Tema revisado por última vez: 10 de abril de 2013
Sectores: Aguas arriba

La energía necesaria en las plataformas de perforación en alta mar generalmente se suministra con motores diesel. Por lo general, estos motores utilizan combustible diesel de 20 a 30 m3 por día, dependiendo de las operaciones realizadas. Se pueden utilizar varias medidas para reducir el consumo de energía, la cantidad de diesel quemado y las emisiones al aire. Las medidas para reducir el consumo de energía pueden dividirse en dos categorías:

1. Reducir la cantidad de energía necesaria en la plataforma
2. Mejorar el sistema de gestión de energía

Para reducir la demanda de energía en la plataforma, es importante planificar bien las operaciones de perforación. Un proceso de perforación eficiente proporciona un menor consumo de combustible por pie perforado y, por lo tanto, menos emisiones. Los sistemas automáticos de mezcla de lodo, como los implementados en el complejo Valhall en el Mar del Norte, reducen los costosos errores de mezcla, la exposición a materiales peligrosos y las emisiones excesivas (Referencia 4). Una planificación cuidadosa por parte de ingenieros de perforación y personal logístico puede reducir el tiempo de inactividad y dar como resultado un proceso de perforación más eficiente. La integración de un cabezal de cemento giratorio y de elevación controlado a distancia con las operaciones de funcionamiento de la carcasa de accionamiento superior reduce el tiempo de montaje del equipo, lo que reduce el tiempo de transición entre el funcionamiento de la carcasa y las operaciones de cementación (Referencia 5). Por último, un programa de mantenimiento centrado en la fiabilidad (RCM) también puede reducir el tiempo de inactividad de la plataforma, mejorar la seguridad y proporcionar un mejor retorno de la inversión. Por ejemplo, el MCR de Ensco ha dado como resultado un retorno de la inversión del 63% (Referencia 2).

El diseño de la plataforma de perforación también es importante. Las áreas de trabajo y las viviendas bien diseñadas reducen la necesidad de calefacción y refrigeración y son especialmente importantes en entornos duros y fríos, donde la necesidad de calefacción suele ser grande. La forma del casco y el diseño de la parte superior de la plataforma de perforación crean resistencia al viento. Si se puede reducir la resistencia del viento, se puede reducir el consumo de energía.

Un factor importante que influye en el consumo de energía en una plataforma de perforación en alta mar es el medio por el que se coloca la plataforma de perforación. Los buques amarrados tienen un consumo de energía mucho menor en comparación con los buques posicionados dinámicamente (DP), porque los motores de los buques DP utilizan energía para posicionar la plataforma. ABB, un fabricante de tecnologías de potencia y automatización con sede en el Reino Unido, ha desarrollado el sistema de propulsión Azipod®, un sistema de propulsión azimut en vainas que consiste en un motor eléctrico de velocidad variable que acciona una hélice de paso fijo en una vaina sumergida fuera del casco del barco; no hay engranajes ni transmisiones de eje entre el motor y el impulsor. El Azipod ® puede reducir el requerimiento de energía de propulsión en un 10-20% en comparación con las soluciones de propulsores mecánicos azimutales tradicionales (Referencia 3).

La elección del sistema de compensación de elevación también tiene un impacto en el consumo de energía. El uso de sistemas de dibujo de elevación activa (AHD), una solución totalmente eléctrica, tiene diferentes necesidades de energía en comparación con la solución de plataforma de cilindros o el compensador montado en corona tradicional (CMC), ya que estos sistemas de compensación dependen de diferentes combinaciones de equipos hidráulicos y eléctricos. Las principales ventajas de los equipos hidráulicos son la relación potencia-tamaño de los actuadores y su capacidad de almacenamiento de energía; los equipos hidráulicos son más pequeños y ligeros que su equivalente eléctrico, mientras que los acumuladores de gas utilizados en los sistemas hidráulicos almacenan fluctuaciones temporales de energía de una manera rentable y continuarán funcionando en caso de un corte de energía. Las desventajas de los equipos hidráulicos son la necesidad de una unidad de potencia hidráulica grande y pesada (HPU) necesaria para alimentar el equipo y la dependencia de la temperatura del sistema. La colocación de la HPU en la plataforma puede ser problemática, especialmente para flotadores. Las propiedades del fluido hidráulico varían con la temperatura y pueden tener un impacto en el rendimiento general del sistema. Por otro lado, la eficiencia general de los sistemas eléctricos es del 85-90% en comparación con aproximadamente el 70% de un sistema hidráulico (Referencia 1). Esta mayor eficiencia hace que la energía eléctrica sea la opción preferida para equipos de alta potencia. Los sistemas eléctricos también permiten un control preciso del par y la velocidad, y eliminan el peligro ambiental de las fugas de fluido hidráulico. La principal limitación para el sistema eléctrico es el almacenamiento de energía, que suele estar en forma de baterías grandes y pesadas.

El sistema CMC utiliza una torre de perforación estándar y un sistema de dibujo estándar con un sistema compensado hidráulicamente instalado en la parte superior de la torre de perforación. Este sistema inflige la menor cantidad de carga a la estructura de la torre de perforación, pero tiene una capacidad de compensación de elevación limitada. Su distribución de peso pesado en la parte superior puede afectar la estabilidad del buque y reducir la capacidad de carga de la cubierta. El CMC tendrá un consumo de energía mucho menor mientras opera en áreas difíciles en comparación con otros sistemas de compensación de elevación. A continuación se muestra un diagrama de un sistema CMC.

Figura 1: Compensador montado en la corona del eje de afeitado (de la Referencia 7)

La solución de plataforma de cilindros reemplaza la torre de perforación con un mástil y los mecanismos de tracción con cilindros hidráulicos. Esta configuración reduce el centro de gravedad de la plataforma y reduce el peso de la torre. La capacidad de compensación de elevación está limitada por el diseño del cilindro de compensación. Aunque el sistema requiere un HPU pesado para funcionar, la colocación típica del HPU debajo del piso de la plataforma mejora la estabilidad de la plataforma al bajar el centro de gravedad. El uso de múltiples cilindros y cables proporciona redundancia en caso de falla. El reemplazo de los trefilados por cilindros elimina gran parte del ruido en el piso de perforación.

El sistema AHD también utiliza una torre de perforación estándar, pero con control totalmente electrónico de los trabajos de dibujo para la compensación de la elevación. Los motores de CA proporcionan un control preciso de los trabajos de dibujo con una precisión de compensación típica de menos del 2%. La potencia regenerativa creada por el frenado se puede alimentar de nuevo en la plataforma para el consumo de otros equipos. Al igual que la solución de plataforma de cilindros, el diseño AHD tiene un centro de gravedad más bajo que los sistemas CMC, pero tiene un peso más bajo que los sistemas de plataforma de cilindros y CMC. La compensación de elevación no está limitada como en los otros sistemas. La principal desventaja de los sistemas AHD es el uso de dibujados alimentados por corriente alterna, que pueden ser ruidosos en un entorno de trabajo confinado.

Se puede lograr una mayor flexibilidad en la producción de energía en la plataforma mediante el uso de sistemas de gestión de energía y la aplicación de una filosofía de carga de energía. La intención aquí sería hacer funcionar los generadores a la carga correcta en lugar de hacer funcionar todos los generadores en ralentí. Para permitir esto, se puede usar una combinación de diferentes tamaños de potencia de salida de generadores; alternativamente, operar la mayoría de los generadores con carga óptima y uno o dos generadores con carga variable puede ser una solución. Los sistemas de distribución de energía eléctrica simples pueden reducir la frecuencia de apagones al reducir el número de sistemas de asignación y conexiones cruzadas. Cuando los componentes del sistema son menos y más eficientes, los costos de producción y mantenimiento se reducirán, y la sala de equipos tendrá una huella más pequeña en la plataforma.

Los sistemas de recuperación de calor utilizados para recuperar el calor de los gases de escape se pueden utilizar en lugar de la producción de calor de calderas de vapor, calderas de aceite térmico o calentadores eléctricos. Esto también servirá para reducir el consumo de energía.

Madurez tecnológica

Métricas Clave

Factores de decisión

Problemas/riesgos operacionales

Siempre se deben llevar a cabo análisis de peligros

Oportunidades/caso de negocio

• Las operaciones de perforación eficientes y los programas de diseño de pozos contribuirán a la entrega de pozos en un tiempo reducido y con un menor consumo de energía, reduciendo así los costos operativos generales.
• La reducción de la combustión de combustible puede conducir a una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero
• Oportunidad de reducir el ruido

Estudios de casos de la industria

Simulación de un sistema de almacenamiento de energía basado en el volante de inercia para perforación en alta mar (Referencia 6)

Una simulación detallada de un dibujo compensador de elevación, basado en un HITEC AHC-1000 real Se utilizaron drawworks® y un modelo matemático de la dinámica del volante de inercia para analizar el rendimiento previsto de un sistema de almacenamiento de energía a gran escala basado en el volante de inercia. El consumo de combustible se basó en las características de un grupo electrógeno diésel Caterpillar. La simulación se ejecutó utilizando Simulink junto con Matlab (una herramienta de lenguaje de programación gráfico de flujo de datos). La simulación mostró una reducción de hasta el 75% en la demanda media de energía eléctrica y hasta el 90% en el consumo de energía pico. La topología de enrutamiento de energía y los perfiles de carga simulados se muestran a continuación.

Figura 2: Topología de enrutamiento de energía

Figura 3: Perfiles de carga simulados

1. Tapjan, R. y Kverneland, Hege. (2010). Diseños de plataformas hidráulicas y eléctricas: pros y contras de los sistemas de compensación de elevación flotante. Contratista de perforación (sitio web): The Efficient Rig, 8 de septiembre de 2010.
2. Liou, J. (2012). «El programa de mantenimiento centrado en la fiabilidad reduce el tiempo de inactividad y genera un retorno de la inversión del 63%». Contratista de perforación (sitio web): The Efficient Rig, 7 de mayo de 2012.
3. Langley, D. (2011). «Arrojar luz sobre la simplicidad eléctrica». Contratista de perforación (sitio web): The Efficient Rig, 21 de septiembre de 2011.
4. Gunnerod, J., Serra, S., Palacios-Ticas, M. y Kvarne, O. (2009). «El sistema de fluidos de perforación altamente automatizado mejora el HSE y la eficiencia, reduce las necesidades de personal». Contratista de perforación (sitio web): Drilling It Safely, 17 de enero de 2009.
5. Cummins, T. (2011). «El cabezal de cemento modificado reduce el tiempo de montaje, los riesgos». Contratista de perforación (sitio web): The Efficient Rig, 21 de septiembre de 2011.
6. Williams, K. R. y de Jone, H. J. «La tecnología de perforación híbrida en altura reduce las emisiones y los costos operativos de la perforación en alta mar». Contratista de perforación, septiembre/octubre de 2009, pp 52-60.
7. National Oilwell Varco (sitio web)
8. Transocean (sitio web): Sedco Express