Perforar con aire comprimido continúa teniendo gran popularidad. Se utiliza, por lo general, para perforar en presencia de rocas duras, secas, ya que el fluido de perforación es poco costoso y, comparado con agua o lodo pesado de perforación, puede alcanzar respetables promedios de penetración.En términos de consideraciones económicas, con respecto a los gastos de fluidos de perforación, la perforación con aire no puede comprarse con ninguna. Sin embargo posee impedimentos como por ejemplo, su reacción con hidrocarburos.

PERSPECTIVA HISTÓRICA
El primer registro del uso del aire comprimido en la perforación es de 1860, cuando un trepano mecánico, de tipo pistón, perforó un túnel de 8 millas de longitud en los Alpes.
En 1940 y primeros del 50, la perforación con aire se volvió una solución importante a la perforación rotatoria standard

CONDICIONES DE SEGURIDAD
La perforación con aire comprimido provee muchos beneficios, pero una mala operación puede llevar a la pérdida equipos de superficie y de fondo del pozo, incluyendo daños al personal del equipo de perforación que en muchos casos pueden ser mortales.
La perforación con aire comprimido es segura siempre que las leyes de la naturaleza no sean violadas. Durante mucho tiempo operadores y contratistas de perforación y el personal del equipo, han tenido la equivocada impresión de que se trata de una operación más segura que la perforación convencional, sobre un amplio rango de aplicaciones.
Esto puede ser verdad, pero el concepto químico fundamental del triángulo de fuego ha sido muchas veces ignorado, descartado, u olvidado.

En 1952 fue publicada la cuarta edición de los estudios de inflamabilidad, llevados a cabo conjuntamente, por el Departamento del Interior de los EEUU, el Bureau de Minas, y el Consejo de Investigación de Seguridad en Minas de Gran Bretaña. En esta se describen los riesgos de trabajar en ambientes ricos en oxígeno, en presencia de hidrocarburos. Mientras no sean encontrados los hidrocarburos, la perforación con aire puede ser tan segura como la perforación con fluidos no reactivos, como agua, lodo a base de agua, lodo a base de petróleo, o de base sintética.El fuego es un proceso oxidante, la combustión solo se produce cuando se encuentran presentes las tres condiciones del triángulo clásico de combustión. Clickear sobre imagen para ampliar

QUÍMICA
El aire es una mezcla de diferentes gases. Dentro de esa mezcla existe un 21 % de oxígeno. Sin embargo, el mínimo de concentración de oxígeno necesario para la combustión del metano es solo del 12 % al nivel del mar.El principal elemento constitutivo del gas natural es el metano (CH1). En presencia de una fuente de ignición, las reacciones químicas se producen según se describe más abajo:Cuando el agente oxidante (oxigeno) está presente en exceso:CH4 (gas) + 2 O2 (gas) „³ CO2 (gas) + H2O (liq) + calor (1)Con presencia de oxígeno suficiente, la combustión completa del hidrocarburo produce dióxido de carbono, más agua, más calor.Cuando el combustible está en exceso:CH4 (gas) + O2 (gas) „³ C (solidó) + H2O (Liq) + calor (2)Cuando hay un exceso de combustible o poco oxigeno, la reacción química no puede oxidar completamente las hidrocarburos hasta volverlos dióxido de carbono y agua. La reacción que se produce da como resultado un humo negro conocido como hollín (como producto sólido), más agua y calor.

CONFIABILIDAD
Cuando encendemos un horno somos testigos de una reacción controlada entre metano y oxígeno en presencia de una fuente de ignición que no presenta peligro. En condiciones normales de operación el proveedor del servicio de gas natural regula el flujo y la presión del metano de uso doméstico. Mientras la válvula del horno regula el flujo de encendido/apagado y el flujo en general, la válvula y el quemador regulan la cantidad de metano que debe ser combustionado. Cada mecanismo común de combustión es estrictamente controlado. Usualmente los hidrocarburos están restringidos. Los ejemplos incluyen no solo la mecha del quemador, sino también la carburación e inyección del combustible.

EMISIÓN DE HIDROCARBUROS A LA SUPERFICIE
Una liberación de gas natural de la boca de pozo a la atmósfera abierta, ya sea por accidente o por diseño, provee  dos condiciones de las tres necesarias para la combustión, explosión o incendio.La ignición puede virtualmente provenir cualquier fuente capaz de crear una chispa, incluyendo a la electricidad estática. El potencial de incidentes catastróficos aumenta porque este tipo de reacción es no controlable.
Hay una cantidad desconocida de metano y otros hidrocarburos en el pozo, la presión con frecuencia se desconoce, la cantidad liberada de hidrocarburos que fluyen del fondo es también desconocida, sin importar el esfuerzo siempre parece estar presente una potencial fuente de ignición.

Si el metano liberado desde el pozo es altamente concentrado, eventualmente será dispersado en el aire para volverse un material potencialmente volátil, explosivo y combustible.En presencia de una fuente de ignición, la naturaleza explosiva de esta reacción química será no controlable hasta que el combustible este completamente combustionado. (Ecuación 1, fig. 3). Las mezclas de aire e hidrocarburos tienen una velocidad de quemado máxima cuando la concentración del combustible es ligeramente menor que en el estequiométrico.La mayoría de las explosiones y fuego en el fondo del pozo probablemente resulten de detonaciones en el fondo del pozo. Cuando el aire comprimido se expande, la expansión adiabática hacia la atmósfera produce un efecto de enfriamiento localizado. Cuando el aire atmosférico es comprimido la temperatura local aumenta por la compresión de las moléculas de aire en un espacio confinado. Esto se conoce como compresión adiabática. Un mecanismo típico ocurre de la siguiente forma(Fig. 4)

Cuando el aire atmosférico está comprimido, la temperatura local aumenta por la compresión de las moléculas de aire en un espacio confinado. Esto se conoce como “compresión adiabática” (4) Clickear sobre imagen para ampliar

La sobrepresión creada durante una explosión, depende de la capacidad del frente de llamas para acelerarse y alcanzar altas velocidades. Los obstáculos y equipamientos en el interior del pozo son los principales contribuyentes a la aceleración de la llama.
La turbulencia inducida por los obstáculos en el camino de las llamas aumenta la velocidad creando una situación en la que la incrementada velocidad del fuego intensifica la turbulencia.Las altas velocidades de quemado crean altas sobrepresiones. En algunos casos, la explosión es tan intensa y tan violenta que puede hacer colapsar (literalmente) y doblar las tuberías de perforación.A veces no es necesario utilizar contenedores de desperdicios luego de una detonación, ya que los ensambles y el trepano en el fondo del pozo se desintegran debido a la sobrepresion de la explosión y la intensidad de la temperatura.

La detonación en el fondo del pozo parece ocurrir con más frecuencia en presencia de condensantes, también conocidos como gas húmedo. La figura  5 ilustra los tiempos de autoignicion comúnmente producidos para hidrocarburos alifáticos. La temperatura de ignición tiende a descender con el número de carbonos en la cadena. Un aumento en la presión típicamente reduce la temperatura espontánea de ignición. 

                                                                           
La figura ilustra las temperaturas de autoignicion para    hidrocarburos alifáticos. La temperatura de ignición tiende a descender con el número de carbonos en la cadena Clickear sobre imagen para ampliar  (5)

La sobrepresión creada durante una explosión, depende de la capacidad del frente de llamas para acelerarse y alcanzar altas velocidades. Los obstáculos y equipamientos en el interior del pozo son los principales contribuyentes a la aceleración de la llama.La turbulencia inducida por los obstáculos en el camino de las llamas aumenta la velocidad creando una situación en la que la incrementada velocidad del fuego intensifica la turbulencia.Las altas velocidades de quemado crean altas sobrepresiones

 En algunos casos, la explosión es tan intensa y tan violenta que puede hacer colapsar (literalmente) y doblar las tuberías de perforación.A veces no es necesario utilizar contenedores de desperdicios luego de una detonación, ya que los ensambles y el trepano en el fondo del pozo se desintegran debido a la sobrepresion de la explosión y la intensidad de la temperatura.

La detonación en el fondo del pozo parece ocurrir con más frecuencia en presencia de condensantes, también conocidos como gas húmedo. La figura  5 ilustra los tiempos de autoignicion comúnmente producidos para hidrocarburos alifáticos. La temperatura de ignición tiende a descender con el número de carbonos en la cadena. Un aumento en la presión típicamente reduce la temperatura espontánea de ignición.

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(6)Perforar en presencia de gas “seco” es aceptable mientras la Temperatura de compresión adiabática y la Temperatura estática del fondo del pozo, combinadas, no excedan los 1000º F y no haya otra fuente de ignición

(7)¿Como nos aseguramos que la mezcla de aire-gas se encuentra por encima o debajo de los Límites de Explosión?

DISCUSIÓN
Muchos autores sostienen que es una práctica aceptable perforar en presencia de gas seco. La fig. 6 parece apoyar esta afirmación mientras que la temperatura de compresión adiabática y la temperatura estática del fondo del pozo (combinadas) no excedan los  1000ºF,  y no haya otra fuente de ignición (por ej. Fricción) La ignición por fricción puede venir de diferentes fuentes: metal con metal, la fricción del trépano con el martillo y la fricción metal con formación.¿Cuántos de nosotros hubiéramos apostado que el gas en los pozos expuestos en las operaciones de perforación es absolutamente seco? 
 
¿Cómo nos aseguramos que la concentración de la mezcla esta sobre o debajo del límite de explosión? ¿Que factores de seguridad asignamos para compensar cualquier margen de error? ¿Con qué acciones mitigamos los riesgos?Una liberación no controlada y accidental de Hidrocarburos en la atmósfera en una refinería petroquímica es un incidente de seguridad muy serio y no es tolerado por los cuerpos regulatorios. No es una práctica aceptable porque tienden a pasar cosas trágicas como resultado. ¿Es menos peligroso en un equipo de perforación?

(8a)   Una vez que la zona con presencia de hidrocarburos ha sido penetrada, la perforación debe cesar y debe  utilizarse otro tipo de fluido de perforación                   (8b)

Las operaciones no pueden ser consideradas seguras porque las fuentes de ignición han sido eliminadas. Si se permite que aire y combustible se mezclen en proporciones inflamables debe suponerse que alguna fuente de ignición debe estar presente.
Hay altas probabilidades de que un escape de gas en un sitio de perforación, y en presencia de equipo de perforación, entre en contacto con una fuente de ignición.
Al menos en el ambiente de refinerías los estatutos requieren regulaciones de Clase I, División I para seguridad eléctrica.

Las regulaciones Clase I-División I, son estrictamente tenidas en cuenta para operaciones en equipos de perforación offshore, o en aguas federales.La Asociación Internacional De Contratistas ha publicado un sistema de clasificación de pozos para Operaciones Unbalanced y  en operaciones de perforación con presión manejada..En una escala de riesgo de 0 a 5 la perforación con aire, cuando no hay hidrocarburos presentes, se enmarca dentro del nivel 0. El nivel de riesgo aumenta con la complejidad de la operación y el potencial de productividad del pozo. Los que utilizan perforación con aire deben recordar que en presencia de hidrocarburo el nivel de riesgo es significativamente más alto.

CONCLUSIÓN
La perforación con aire continúa siendo un método muy popular y con muchas ventajas especialmente en ambientes de rocas duras, en situaciones no hidrocarburadas y litologías no productoras de agua.La pregunta para todo ingeniero, operador y contratista prudente debería ser:¿Es técnicamente apropiado continuar la perforación con aire cuando se sospecha la presencia de hidrocarburos en pozos abiertos?

Existen otras técnicas de perforación, con otros fluidos, que pueden ser aplicadas para mitigar el potencial de fuego y explosión de la mezcla de hidrocarburos y aire.
Desde 1994 hasta el 2003, el sector del gas y el petróleo ha tenido la dudosa distinción de tener una tasa de fatalidad 8,5 veces más alta que el promedio de todas las industrias de EEUU.Hay ocho estrategias específicas recomendadas descriptas en  SPE 94416 para modificar los registros de seguridad existentes, siete de los cuales están directamente relacionados con el tema de discusión.

1- Correr la voz
2- Desarrollar técnicas y herramientas específicas de concientización
3- Mejorar la accesibilidad
4- Asociarse
5- Aplicar tecnologías apropiadas
6- Calcular y manejar los riesgos
7- Dirigir en forma segura
8- Establecer una nueva cultura

En un intento por establecer una nueva cultura los autores recomiendan que los cálculos y manejos del riesgos debe realizarse aplicando tecnología adecuadas en las aplicaciones a futuro.Idealmente las perforaciones con aire deberían cesar justo antes de exponerse a cualquier zona productiva de hidrocarburosUna vez que la zona con hidrocarburo es penetrada o se sospecha que ha sido penetrada la perforación con aire debe terminar y utilizarse otro fluido de perforación. Las alternativas pueden incluir, por ejemplo, nitrógeno.
La espuma de aire no es una buena opción porque puede contribuir a la formación de anillos de lodos en el fondo del pozo (figuras 8ª y 8b). El cambio de fluido de perforación por ejemplo por nitrógeno, pueden mitigar la ocurrencia de detonaciones en el fondo del pozo pero no necesariamente disminuirá el potencial de fuego o explosión proveniente de la liberación de fluidos gaseosos expuestos al oxigeno de la atmósfera.

En las organizaciones que aplican la técnica de perforación por aire, los departamentos de ingeniería y seguridad deben realizar esfuerzos especiales para informar, educar y entrenar frecuentemente al personal a cerca de operaciones de perforación con aire seguras y hacer que esa información este disponible para todos en un manual de procedimientos.

Traducido por Staff Petrolnews

Fuente: Drilling Contractor

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