121 m/h (400 pies/h), las

resolución vertical será de 11.176 mm/muestra (0.44 pulg./muestra). Si el desplazamiento



es de 274.32 m/h (900 pies/h), la resolución vertical será de 25.5 mm/muestra

(1 pulg./muestra). Se tiene una resolución de medición de 0.497 mm (0.0196”) en forma

estática. El ángulo de inclinación máximo de la herramienta es de 5°, por lo tanto, si una

anomalía tiene un ángulo de inclinación con respecto a la superficie del transductor mayor a

esta medida, no es posible medirla por lo que se recomienda que la herramienta permanezca

lo más centrada posible, para obtener una buena inspección de la tubería.

La distancia mínima que debe existir entre la herramienta y la tubería es de 31.75 mm

(1.250 pulg.)

En lo referente a la adquisición en superficie se cuenta con un programa de prueba que

permite la adquisición y procesamiento de la información enviada por la herramienta.

CAPÍTULO 7

Pruebas y Resultados

Una etapa importante dentro del diseño de productos después de haber fabricado un prototipo, es la realización de diversos tipos de pruebas, incluyendo aquellas de resistencia de materiales, en donde se ponen a prueba los factores de seguridad con los cuales de diseñó el producto. Sin embargo algunas veces esto no es posible dada la inversión que debe de realizarse cuando el producto no es de uso común y su operación depende de factores que no se encuentran al alcance del diseñador y su equipo de trabajo. En seguida, se muestran algunos resultados de las pruebas a las cuales fue sometido el prototipo de la sonda de ultrasonido.

CAPÍTULO 7, Pruebas y Resultados

7.1. Pruebas de laboratorio

Se fabricaron diversos elementos para probar la herramienta, principalmente el módulo de

sensores. Una de las pruebas consistió en verificar la resistencia de los materiales y el

diseño de los elementos a la presión, para lo cual se introdujo cada una de las partes dentro

de un pozo de pruebas inyectando presión con una bomba manual, esto se realizó por etapas

incrementando cada etapa en 34.47 bar (500 lb/pulg2), hasta un máximo de 482.58 bar

(7000 lb/pulg 2). La figura 7.1, muestra una de las pruebas realizadas a presión, se puede

observar la bomba hidráulica manual conectada al pozo de pruebas.


Figura 7.1. Pruebas con presión. Figura 7.2. Simulador de pozo.

El simulador de pozo está formado por 3 tubos de barra hueca, roscados y soldados, el

material es de acero al carbón y sus dimensiones son 63.5 mm (2.5”) de diámetro exterior

por 152.4 mm (6”) de diámetro exterior con una altura de aproximadamente 2.43 m

(8 pies); en la boca del tubo se acopló una tapa con rosca acme con un sello de vitón 90,

con la cual se cierra el simulador para inyectar la presión y sellar el tubo. La figura 7.4,

muestra la tapa colocada.

Figura 7.3. Tapa del simulador de pozo.

Figura 7.4. Simulador de pozo sellado.


7.2. Pruebas con el módulo de sensores

Como se describió anteriormente el módulo de sensores está integrado por un juego de 3

sensores de ultrasonido, dos de los cuales son utilizados para monitorear las condiciones de

la tubería del pozo, uno de ellos para larga distancia y otro para corta distancia, sin embargo

debido a los alcances del proyecto, se definió utilizar sólo el sensor para inspección a corta

distancia; el tercer sensor está colocado en la punta de la herramienta donde es utilizado

para caracterizar las condiciones del fluido, es decir a través de la emisión y recepción del

sonido se mide la velocidad a la cual la señal viaja, dependiendo de la densidad del fluido y

la existencia de partículas suspendidas.

El módulo de sensores se sometió a prueba en laboratorio en condiciones no críticas, la

figura 7.5, muestra el dispositivo inmerso en un recipiente de acrílico lleno de agua, el

sistema se puso a funcionar con la finalidad de analizar su movimiento dentro de un fluido,

en este caso la transparencia del líquido permitió determinar la necesidad de realizar ajustes

en los ensambles para mantener el balanceo de las partes en movimiento. El dispositivo se

conectó al control electrónico a través de largos cables que permitieron controlar a distancia

el movimiento y funcionamiento de los sensores. Solo se probó este módulo acoplado al

motor, todos los elementos fueron alimentados con +12 Volt, pudiendo variar este voltaje

para observar el comportamiento del motor y caracterizar la demanda de corriente a

diferentes velocidades.

Figura 7.5. Prueba del funcionamiento de los sensores inmersos en agua.



En la fase de pruebas finales todo el sistema se controla por una computadora, que como se

mencionó en un capítulo anterior, se encontrará formando parte del equipo de superficie, el

cual enviará y recibirá la información para ser procesada e interpretada .

7.3. Mediciones sobre un tramo de tubo

Para la interpretación de los datos fue necesario elaborar un programa de cómputo en

lenguaje C++, para convertir los pulsos de ultrasonido en gráficos. Este programa fue

desarrollado por un especialista quien lo realizó para operar la herramienta mecánicamente

y generar imágenes a partir de la información recibida, además de probarlo conjuntamente

con el funcionamiento del módulo de sensores utilizando un tramo de tubo como lo indica

la figura 7.6.


Figura 7.6. Dibujo del tubo examinado en pruebas

En el tubo se colocó una tapa en el extremo inferior, con el objeto de formar un recipiente,

se llenó de petróleo crudo del tipo ligero, hasta cierto nivel, antes de esta etapa se colocaron

algunos cuerpos de materiales de forma longitudinal sobre la superficie interior del tubo,

posteriormente se introdujo el módulo de sensores posicionándolo con soportes y conectado

a una computadora para su control, dentro del recipiente, se alimentó con un voltaje de +12

V (como máximo +18 V) a la electrónica del motor y a la electrónica de los sensores. El

sistema funcionó a una velocidad de 3 rps en posición vertical realizando un recorrido

ascendente de 0.10 m/min, la información generada en este proceso fue capturada y

procesada por la computadora a través del programa de cómputo para generación de

gráficos, generando las siguientes figuras:

762 mm (30”)

304.8 mm (12”)

330.2 mm (13”)


Figura 7.7. Generación de la vista frontal de una tubería, la diversidad de tonos indican variaciones sobre la superficie del diámetro interior de la tubería. La franja en rojo y verde indican la presencia de un cuerpo adherido a lo largo del tramo de tubo.

Figura 7.8. Malla generada de la vista interior del tubo. La discontinuidad del aspecto geométrico de la malla, donota la existencia de un cuerpo adherido sobre la superficie interior del tramo de tubo.



Figura 7.9. Proyección isométrica del tubo analizado. Figura 7.10. Generación de la malla que describe el contorno del tubo.



Figura 7.11. Proyección de un tramo de tubo simulado por un programa de computo. Las figuras 7.7 y 7.9, muestran los detalles de las superficies examinadas, la variación de

los colores indica deformaciones sobre la superficie, pudiendo detectar de forma gráfica

defectos sobre la redondez del tubo, incrustaciones o material adherido, deformaciones en

la tubería, grietas producidas por corrosión o esfuerzos de la tubería. En este caso la figura

7.9, muestra una deformación sobre el diámetro interno de la tubería, pudiéndose detectar

por la variación de los colores rojo, que muestra un cuerpo adherido a la pared, el azul y

verde cuyas tonalidades indican alguna deformación diametral. La figura 7.10, es una

simulación de un tramo de tubería, demostrando que es posible registrar los datos de forma

gráfica y posteriormente analizarse detalladamente a través de secciones de tuberías así

como de un registro almacenado en la memoria de la computadora que proporciona datos

sobre la variación del diámetro de la tubería en función de la profundidad.

7.4. Interpretación de resultados

Las figuras presentadas en la sección anterior muestran algunos resultados de pruebas

efectuadas en el laboratorio. Como se puede analizar, la información puede presentarse en

gráficos de escala de colores o de maya en blanco y negro; en este caso la interpretación de




los resultados obtenidos, fue relativamente una sencilla actividad, debido a que los tramos

de tubería empleados fueron cortos, además de que se conocían los cuerpos adheridos a las

paredes y las deformaciones del tubo. La interpretación de los gráficos se complica cuando

se registran diversos tipos de daños como son grietas y deformaciones, y estos se

encuentran dispersos sobre grandes longitudes barridas por la herramienta, para lo cual es

necesario realizar una revisión tramo por tramo, en especial aquellos tramos en los cuales

se pronosticó algún problema.

Como complemento de ésta información se desarrolló un programa de monitoreo

simultaneo, que no se reporta en este trabajo por estar fuera de los objetivos, éste registra

las lecturas de variación de los diámetros interiores de la tubería cuando son barridos por

los pulsos de ultrasonido. El programa trabaja al mismo tiempo que la herramienta viaja por

el interior de la tubería de producción, pudiendo observar de manera gráfica los promedios

de las lecturas del diámetro barrido.

De las figuras 7.7. y 7.8., se puede analizar la capacidad de resolución del sistema; en

donde se alcanza a distinguir un cuerpo adherido en la pared interna de la tubería colocado

longitudinalmente; éste resultó ser una segueta para arco, (empleada para corte de metales)

que tiene un espesor aproximado de 0.8 mm. Las figuras muestran la magnitud de la

resolución, pudiendo medir alteraciones de hasta 0.5 mm sobre el interior de la tubería.

En estas gráficas , podemos analizar la importancia que tienen lo sensores de “efecto hall”,

que fueron colocados en la herramienta para identificar el punto de partida de la inspección

de la tubería, así como los sistemas de referencia para estimar la profundidad que se recorre

en la inspección de la tubería.

7.5. Costos de producción y desarrollo del producto

En proyectos de generación de nuevos productos, la estimación de costos es una operación

compleja, ya que en éste deben de considerarse todas las actividades involucradas en el

desarrollo del producto, desde actividades de investigación de mercado, planeación, diseño,

fabricación, prueba y puesta en el mercado. Ramos W,(7) plantea que existen dos costos

importantes involucrados en la obtención de beneficio o utilidad para una empresa:



7.5.1. Costo de producción:

El costo de producción esta integrado por los siguientes elementos:

7.5.1.1. Costo de los componentes del producto, este se separa en dos categorías:

a. Piezas compradas : No. de Parte No. de Oring Cantidad Material Precio Unitario Costo total

05 2-121 2 Viton 90 $ 18.96 $ 37.92 21 2-216 1 Viton 90 $ 30.54 $ 30.54 08 2-106 1 Viton 90 $ 8.39 $ 8.39 09 2-115 1 Viton 90 $ 27.20 $ 27.20 30 2-214 2 Viton 90 $ 27.20 $ 54.40 32 2-115 8 Viton 90 $ 27.20 $217.60 37 2-217 2 Viton 90 $ 32.41 $ 64.82 45 2-217 2 Viton 90 $ 32.41 $ 64.82 52 2-217 2 Viton 90 $ 32.41 $ 64.82 58 2-214 2 Viton 90 $ 27.20 $ 54.40

Total $ 624.91

Tabla7.1. Costos de arosellos

No. de Parte Descripción Cantidad Costo 10 Sello p/alta presión 1 $ 750.00 12 Balero axial 1 $ 240.00 13 Balero normal 1 $ 250.00 17 Balero axial 1 $ 180.00 18 Resorte 1 $ 60.00 19 Sleep ring 1 $12 000.00 25 Reductor de velocidad 1 $ 3 000.00 26 Motor 1 $ 6 000.00 27 Imán 1 $ 45.00 34 Centrador 1 $ 6000.00 47 Resorte 1 $ 10.00 60 Conector eléctrico 1 $ 1 000.00

Total $29 535.00

Tabla 7.2. Costos de partes especiales

Descripción Costo

Componentes electrónicos para alta temperatura $ 30 000.00 Sensor de ultrasonido $ 25 000.00 Fabricación de tarjetas electrónicas $ 12 000.00

Total $ 67 000.00 Tabla 7.3. Costo de componentes y dispositivos electrónicos



b. Piezas fabricadas No. de Parte Descripción Material de fabricación Costo de material Costo de fabricación

01 Calibrador de señal Bronce o latón $ 25.00 $ 125.00 02 Tapa Aleación Ti-6ªl-6Sn-2V $ 190.00 $ 550.00 03 Compensador Ti-6Al-6Sn-2V/Monel $ 380.00 $ 750.00 04 Modulo de sensores Ti-6Al-6Sn-2V $ 1 258.00 $ 2 300.00 06 Tuerca p/flecha Bronce o latón $ 20.00 $ 35.00 07 Receptor de Baleros Ti-6Al-6Sn-2V $ 560.00 $ 760.00 11 Posicionador p/flecha Ti-6Al-6Sn-2V $ 80.00 $ 225.00 14 Protector Viton 90 $ 15.00 $ 25.00 15 Anillo de desgaste Carbón grafitado $ 250.00 $ 250.00 16 Flecha de transmisión 17-4Ph $ 708.66 $ 3000.00 20 Acoplador p/sleep-ring Ti-6Al-6Sn-2V $ 155.50 $ 460.00 22 Carcaza del sensor de

posición Ti-6Al-6Sn-2V $ 155.50 $ 460.00

23 Flecha p7sensor de pos. Ti-6Al-6Sn-2V $ 160.00 $ 380.00 24 Camisa del modulo de

motor Ti-6Al-6Sn-2V $ 2 675.00 $ 4 000.00

28 Soporte del sensor de pos. Ti-6Al-6Sn-2V $ 220.00 $ 485.00 29 Disipador del motor Aluminio comercial $ 75.00 $ 220.00 31 Conector CM-CENT Ti-6Al-6Sn-2V $ 475.00 $ 785.00 33 Flecha del centrador 17-4Ph $ 450.00 $ 1200.00 35 Conector Cent-Elec Ti-6Al-6Sn-2V $ 450.00 $ 785.00 36 Tuerca loca 17-4Ph $ 314.70 $ 450.00 38 Soporte p/ciruitería Bronce $ 35.00 $ 120.00 39 Camisa p/circuitería Ti-6Al-6Sn-2V $ 6195.00 $14 000.00

40-43 Soportes para tablilla Bronce $ 160.00 $ 480.00 46 Pin de Contacto Bronce $ 35.00 $ 35.00 48 Aislante Teflon $ 35.00 $ 35.00 49 Varilla de soporte Bronce $ 35.00 $ 30.00 50 Receptor de contacto Bronce $ 35.00 $ 30.00 51 Soporte p/pin Ac. Inox. 316 $ 30.00 $ 45.00 53 Contacto receptor del cent Bronce $ 30.00 $ 25.00 54 Aislante del contacto Teflon $ 15.00 $ 30.00 55 Conector CSPL Ti-6Al-6Sn-2V $ 629.00 $ 780.00 56 Conector CSPCE Ac. Inox. 316 $ 750.00 $ 945.00 57 Soporte p/pin Sp Ac. Inox. 316 $ 35.00 $ 45.00 59 Conector p/cabeza Ti-6Al-6Sn-2V $ 590.00 $ 850.00 61 Receptor de rodamiento Ti-6Al-6Sn-2V $ 380.00 $ 537.00

Total $ 17 606.36 $ 35 232.00

Tabla 7.4. Costos de elementos fabricados

c. Costo de herramientas y dispositivos necesarios para la producción

En todo proceso de fabricación de elementos mecánicos, es necesario el empleo de

herramientas y dispositivos de corte cuyas características técnicas dependen de la operación

a realizar y de las especificaciones de diseño, esto es tamaño, forma y acabado, a

continuación se presenta un estimado de costo de estas herramientas:



Costo Descripción

Buriles con inserto de pastilla, varias medidas $ 350.00 Brocas A.V. varias medidas ( de 3 mm –12.7mm) $ 250.00 Brocas A.V. largas con zanco cónico, varias medidas (de 12.7 – 25.4) $ 5 000.00 Brocas de fabricación especial $13 000.00 Cortadores verticales de carburo de tungsteno, varias medidas $ 2 000.00 Rimas con cuchillas expandibles $ 1 200.00 Machuelos varias medidas (Juegos) $ 500.00 Garrotes para muchuelos $ 375.00 Herramientas de medición ( calibradores, micrómetros, etc.) $15 000.00 Aceites, refrigerantes, grasas, estopas $ 4 000.00

Total $ 41 657.00 Tabla 7.5. Costo de herramientas

7.5.2. Costos del desarrollo del proyecto

Según Ramos W (7), el costo de desarrollo de un producto es el conjunto de gastos que

realiza una empresa, desde que se toma la decisión de iniciar su desarrollo, hasta su

introducción al mercado, para lo cual se requieren recursos humanos, bienes materiales,

tiempo y dinero. A continuación se muestra una tabla que resume los costos más

significativos que corresponden a este rubro:

Descripción Costo

Cantidad de integrantes en el grupo de diseño: 4 Tiempo dedicado al desarrollo del proyecto: 4000 h.h.

$ 800 000.00

Gastos de construcción y pruebas de prototipos $ 25 000.00 Material y equipo necesarios para el desarrollo del sistema $ 10 000.00 Compra y consulta de información especializada $ 5 000.00

Total $ 840 000.00 Tabla 7.6. Costos por desarrollo del proyecto

Costos totales Costo

Costo de los componentes del producto: Costo de piezas compradas $ 96 535.00 Costo de piezas fabricadas $ 52 838.36 Costo de herramientas y dispositivos necesarios para la producción $ 41 657.00 Costos del desarrollo del proyecto $ 840 000.00

Total $ 1031 030.36

Tabla 7.7 Costos totales

Conclusiones

El método QFD, ha resultado ser una herramienta eficaz para el desarrollo de productos,

cuyo principio se basa en el estudio de los requerimientos del cliente y la realización de

análisis sobre la importancia de éstos que posteriormente se convierten en requerimientos

en términos de ingeniería; de esta forma se establecieron las bases para el diseño de detalle

en el presente trabajo. Pasando por un análisis sobre las propuestas de diseño de elementos,

se estableció un diseño conceptual que trató de cumplir con las exigencias del usuario. Esta

propuesta de diseño se desarrolló tomando como referencia un análisis técnico sobre los

problemas involucrados en la operación del producto hasta llegar a integrar las bases de

diseño, resumidas en los dibujos de detalle y los cálculos realizados en función a la

resistencia de los materiales empleados.

Se ha podido constatar la importancia que tiene el diseño mecánico en la solución de

problemas, teniendo cabida en todas las áreas de la ingeniería, en éste caso la aplicación de

la ingeniería mecánica en la industria petrolera ha servido para proponer soluciones a

problemas existentes. Cabe señalar que la solución que se propone, no es la única; el diseño

mecánico proporciona amplias posibilidades para la solución de problemas, que en muchos

casos depende de la experiencia del diseñador.

Por otro lado, también se ha podido verificar que la ingeniería mecánica tiene un campo

abierto en la industria petrolera, para la solución de problemas desde mecánica de fractura,

corrosión, soldadura, etc., hasta el diseño y fabricación de elementos y máquinas para la

realización de actividades de exploración, producción, transporte y almacenamiento de

hidrocarburos.

Este trabajo fue integrado por 7 capítulos, en cada uno de ellos se realizaron análisis

minuciosos del problema y una posible solución, de ésta forma en el capítulo 1 se

proporcionaron algunos tópicos importantes relacionados con el campo de trabajo, se

mencionó como se constituye un pozo, los tipos de tubería empleados y los problemas que

se presentan, no sin antes remarcar la importancia que tiene el petróleo en nuestra sociedad.

En el capítulo 2 se puso en práctica la metodología para el desarrollo de proyectos; durante

180

la cual fue posible detectar los problemas y posibles soluciones, cabe mencionar que en este

informe no se presentan todas las ideas y conceptos que se generaron en la lluvia de ideas

para integrar el diseño conceptual, en este capítulo, se pudo establecer que este proyecto no

tiene competencia nacional, por lo que resulta de suma importancia asegurar su calidad y

cumplir con los requerimientos de funcionabilidad establecidos por el cliente, para que en

un futuro en la otra fase del proyecto sea un producto confiable y competitivo.

En este trabajo queda demostrado que el método QFD, es un método muy útil para poder

interpretar los requerimientos de un cliente, proporcionado herramientas para poder traducir

los requerimientos de un cliente en términos de ingeniería.

En la culminación de este proyecto se tuvieron las siguientes conclusiones:

• Es posible la adaptación de sensores de ultrasonido para la inspección de tuberías.

• Es importante realizar una buena selección de materiales debido a las condiciones de

presión, temperatura y corrosión en el interior de las tuberías de producción.

• La interrelación de las áreas de eléctrica, electrónica, ultrasonido, programación y

mecánica, han llevado a la culminación de un prototipo para inspección de tuberías,

desarrollada en base a necesidades del cliente.

• La generación de conceptos para la solución de un problema es ilimitado, sin embargo

debe de realizarse una buena selección de elementos que lo integran, ya que pueden

existir elementos con alto índice de eficiencia pero difíciles de conseguir.

• Es importante diseñar un producto tomando como base las necesidades del usuario y el

costo.

Los capítulos 3,4 y 5, presentan las bases de diseño con las cuales fue posible fabricar un

prototipo, mostrado en el capítulo 7, en donde se presentan pruebas de laboratorio de

algunos sistemas importantes como el funcionamiento del módulo de sensores, la

resistencia de algunos elementos mecánicos a presión. En esta fase se detectaron algunos

detalles que se tienen que ajustar, los cuales se plantean a continuación.

181

En este trabajo se proporcionan las bases para poder fabricar este equipo mecánicamente,

para su integración total es necesario sumar la parte electrónica, tarjetas de circuito

impreso, los equipos de superficie mencionados al inicio del trabajo, además del soft ware

de operación y control de la herramienta.

Los resultados de laboratorio indican que esta herramienta puede competir con otras

herramientas desarrolladas bajo otras tecnologías, sin embargo existen detalles que deberán

corregirse antes de poderla ofrecer al 100 % de su operación.

La importancia comercialmente hablando depende de los resultados de la herramienta en

pruebas tecnológicas de campo y de la aceptación como servicio a PEMEX.

182

Recomendaciones

Un aspecto que deberá tomarse en cuenta para continuar con éste proyecto es sin duda

planear a detalle las relaciones entre las áreas involucradas; en este tipo de proyectos donde

intervienen electrónicos, físicos, programadores, mecánicos y petroleros, es necesario que

cada área fije sus requerimientos de diseño y su relación con otras áreas, esto beneficiaría el

estado del proyecto y ayudaría a llegar a los objetivos con más rapidez. Estableciendo las

metas para cada uno tomando en cuenta las necesidades del otro, puede ser una buena

forma de trabajo para el cumplimiento de metas, a continuación se plantean algunos

detalles que deberán ser tomados en cuenta.

• En el arreglo de los sensores las áreas de electrónica, mecánica y física deberán analizar

la conveniencia de elegir algún otro tipo de sensores más potentes y versátiles, que

disminuyan su tamaño o se emplee solo uno o dos, esto ayudaría a reducir la carga al

motor.

• En el ensamble entre la parte fija y la parte móvil, será necesario buscar algún otro tipo

de arreglo para sello, que resulte más eficiente y seguro para el sistema. Podría ser más

práctico, buscar la manera de que el módulo de sensores fuera intercambiable.

• Puede realizarse una investigación más amplia en el campo de los motores para

encontrar alguno otro, que fuera mucho más robusto y con un torque mayor al actual.

• La forma de realizar los contactos eléctricos entre las partes que se ensamblan con

conectores, se beneficiaría si se diseñara o encontrara comercialmente algún aditamento

para ensamblar rápidamente estas partes sin dañar los cables.

• El uso de titanio en todas las partes resulta ser muy costoso, se recomienda utilizar

acero 17-4Ph para la fabricación de conectores y titanio para la fabricación de las

camisas que estarán sometidas a presión.

• Es importante cuidar el procedimiento de fabricación de las piezas para montar los

sensores, ya que el tipo de maquinado que presenta este diseño puede deformar la pieza

y traer problemas en el montaje con los rodamientos.

• Se recomienda tener cuidado en seleccionar y colocar los arosellos tomando como base

las recomendaciones del fabricante.

183

Además de estas recomendaciones, es necesario mencionar la importancia de realizar

pruebas en campo en donde realmente se detectan los problemas de operación de los

sistemas que se desarrollan en laboratorio; no es lo mismo probar un circuito a temperatura

con una cámara controlada que probarlo en un pozo donde puede ser posible experimentar

todos los cambios de temperatura reales que se originan por flujo de hidrocarburos, gases o

agua, a diversas profundidades donde también puede ser importante considerar los cambios

de presión y su influencia directa sobre los dispositivos.

Sin duda este trabajo puede ser extendido hacia el campo de la ingeniería petrolera, en

donde la necesidad de equipo de apoyo para la inspección y la caracterización de

yacimientos cada vez es mas demandante. Esta herramienta con más desarrollo de

ingeniería podría cuantificar los daños a la formación productora en un yacimiento,

simplemente habilitando un sensor de más potencia y modificando la electrónica para el

control de éste.

El daño a la formación se cuantifica midiendo la profundidad de las perforaciones

realizadas en la capa geológica de producción, teóricamente la profundidad normal de estas

perforaciones puede ser de dos tipos, de 152.4 mm (6 pulg.) y de 304.8 mm (12 pulg) y un

diámetro del agujero que va desde 3.17 mm hasta 25.4 mm (0.125 a 1 pulg).

Una profundidad menor a estos valores se reportaría como daño a la formación y su

magnitud indicaría la inyección de agentes químicos para eliminar el daño y estimular el

pozo.

184

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