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BARRENAS DE PERFORACION
INTRODUCCION
El método rotatorio de perforación de un agujero implica invariablemente el
empleo de un trepano. Es la herramienta clave para el Ing. Perforación: Su
correcta selección y condiciones óptimas de operación son las 2 premisas
esenciales para lograr éxito.
En la calidad existe gran variedad de trépanos fabricados por varias compañías
para diferentes procesos de trabajo. El diseñador debe examinar adecuadamente
las condiciones de la formación que se pretende perforar y el equipo disponible.
La selección de las barrenas de perforación es un aspecto crucial para la
operación de todos los proyectos de perforación.
Entender los diferentes tipos de barrenas y sus respectivas aplicaciones es un pre-
requisito para hacer la selección de barrenas.
La perforación de pozos involucra no solo la barrena correcta en la aplicación
correcta, sino también operarla con los parámetros de operación correctos.
Dado que la tecnología de barrenas sigue mejorando a un paso rápido, los
supervisores de pozo deben estar actualizados acerca de los últimos avances
para asegurar que hacen la selección óptima de barrenas.
DEFINICIÓN
BARRENA.- Es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la
sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación durante el
proceso de perforación rotaria.
PRINCIPIOS
Durante la perforación, las brocas funcionan bajo un principio esencial:
Vencer los esfuerzos de corte y compresión de la roca
1
Para cumplir este propósito los dientes del trepano:
En el caso del Triconico: Deben incrustarse en la formación y
posteriormente cortarla cuando se desplaza dentro de la misma.
En el tipo PDC el proceso se cumple mediante el cizallamiento generado
por los cortadores de la broca que vencen la resistencia de la formación.
El trabajo del trepano dependerá del tipo y característica de la roca que se desea
cortar, principalmente en función de su dureza, factor que resulta importante para
clasificar los trépanos.
Ejemplo:
Para formaciones suaves se utiliza la barrena de dientes
Y para las formaciones duras es preferible usar barrenas de arrastre
El grado de dureza es el que determina el tipo de barrena y el principio de ataque.
TIPOS DE BARRENAS
Las patentes de las primeras barrenas para perforación surgieron en 1901. En
cuanto a su diseño e Ing., en la actualidad han mejorado las características físicas
y mecánicas; su duración y funcionamiento evolucionado para mejorar el
rendimiento y desempeño de perforación.
En la industria petrolera casi una década se utilizó en perforación con pulseta y
con diferentes barrenas:
De arrastre
De disco
De rodillos en cruz
De 1 y 2 conos
De diamante
2
Tipos de barrenas más utilizadas para la perforación y en operaciones especiales:
Barrenas tricónicas
Barrenas de cortadores fijos
Barrenas especiales
BROCAS DE ARRASTRE
Estas tienen cuchillas endurecidas, en vez de cortadores distribuidos, las cuales
hacen parte integral de la broca y rotan sólidamente con esta y con la sarta.
Tienen la tendencia a producir un alto torque y también a perforar huecos con muy
altas desviaciones. La penetración se consigue por raspado usando poco peso en
la broca (Weight On Bit, WOB) y alta velocidad de rotación (RPM). Realmente con
este tipo de broca sólo se pueden perforar formaciones blandas e inconsolidadas,
pues no tienen la dureza ni la resistencia al desgaste necesarias para las
formaciones consolidadas.
BARRENAS TRICONICAS
Están formadas por tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Varían de
acuerdo con la estructura de corte, pueden tener dientes de acero fresados o de
insertos de carburo de tungsteno y cambiar en función de su sistema de
rodamiento. Las brocas tricónicas constan de tres componentes:
· La estructura de corte o conos.
· Cojinetes.
· Cuerpo de la broca.
El escalonamiento de los dientes de acero de la hilera anterior respecto de la
exterior.
Esta característica dobla la velocidad de penetración y los metros por barrena;
sucesivamente siguieron muchas mejoras en los cojinetes y en la estructura
cortadora hasta 1948 con la introducción de las barrenas a chorro.
3
Las toberas en las barrenas de este tipo envían el fluido de perforación a alta
velocidad contra el fondo del pozo para remover y levantar las partículas a medida
que la barrena afloja el terreno. Una importante modificación es el empleo de
insertos de carburo de tungsteno como elementos cortantes, en 1951 tenía
insertos cilíndricos de carburo de tungsteno que estaban redondeados en sus
extremos, colocados a presión en agujeros patrones y hechos en los conos para
formar estructura cortadora.
El primitivo extremo ovoide del inserto tenía la resistencia y capacidad de
trituración necesarias para perforar de 3 a 10 veces más que las barreas con
dientes de acero en formación más duras como pedernal. Duraban más que los
cojines disponibles hasta entonces.
Terminología de la Broca
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Clasificación IADC de brocas
Serie
Tipo de estructura de
corte
1 Suave
Diente tallado2 Media
3 Dura
4Muy
suave Cincel
Inserto Carburo
Tungsteno
5 Suave
6 Media
Cónica7 Dura
8 Muy dura
Tipo
Grado de Dureza de la
Estructura de corte
1-41 – más suave
4 – más duro
Opción de diseño
Diseño de rodamiento y
protección de calibración
1 Producto estándar
2 Perforación con aire
3 Calibre del diámetro protegido
4 Rodamiento sellado
5 Calibrador protegido y rodamiento sellada
6 Rodamiento de buje sellado por fricción
7Rodamiento de buje sellado por fricción,
Calibre del diámetro protegido
8 Direccional
9 otra
5
Acción del cono.
A medida que el cono rueda en el fondo del pozo, una acción de raspado y
excavado se ejecuta sobre la formación. Los conos tienen más de un eje de
rotación debido al número y alineación de las filas de dientes de corte, pero esto
se halla limitado por el efecto que tenga el peso de la sarta de perforación aplicado
sobre la broca. La rotación se efectúa dentro de la broca, en forma que los dientes
van deslizando y excavando a medida que van girando. Este efecto es minimizado
en el diseño de brocas duras (pues los ejes de rotación de los conos son
concéntricos) con el fin de reducir desgaste, pero aún así en esta acción no hay
rodamiento puro.
El efecto de deslizamiento produce un efecto de arranque, raspado y tallado
controlado en la formación, que conduce a una rápida y eficiente remoción de los
cortes de formación producidos. Para formaciones blandas, el efecto de raspado
se mejora haciendo que los ejes de los conos no sean concéntricos. Esto lleva a
una perforación más rápida y la cantidad de raspado dependerá de la cantidad de
alejamiento que tengan los ejes de los conos. En las brocas para formaciones
blandas este alejamiento de los ejes puede ser de ¼”, en aquellas para
formaciones medias de 1/8”, y sin alejamiento para las de formaciones duras.
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Principios de diseño de las barrenas tricónicas
Las barrenas tricónicas cuentan con 3 conos cortadores que giran sobre su propio
eje. Varían de acuerdo con su estructura de corte, y pueden tener dientes de
acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno.
También cambian en función de su sistema de rodamiento que puede tener balero
estándar, balero sellado, chumacera. Las barrenas tricónicas constan de 3
componentes:
La estructura cortadora
Los cojinetes
El cuerpo de la barrena
Estructura de corte, está montada sobre los cojinetes, los cuales corren sobre
pernos y constituyen una parte integral del cuerpo de la barrena.
Las cargas radiales son absorbidas por el elemento exterior más grande de los
cojinetes, ya sea de rodillos, de balero sellado o de chumacera sellada, cerca de la
punta del cono o de la base del mismo, los cojinetes de balines sirven para retener
los conos y algunos casos para absorber ambas cargas radiales y de
hinchamiento.
La capacidad adicional del empuje hacia afuera del cojinete es proporcional por
superficies planas en el extremo interior del perno que sostiene el cojinete, entre el
hombro de la pista de los rodillos y el cojinete de nariz. Los elementos del corte de
la barrena de conos son hileras circunferenciales de dientes extendidas sobre
cada cono, y entrelazadas entre las hileras de dientes de los conos adyacentes.
Actualmente se emplean en las barrenas dos distintos tipos de elementos de corte
y 3 tipos de cojinetes.
Los elementos cortadores son los dientes de acero, maquinados desde un cono
básico de material, o los insertos de carburo de tungsteno, colocados a presión en
aguajeros perforados en la superficie de los conos.
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Los cojinetes son de balines y rodillos, o solo de balines, de balero sellado y de
chumacera sellada. Aunque hay muchas diferencias en las barrenas, las
consideraciones sobre el diseño básico son similares para todas.
El espacio permitido a los diferentes componentes depende del tipo de formación
que perforara la barrena. Las barrenas para formaciones blandas, que requieren
poco peso, tienen los cojinetes más pequeños, menor espesor de conos y la
sección de las patas más delgadas que la de las barrenas para formaciones duras.
Esto permite más espacio para dientes largos. Las barrenas para formaciones
duras que deben perforar bajo grandes pesos, tienen elementos de corte más
robustos, cojinetes más grandes y cuerpos más vigorosos.
Estructura de corte
Dado que el cono tiene una superficie cónica única, con su eje en el centro de
rotación de la barrena, rodara en el fondo del pozo sin ninguna acción de
deslizamiento o arrastre. Los conos de las barrenas para formaciones blandas se
apartan sustancialmente de un verdadero rodamiento debido a que
tienen 2 ángulos de cono básico, ninguno de los cuales tiene su
centro en el centro de rotación de la barrena. La superficie exterior
cónica tiende a rotar aproximadamente alrededor de su eje teórico
y las hileras interiores cerca de un centro de su propio eje.
Como los conos están forzados a rotar alrededor del centro de la
barrena, resbalan a medida que rotan y producen el escariado y
paleo, que es la mejor manera de perforar en forma efectiva a los
terrenos blandos. Una acción más efectiva para incrementar la
penetración en formaciones blandas se obtiene con la
excentricidad de los ejes de los conos.
De la fig. 7 es el típico para formaciones duras. Los conos de una barrena para
formaciones duras deben estar más cerca de un movimiento circular y por lo tanto,
tienen muy poca o ninguna excentricidad.
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Sistema de rodamiento: Existen 3 diseños.
Estándar con rodillos y balines
Auto lubricados con rodillos y balines
De fricción auto lubricados.
El tipo de sistema depende de la economía de aplicación, y en función del lugar
donde se deberá ser empleado. Los cojinetes estándar aparecieron para
reemplazar a los primeros cojinetes de fricción. Fueron lanzados al mercado en un
momento en que solamente se podían conseguir barrenas de dientes de acero.
Estos cojinetes operaban en contacto con el fluido de perforación y en muchos
casos, duraban tanto o más que la estructura cortadora. Sin embargo, en algunas
zonas y con algunos tipos de barrenas estos cojinetes eran inadecuados en
distintos grados.
En las barrenas actuales, los cojinetes estándar se emplean en la parte superior
de los pozos, en donde el tiempo de maniobras no es excesiva; además, en
algunos casos, cuando la velocidad de rotación es alta, al pista de los rodillos
absorbe la mayor porción de los empujes radiales sobre los cortadores y el
cojinete de nariz absorbe una pequeña parte.
Las superficies de empuje perpendicular al perno del cono y la del fondo están
diseñadas para realizar los empujes hacia afuera. La pista de los balines
mantienen los cortadores unidos y recibe los empujes de afuera hacia adentro.
Cuando algunas partes del cojinete están gastadas, la pista de los balines también
absorbe algunas cargas radiales y algunos empujes hacia afuera.
No obstante que se realiza investigación permanente para solucionar el problema
de los cojinetes, la introducción de los insertos de carburo de tungsteno como
dientes lo ha agudizado. Además de los elementos del cojinete (balines y rodillos),
este requiere un deposito para la grasa, un compensador de presiones, un
conducto que comunique a ambos y un sello.
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Aun en un ambiente lubricado, los cojinetes de rodillos después de un
determinado tiempo fallaran por la propia fatiga del material. Sin embargo, la vida
del cojinete es suficiente para algunas barrenas con dientes de acero. Así este tipo
de cojinetes todavía se emplea en las barrenas para formaciones más blandas.
Las estructuras de insertos de carburo de tungsteno todavía duran más que el
cojinete de rodillos y balines lubricados. Esto condujo al desarrollo de cojinetes de
chumacera y de un nuevo sello.
Como puede verse, el sistema deposito-compensador es similar al de los tipos de
dientes.
La diferencia más importante es que se emplea el anillo de goma y además una
superficie metal-metal reemplaza a los rodillos. El cojinete a fricción se vuelve el
componente principal que soporta las cargas. Las superficies hermanadas de este
cojinete son recubiertas con metales especiales que agregan una resistencia
adicional al desgaste y mayor protección contra el engranamiento. Estos cojinetes
son de vida más larga que la mayoría de las estructuras cortadoras actuales.
Una variación del cojinete de chumacera se está empleando cada vez más en
algunas de las barrenas con dientes de acero. Las diferencia estriba en este caso
no tienen las incrustaciones de aleación y que se le hace un tratamiento especial
al metal del cojinete. Las superficies donde el perno del cojinete de chumacera
hace contacto con el interior del cono son carburizadas, y boronizadas o tratadas
especialmente para aumentar la resistencia al desgaste y proporcionar mayor
protección contra el engranamiento. Estos tratamientos son generalmente
suficientes para equilibrar la vida del cojinete y de la estructura cortadora de
dientes de acero.
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Cuerpo de la barrena: consiste en:
Una conexión roscada que une la barrena con la sarta.
Tres ejes del cojinete en donde van montados los conos.
Los depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes
Los orificios a través de los cuales el fluido de perforación fluye para
limpieza.
Uno de los propósitos del cuerpo de barrena es de dirigir el lodo hacia donde hará
la limpieza más efectiva del fondo del pozo. Estos orificios estaban ubicados para
el lodo de forma tal que limpiaban los conos de las barrena. En la actualidad la
mayoría de las barrenas son del tipo a chorro, el cual apunta el fluido hasta el
fondo de pozo.
Las bombas modernas tienen suficiente potencia como para limpiar el fondo del
pozo y también los cortadores. En algunas formaciones blandas, los chorros del
lodo de perforación remueven el material por su propia fuerza. La erosión del
fluido sobre el cuerpo de la barrena, proveniente de altas velocidades, se reduce
a un mínimo con el empleo de las toberas de carburo de tungsteno.
Las barrenas tricónicas, son las más utilizadas y para otras aplicaciones como:
Pozos de agua, minería y geotermia. Cada compañía tiene sus propios diseños de
barrena tricónicas con características específicas del fabricante, pero de acuerdo
con un código de estandarización emitido por la IADC (Asociación internacional de
contratistas de perforación).
Se han desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las barrenas
tricónicas de rodillos. Se clasifican:
De acuerdo al tipo de dientes o de insertos
A la clase de formación para la cual es diseñada
Características mecánicas y fabricación.
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Para evitar confusión entre los tipos de barrenas equivalentes en relación con sus
distintos fabricantes la IADC creó 3 dígitos:
1. Identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura
de corte con respecto al tipo de formación.
a) Dientes fresados para formación blanda, medias y duras
b) Dientes de inserto de tungsteno para formaciones muy blandas, blandas,
medias, duras y extra duras.
2. Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usara la barrena
a) Para formación suave, media suave, dura, media duras y duras.
3. Identifica el sistema de rodamiento y lubricación de barrenas:
Con toberas para lodo y balero estándar
De toberas para aire y/o lodo con dientes diseño en T y balero estándar
Balero estándar con protección en el calibre
Balero sellado auto-lubricable
Balero sellado y protección al calibre
Chumacera sellada
Chumacera sellada y protección al calibre
Para perforación direccional
Las barrenas de cortadores fijos
Las barrenas de diamante tienen un diseño muy elemental. A diferencia de las
tricónicas, carecen de partes móviles, aunque esta característica sería deseable.
El material usado para su construcción, además de los diamantes, puede variar
según tipo de las barrenas y de las características de los fabricantes.
Normalmente el cuerpo fijo de la barrena puede ser natural o sintético, según el
tipo y características de las misma. La dureza extrema y la alta conductividad
térmica del diamante lo hacen un material con alta resistencia para perforar en
formaciones duras a semiduras, algunos tipos de barrenas hasta suaves.
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Las barrenas de diamante, a excepción de las barrenas de PDC, no usan toberas
de lodos para circular el fluido de control para aprovechar su hidráulica. Están
diseñadas de tal manera que el lodo puede pasar a través del centro de la misma
alrededor de la cara de la barrena y entre los diamantes por unos canales
llamados vías de agua o circulación.
Los conductos para encauzar el lodo, en las barrenas de diamante son tan
variables como los de la barrena de chorro de tobera. Estas tienen 2
configuraciones básicas, el flujo contra matriz y el radial, y combinados.
Por la configuración de este tipo de barrena, el fondo del agujero se encuentra
junto a las vías de circulación para crear restricciones al flujo, y así forzar el fluido
de perforación a través del diamante para limpiar y enfriar la barrena y a la vez
cortar la roca por fricción y compresión. Por lo general entre más dura y más
abrasiva sea la formación más pequeños será el diamante que se debe usar en la
barrena.
Códigos IADC para barrenas de cortadores fijos
Se desarrolló un sistema de codificación para las barrenas de cortadores fijos:
Diamante natural, compactos de diamante policristalino (PDC) o de diamante
térmicamente estable (TSP).
1. Tipo de cortadores
2. Material del cuero de barrena
3. Perfil de la barrena
4. Diseño hidráulico para el lodo
5. Distribución del flujo
6. Tamaño de los cortadores
7. Densidad de los cortadores
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En función de la identificación con el código IADC, existen por lo menos 5
aspectos fundamentales en el diseño de barrena de diamante.
Forma de los cortadores
Angulo de inclinación lateral y retardado
Tipo de protección al calibre
Longitud de la sección del calibre
Son factores importantes para los trépanos de diamante, y el código da una idea
del tipo de barrena y identificar sus características.
Barrenas de diamante natural
Al igual que los otros tipos de diamante, tiene cuerpo fijo y el material puede ser
del matriz o de acero. El tipo de flujo es radial o de contramatriz, y el tipo de
cortadores es de diamante natural, con diferente densidad y el diseño.
El uso de estas barrenas es limitado en al actualidades salvo en casos especiales
para perforara formaciones muy duras, cortar núcleos de formación con coronas
de diamante natural.
Las barrenas desviadoras para desviar pozo en formaciones muy dura.
El mecanismo de corte de este tipo de barrena es por fricción arrastre, lo cual
genera altas temperaturas. El tipo de diamante utilizado para su construcción es el
diamante es forma natural y no comercial; el tamaño varía de acuerdo con el tipo
de diseño: entre más dura y abrasiva sea la formación, más pequeño será el
diamante a usar. Los diamantes son redondos pero de forma irregular.
El diamante natural es una forma cristalina y pura de carbón con una estructura de
cristal. Es el material más duro hasta ahora conocido y en su forma natural el 80%
de los diamantes es para uso industrial, y el 20% son para gemas de calidad tras
varios procesos de limpieza y depuración.
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Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP)
El diseño de las barrenas de diamante térmicamente estable, al igual que las de
diamante natural, es de un solo cuerpo sin partes móviles. Son usadas para rocas
duras como caliza dura, basalto y arenas finas duras. Son poco más usadas para
la perforación convencional que las barrenas de diamante natural.
El uso de las barrenas TSP también es restringido porque al igual que diamante
natural tiene dificultad en su uso por restricciones de hidráulica. Las vías de
circulación están en contacto directo con la formación, se genera altas torsiones
en la tubería de perforación por rotación de las sartas aunque se puede usar
motores.
Este tipo de barrena usa como estructura de corte, diamantes sintéticos en forma
de triángulos pequeños no redondos, como es el caso del natural. La densidad,
tamaño y tipos son características que determinan cada fabricante.
Con estas barrenas se puede cortar núcleos y desviar pozos cuando lo amerite la
formación.
Las barrenas TSP fueron diseñadas con diamante sintético por General Electric, la
cual diseño para obtener 100000 psi y de 70000 ‘F.
Barrenas de compacto de diamante policristalino (PDC)
Las PDC pertenecen al igual que barrenas TSP, utilizando diamante sintético. Su
diseño de cortadores está hecho con diamante sintético en forma de pastillas
(compacto de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la barrena,
pero a diferencia de las barrenas de diamante natural y las TSP, su diseño
hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas
tricónicas.
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El mecanismo de corte de las barrenas PDC es por arrastre. Por su diseño
hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda y además, por
sus buenos resultados en la perforación rotatoria, este tipo de barrena es la más
utilizada en la actualidad para la perforación muchas ventajas económicas por su
versatilidad.
Por su diseño y características, las barrenas PDC cuentan con una gran gama de
tipos y fabricantes, especiales para cada tipo de formación: desde muy suaves
hasta muy duras y en diferentes diámetros según el diseño de los pozos.
Además, estas barrenas pueden ser rotadas a altas velocidades, utilizadas con
turbinas o motores de fondo, con diferentes pesos sobre barrena y por su alta
resistencia, así como fácil manejo según las condiciones hidráulicas.
La experiencia de campo con estas barrenas ha creado entre el personal operativo
la creencia de que contribuyan al incremento del ángulo de desviación del pozo.
Esto no ha sido comprobado totalmente; los cierto es que la teoría de fabricación
de estas barrenas es de efecto contrario, pues por su cuerpo fijo, tiende a la
estabilización del pozo.
Una desventaja de este tipo de barrenas son los problemas de acuñamiento en
formaciones deleznable y en pozos en donde se debe repasar el agujero por
constantes derrumbe de la formación.
Este fenómeno contribuye a que la formación las atrape más fácilmente que una
barrena tricónicas.
Una secuencia lógica para la selección adecuada de una barrena PDC contempla
los siguientes pasos:
a) Obtener información de los pozos prospecto: identificar el objetivo del pozo,
diámetro del agujero, datos del intervalo a perforar, tipo de formación,
contacto geológico, litología, condiciones y requerimientos especiales del
pozo, determinación de restricciones e indicaciones de la perforación.
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b) Selección la estructura de corte, cuerpo y perfil de la barrena: identificar el
tipo, tamaño, densidad, distribución e inclinación de los cortadores.
También el tipo de perfil y cuerpo de la barrena lo cual ayudara a la óptima
estabilización y agresividad durante la perforación:
c) Elaborar análisis económicos: identificar la ganancia o ahorro esperado con
el uso de este tipo de barrenas con base en el costo por metro y
rentabilidad económica, entre otros.
d) Seleccionar el diseño hidráulico: identificar la hidráulica óptima para
perforar, así como el tipo de fluido de control usado, con base en la limpieza
de los recortes y el enfriamiento de la barrena.
Barrenas especiales
Barrenas desviadoras
Barrenas mono cónicas
Barrenas especiales
Las barrenas de chorro desviadoras a veces se emplean para la perforación
direccional de formaciones blandas durante operaciones de desviación del
agujero. La tubería de perforación y la barrena especial son bajadas dentro del
agujero; y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión
de las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en un dirección especifica.
Una barrena considerada para trabajar en condiciones especiales es la barrena
para perforar con aire. Las barrenas a chorro de aire están diseñadas para la
perforación con aire, gas o neblina como medio de circulación.
Estas barrenas están provistas de conductos para circular parte del aire, gas o
neblina a través de los cojinetes no – sellados, con el fin de enfriarlos y
mantenerlos limpios. Los filtros de tela metálica colocados sobre la abertura de la
entrada de aire evitan que los ripios, u otras materias extrañas, obstruyan a los
cojinetes.
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Además existen otros tipos de barrena especiales que, como su clasificación lo
indica, se usan para operaciones muy específicas y, por lo tanto, no se considera
su análisis económico comparativo para su aplicación directa. Entre estas se
puede mencionar: las barrenas ampliadoras, las barrenas para cortar tuberías de
revestimiento, barrenas para perforar diámetros demasiado grandes o pequeños,
con aplicación de tubería flexible.
SELECCION DE BARRENAS
Las consideraciones principales para seleccionar una barrena son:
Geología
o Propiedades de la formación
Fuerza de compresión
o Se refiere a la fuerza intrínseca de la roca, la cual está basada en su
composición, método de deposición y compactamiento.
o Es importante considerar la fuerza compresiva, “confinada” o “en
sitio”, de una formación dada. Muchos fabricantes de barrenas,
proveen ahora un servicio suplementario de análisis de resistencia
de rocas, como ayuda para la selección de barrenas.
Elasticidad
o Afecta la forma en la que la roca falla. Una roca que falla en forma
“plástica”, más que fracturarse, se deformará.
Abrasión
o Acción mecánica de rozamiento y desgaste que provoca la erosión de un
material o tejido.
Presión de sobre-carga
o Afecta la cantidad de compactación de sedimentos y por lo tanto la
dureza de la roca.
Atrapamiento
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Presión de los poros
o Afecta los requerimientos de peso del lodo y puede afectar la
velocidad de perforación.
Porosidad y Permeabilidad
o Cambios de formación dentro de una sección dada del agujero.
Las formaciones a ser perforadas y las profundidades predichas de los cambios de
formación, serán dados en el programa de perforación y formarán la base de la
selección de barrenas.
Para la perforación de evaluación/desarrollo, se conocerá mucho sobre las
propiedades de las formaciones pronosticadas y la selección de barrenas
estará basada en el desempeño de la barrena en pozos vecinos (o de
prueba) junto con la data de registro electrónico (sónico, rayos gamma,
etc.), datos de registro de lodo, muestras de núcleo, etc.
Para la perforación de exploración, probablemente se conocerá poco de la
perforabilidad de las formaciones que probablemente sean encontradas y
por lo tanto será desarrollado un programa de barrenas más conservativo.
En estas situaciones es prudente cargar una variedad más amplia de
diseños de barrena, para cubrir todas las eventualidades.
Tamaño del agujero y programa de tuberías de revestimiento.
Perfil direccional de la trayectoria del pozo y navegabilidad del diseño de
barrena.
Tipo de transmisión (Rotaria / Rotaria Navegable / Motor de Lodo / Turbina).
Propiedades del fluido de perforación
Hidráulica
Capacidades del equipo de perforación
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Información Preliminar para la Selección de las Brocas
En la selección de la broca adecuada para perforar una determinada formación se
deben analizar un gran número de variables que interactúan entre sí.
Por esta razón es indispensable conocer:
· La evaluación del desgaste de las brocas previamente empleadas.
· Los rendimientos de las brocas obtenidos en pozos vecinos.
· Los registros geofísicos de pozos vecinos y del mismo pozo (si se tienen).
· El software especializado en cálculo y análisis para la selección (hidráulica).
· Las propiedades de los fluidos de perforación por emplearse en función de la
broca elegida.
· La columna litológica de las formaciones a perforar.
Registro de brocas
En cada pozo se lleva un registro de las brocas utilizadas con la finalidad de
conocer los detalles del trabajo cumplido en cada corrida, para determinar los
factores que mejoraron o redujeron el desempeño de la perforación y usarlos en
una próxima corrida. Dichos factores son:
· Condición de la broca anterior que se corrió en el pozo, por ejemplo, broca nueva
o reutilizada.
· Parámetros operacionales de la corrida anterior
· Recomendaciones y observaciones sugeridas en la perforación de dichos pozos.
Metodología para la selección del tipo de barrena: tricónicas o de cortadores
fijos
La primera disyuntiva que el ingeniero de diseño enfrenta es la de elegir una
barrena tricónicas o una de arrastre.
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La revisión de la literatura indica que no existe un criterio normalizado sobre cómo
seleccionar el tipo de barrena, por lo que generalmente se hace a partir de
experiencias del comportamiento de cada tipo de barrena en litologías conocidas.
Por lo tanto, aquí se propone la siguiente metodología para este trabajo.
Inicialmente, es necesario recopilar información de pozos de correlación, sobre
todo registros de barrenas y registros geofísicos (sónico –bipolar, de preferencia–,
de densidad, y de rayos gamma).
Existen diferentes tipos y presentaciones de registros de los cuales se puede
obtener la información necesaria.
Se propone el método de energía mecánica específica (ES) como criterio de
apoyo para decidir qué tipo de barrena seleccionar: tricónicas o de cortadores
fijos.
Debido a que la energía mecánica específica no es sólo una propiedad intrínseca
de la roca, sino que está íntimamente ligada con las condiciones de operación de
la barrena, (ES) proporciona una medida directa de la eficiencia de la barrena en
una formación particular.
La energía mecánica específica se define como la energía requerida para remover
una unidad de volumen de roca, y se calcula de acuerdo con la siguiente
expresión.
Selección de la barrena tricónicas óptima usando información de registros
geofísicos.
Si se decidió utilizar una barrena tricónicas, el diseño parte de calcular el UCS
(esfuerzo compresivo de la roca sin confinamiento), el cual es definido como la
resistencia que una muestra no confinada de roca tiene bajo esfuerzos
compresivos.
Los valores de UCS calculados se comparan con los rangos de aplicación de las
barrenas PDC proporcionados por el fabricante para seleccionar la barrena con la
dureza suficiente para vencer la resistencia de la roca.
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Existen diferentes criterios para el cálculo del UCS. A continuación se presenta la
metodología para calcularlo a partir de información de registros geofísicos.
Existen otros métodos para calcularlo, como el modelo de Smorodinov, y por su
simplicidad es presentado en a continuación como alternativa de cálculo.
Cálculo de UCS mediante el Modelo de Smorodinov
Smorodinov y asociados determinaron dos relaciones entre el esfuerzo
compresivo de la roca para un grupo de rocas carbonatadas: uno en función de la
densidad de la formación y el otro en función de la porosidad. Ellos propusieron
que la resistencia a la compresión de la roca (UCS) puede relacionarse con la
densidad y porosidad de la siguiente forma:
UCS = 0.88exp (2.85ρ R) (A1)
UCS = 2590exp (− 0.91φ) (A2)
Donde R ρ es la densidad y φ es la porosidad de la formación.
La selección de barrenas con base en registros geofísicos usa la relación que
existe entre la litología de la formación y la resistencia a la compresión de la roca.
A continuación se presenta el método de selección de barrenas tricónicas con
base en el esfuerzo compresivo sin confinamiento UCS.
CONCLUSIÓN
Para perforar un pozo, la información que se puede obtener de los pozos
vecinos como: litología, parámetros operacionales, registros geofísicos, entre
otros; es de vital importancia para diseñar el programa de brocas más óptimo.
Además de estos datos otra consideración importante es el perfil direccional
del pozo con el cual se puede determinar el trabajo a realizarse tanto en
inclinación (construcción, tangente o tumbado) como en dirección (azimuth).
Por ello la selección del tipo de broca se facilita conociendo dicha información lo
que permitirá además establecer la estructura de corte más adecuada.
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Anexos
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