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Trépanos
Es la herramienta de corte que se utiliza para construir el pozo. Los 1° trépanos que se utilizaban, cuando se comenzó a perforar por el sistema rotary eran trepano de arrastre. Estos eran una pieza aproximadamente cilíndrica con cortadores de acero endurecido en el frente de ataque y en la periferia.
Algunos modelos eran similares
a colas de pescado. Estos
trépanos, para perforar clavan
las cuchillas en el fondo y por
rotación van arrancando el
terreno. El principal problema
que se presentaba con estos
trépanos era la rotura de las
cuchillas, u de otro elemento de la columna. La invención del trepano de conos dio un gran empuje a la perforación por el método rotary.
Clasificación de los trepano
Se clasifican en 2 grandes grupo:
Trépanos de cono
Trépanos de arrastre
Dentro de los trépanos de cono que actualmente se usan están los monoconos, triconos y multiconos (estos últimos se utilizan casi exclusivamente en obras civiles como construcción de túneles o perforar para colocar pilares de puentes)
Trépanos monoconos: estos se los utilizan para perforar pozos de gran diámetro con equipos que no cuentan con capacidad de bombas necesarias, para perforar con el caudal que requieren estos diámetros.
En la perforación se circula en sentido
inverso a lo normal, para lo cual se coloca
en superficie una válvula rotativa que nos
permite ingresar al pozo por el espacio
anular y regresar por el interior del sondeo,
con lo que la superficie por la cual debe
circular el cutting en el retorno es la
superficie interior de la herramienta, con
lo que con poco caudal se consigue la
velocidad ascensional necesaria.
Trépano multiconos: se usan en construcciones civiles. Por ej. para pilotes de puentes
Trépanos triconos: Son los trépanos más comunes. Para su estudio tendremos en cuenta:
- La estructura de corte - La estructura de rodamiento
De acuerdo a la estructura de corte, pueden ser de dientes tallados en el cono o de insertos de carburo de tungsteno “embutidos “o “engarzados” en los conos.
Está compuesto de 3 conos. Cada cono tiene de acuerdo al tipo de trépano tres o cuatro coronas de dientes.
La zona de calibre es la zona de la
hilera más interna del trépano.
Los tres conos del trépano se los
conoce por un número, cono1,
cono2 y cono3. El cono1 se
distingue porque en la nariz
lleva una punta de flecha.
El cono2 lleva una corona de
dientes y el cono3 no lleva
nada
En la estructura de corte hay trépano de dientes y trépano de insertos, la característica básica en los trépanos a dientes es que tienen mayor velocidad de penetración que los trépanos a insertos. Los trépanos de insertos tienen mayor duración que los de dientes. Para perforar profundidades someras la elección es un trépano a dientes. Los trépanos a insertos se utilizan cuando la profundidad es mayor.
Cada cono tiene de acuerdo al
tipo de trépano tres o cuatro
coronas de dientes.
La zona de calibre es la zona de
la hilera más interna del trépano.
El tamaño del cono del trépano básicamente depende del diámetro del trépano aunque por facilidades constructivas, tienen el mismo diámetro del cono. Por ejemplo: un trépano de 7 7/8’’, uno de 8 ½” y 8 ¾ “ tienen el mismo diámetro de cono.
Los trépanos de dientes para formaciones blandas son de dientes más grandes, y por consiguiente tienen menor número de dientes.
Los trépanos para formaciones más dura, tienen los dientes más chicos y en mayor cantidad.
En los primeros trépanos triconos, los dientes son tallados en el acero del cono, al principio eran tallados sin revestimiento. En esa época los cojinetes eran de rodillos y bolilla, y se lubricaban con el lodo de inyección. (trépanos de conos abiertos)
Así los cojinetes duraban más. Se empezó a revestir los dientes con Carburo de Tungsteno. El primer paso fue revestir la cresta y la cara de ataque con lo que empezó a aumentar la vida útil del diente. No se revestía todo el diente porque es necesario que tengan un núcleo blando para que no sea frágil y se rompa, y el exterior debía ser duro.
Debido a que el núcleo debía ser blando, el diente se hacía de un acero maleable (blando). Como se recubría solo dos caras, el lodo erosionaba la parte de atrás del diente y se quebraba, entonces se revistieron todas las caras de los dientes.
Después aparecieron unos insertos de Carburo de Tungsteno a la vuelta del cono, eso se llamó protección del calibre, que lo protege contra el desgaste.
Los primeros insertos eran tipo cincel. Con el tiempo, fue cambiando el diseño y ahora la mayoría son como uñas para producir un efecto de paleo. Actualmente para la protección de la zona de calibre en los trépanos a insertos, los insertos son de diamante y no de carburo de Tungsteno, y en algunos casos son intercalados.
Trépano de incertos largo
Para terrenos blandos
Trépanos de incertos cortos
Para terrenos duros
Clasificación de acuerdo a la estructura de rodamiento
- Trep. de cojinete abierto - Trep. autolubricados
Los primeros trépanos triconos que se construyeron, eran trépanos de “cojinetes abiertos” es decir, la lubricación se efectuaba por el mismo lodo de perforación. Estos trépanos tenían sus tres conos que rodaban sobre sendos pares de cojinetes, uno de rodillos o principal y otro de bolilla o de nariz.
Luego aparecieron los trépanos auto lubricados que trajo como consecuencia que los cojinetes tenían una vida útil mucho mayor que la estructura de corte. Entonces se recubrió los dientes de los conos con carburo de tungsteno para obtener una mayor dureza superficial de los dientes, también se comenzó a reemplazar los dientes por insertos de carburo de tungsteno que se colocan a presión en el cono. Al aumentar la durabilidad de la estructura de corte empezó a gastarse el cojinete de rodillo (principal) por la utilización de altas cargas sobre el trepano. Esto llevo a la necesidad de reemplazar el cojinete de rodillos por cojinetes de fricción o buje, reemplazando al cojinete de rodillos por un buje de aleación de bronce y plata que tiene un bajo coeficiente de fricción.
El menor desgaste de estos cojinetes se debe al aumento de la superficie sobre la que actúa la carga sobre el trepano (un rodillo asienta sobre líneas de contacto y un buje asienta sobre la mitad de un cilindro, por lo que a igualdad de cargas la presión es muy inferior)
A continuación de esta mejora se comenzó a notar fallas frecuentes en el cojinete de nariz por lo que se reemplazo este otra vez por un cojinete de fricción llamado Crapodina.
Luego de todas estas mejoras
las fallas se ubicaron en la
duración de los sellos, al fallar
estos el trepano perdía el
lubricante y se deterioraba
rápidamente, por lo que se
reemplazo el sello por dos
superficies metálicas
endurecidas y finamente
pulidas eliminándose la
parte de “goma sintética
(elastómero)” de sello.
La ultima mejora en el diseño de estos trépanos se dio con la aparición del Cojinete flotante en el cual el buje del cojinete principal no va clavado sobre el cono ni sobre el eje, permitiendo que el rodamiento se efectúe sobre ambas caras, con este sistema teóricamente podríamos duplicar las revoluciones del trepano, es decir, si antes se deterioraba después de un millón de revoluciones ahora podía durar 2 millones de revoluciones, Esto es un caso ideal , pero tenemos que recordar que va a durar más de un millón. Trépanos autolubricados, tienenUn sello que evita que el lodoIngrese y en la pata un depósitoDe grasa que por canal lubricaLos cojinetes (grasa de altaDuración: sulfuro de mb)
Reservorio de grasa
Canal de lubricación
Crapodina
Boquilla
Sello
Cojinete de fricción
Diafragma Flexible
o pistón
Diseño para mejorar la penetración – Off Set
En la rotación del trepano, los conos deben rotar sobre distintos centros de manera que la trayectoria que describan los conos sean distintas evitando de esta manera de que el cono 2 o 3 sigan el camino del cono 1 ya que de esta manera en lugar de
encontrar el terreno virgen encontrarían el terreno que corto el cono 1. Esto se consigue haciendo que los 3 ejes no se corten en un punto, sino que la intersección de los 3 nos determine un triangulo. Esto se consigue haciendo que los 3 ejes no se corten en un punto, sino que la intersección de los 3 ejes determina un triangulo. Este triangulo será mayor cuando más blando sea el terreno a perforar y será menor hasta anularse para terrenos muy duros, esta característica se la denomina OFF SET.
Construcción
Se parte de tres piezas de acero forjado, luego de maquinado el eje de los conos el depósito de lubricantes, canales, etc se arman cada uno de los conos y luego se colocan en una matriz que losmantiene en una posición correcta para soldar las tres patas. Terminada esta operación se maquina la rosca del pin y el espejo quedando el trepano listo para su uso. A los efectos de evitar el desgaste de los dientes del trepano estos se recubren con carburo de tungsteno quedando el alma de los dientes de acero dúctil, de esta manera obtenemos los dientes con superficies endurecidas resistentes al desgaste pero con el interior dúctil evitando que se quiebren los mismos por impactos que sufren durante la perforación.
Trépano de arrastre
Existen en la actualidad dos grupos de sistemas de arrastre:
- Los impregnados - Los PDC (policristalinos)
Los trépanos impregnados tienen una matriz de una aleación dura de acero conocida como matrix sobre los cuales se insertan granos de diamantes artificial de distintos tamaños (el tamaño de los diamantes se los individualiza por el numero de caras).Estos trépanos tienen un agujero central y canales que distribuyen el lodo en toda la periferia del trepano de manera de evitar que en alguna zona haya un roce seco del trepano con la formación evitándose de esta manera un sobrecalentamiento que produce un rápido deterioro del trepano. Estos trépanos cortan por abrasión (similar a una piedra esmeril) por lo que no se caracterizan por una alta velocidad de penetración, pero si por un gran durabilidad son muy recomendados para terrenos muy duros y grandes profundidades donde el tiempo de maniobra para el cambio de trepano encarecería las tareas.
La estructura de corte de los trépanos PDC, es un cuerpo de carburo de tungsteno con una deposición de diamante industrial o artificial en el frente de ataque. El proceso de deposición de esta película es el procedimiento patentado por general electric. Estos trépanos no tienen un agujero central como el anterior, sino varios orificios distribuidos estratégicamente donde se colocan boquillas de manera de utilizar la energía hidráu-lica del lodo para mejorar la penetra-ción. El corte de estos trépanos es por arranque de virutas, como una garlopa (como cepillo de carpintero).Estos trépanos además de una larga vida útil tienen una muy buen velocidad de penetración, bien seleccionado y con condiciones correctas de perforación supera ampliamente la velocidad de penetración de un tricono equivalente.
0.5 mm PDC
3 mm carburo de tungsteno
Predicción del desgate
El trepano tricono sufre desgaste de la estructura de corte y de la estructura de rodamiento. Por el desgaste de la primera perderemos velocidad de penetración, lo complicado se presenta con el desgaste de la estructura de rodamiento ya que en ciertos casos este desgaste es tan severo que pueden quedar en el fondo del pozo los conos produciendo maniobras de pesca para
limpiar el pozo y luego recién se puede continuar perforando. Veamos que variaciones tenemos debido al desgaste de las dos estructuras.
Por el desgaste de la estructura de corte el trepano “muerde” menos el terreno del fondo, lo que se nos traduce en un rodamiento más fácil del trepano, por lo que notaremos una tendencia a disminuir el torque de rotación.
Al contrario por el desgaste de la estructura de rodamiento, los conos pierden centricidad con sus ejes por lo que el rodamiento de los conos se hace más dificultoso, observaremos en superficie un aumento en el torque de rotación.
Como vemos el desgaste de las dos estructuras que suceden
simultáneamente producen efectos contrarios, lo que debemos predecir cuál de las dos estructuras se está gastando más. Para ello con el trepano nuevo ponemos a girar la mesa con vueltas reducidas, por ejemplo 60 RPM y aplicamos una carga también reducida (no más de la mitad de la carga limite del trepano) y anotamos el torque de la mesa rotary, se toma alguna otra medida con otro valor de carga.
Durante el funcionamiento del trepano, cuando tengamos duda del desgaste del mismo lo ponemos a trabajar al trepano con las condiciones que habíamos puesto al principio, si el torque sigue una ley ascendente es señal de que los cojinetes se están gastando más rápidamente que la estructura de corte por lo que debemos controlarlo más seguido para sacarlo antes que pierda los conos. Si por el contrario la ley de variación del torque es
descendente indica que la estructura de corte se está gastando más rápido que los cojinetes.
Código IADC
El instituto americano de contratistas de Perforación (Instituting
American Drillrng Contractor) clasifica a los trépanos con un código de numero y letras con las caracteristas de terreno para el cual este trepano es más apto. La norma separa los trépanos en grupo para terrenos muy blandos, blandos, medianos, etc.
Por supuesto, dado que continuamente se crean nuevos diseños de trépanos y caen en desuso otros, estas tablas de clasificación se van renovando periódicamente.
Clasificación del desgaste de los trépanos
El IADC codifico la valorización del degaste de los trépanos, esta norma reconoce las zonas del desgaste, la forma de valorizarlo, el motivo probable del desgaste y las causas por las cuales se lo extrae al trepano. En las tres primeras columnas se coloca el desgaste de la estructura de corte.
La valorización del desgaste se hace en octavos del tamaño entero (se pone en la 1° columna), así por ejemplo si el diente de un trepano se gasto la mitad se lo clasifica como 4 (que significa 4/8). En el caso de los trépanos policristalinos el desgaste total (8/8) de un cortador es cuando se gasto hasta el diámetro, es decir, media pastilla. En la segunda columna se coloca la ubicación del desgaste (en el calibre, en el centro, nariz o todo). En la tercera columna se pone la característica principal del desgaste
(astillado,
partido,
perdido,
gastado).
En los trépanos PDC (Policristalinos)
El desgaste total 8/8 es hasta la
mitad, ya que la otra mitad se
Encuentra incrustada.
A continuación en la siguiente columna va la perdida de calibre del trepano. Para esto se mide el calibre con un calibre normalizado. Este calibre es un aro de chapa en el cual el espesor del mismo es función del diámetro estándar del trepano, en el lateral del mismo lleva estampado el diámetro del trepano para el cual se usara y la
sigla API
La medida del desgaste del calibre en un trepano tricono se realiza asentando el calibre en dos conos y midiendo la separación del calibre con el tercer cono, por lo que la medida que tomamos es la suma del desgaste de los tres, es decir, la perdida de radio será igual a un tercio de la diferencia leída.
Como en la planilla de desgaste colocamos la perdida de diámetro y no la de radio se deberá multiplicar por dos ese valor, o sea, al valor des desgaste leído lo multiplicamos por 2/3 para obtener el valor que asentaremos en la planilla de registro.
En la siguiente columna se sitúa el desgaste de los cojinetes.
Antiguamente se valorizaba el desgaste de los cojinetes en octavos. Con la aparición de los trépanos con sellos metálicos ya no se valoriza el desgaste de los cojinetes sino el estado de los sellos, si los sellos salieron en buen estado se los clasifica con la letra E (efectivo), si están fallados con la letra F y con la letra X si se trata de un trepano de arrastre, es decir, que no tiene cojinetes.
En la siguiente columna se colocan otros desgastes significativos por ejemplo, patas rayadas, boquillas erosionadas, conos arrastrados, conos partidos o cualquier otro desgaste significativo.
En la última columna se coloca las causas de la extracción (baja penetración, final del tramo, perfiles - loging - , fallas del equipo, causas climáticas u otros inconvenientes).
Planilla estandarizada
Hilera exterior o hilera interior: Usada para reportar la condición de los elementos de corte que tocan o no tocan la pared del hueco. Se pone los octanos por ej. 2
Característica del desgaste: Usa un código de dos letras para indicar la mayor característica de desgaste de la estructura de
corte. Por ej. CC= cono perdido, BU= trépano embolado, etc.
Ubicación: Usa un código de letra o número, es donde está ubicado el desgaste mas representativo. Por ej. G: calibre
Cojinetes/sellos: para indicar la condición del ensamblaje de los cojinetes y sellos. Para Cojinetes Sellados: E – Sello efectivo,
F – Sello fallado, N – Imposible de calificar
Calibre: reporta el diámetro del trépano. Al desgaste lo ponemos en mm o en fracciones de pulgada.
Otros: hace referencia a otros desgastes relevantes. Con código de dos letras. Por ej. BC - Cono Roto, LT - Inserto Perdido
BT - Diente o Inserto Roto, OC - Fuera de Centro, CC – Cono fisurado, CD - Cono Arrastrado, PN - Boquilla Tapada
Motivo de extracción: Se pone la razón por la que se saca el trépano. BHA - Cambio de Ensamblaje de Fondo, CM - Condiciones del Lodo, CP - Punto de Corona, DMF - Falla en el Motor de Fondo, DP - Sarta Taponada, DSF - Falla en Sarta de Perforación, DST - Prueba de Sarta, DTF - Falla en la Herramienta de Fondo, FM - Cambio de Formación, HP - Problemas en el Hueco, HR - Horas sobre la Broca, LIH - Abandonar el Hueco, LOG - Corrida de registros, MWD - Falla en MWD, PP - Presión de la Bomba, PR - Rata de Penetración, RIG - Reparación del Equipo, TD - Profundidad Total / Profundidad de Casing, TQ – Torque, TW – Giro, WC - Condiciones Climáticas, WO - Lavado en la Sarta de Perforación
Saca testigos
En la perforación de pozos de cateo minero se realiza toda la operación perforando y recuperando una columna testigo que nos muestra cual es la forma con la que se depositaron los sedimentos en la tierra.
En el caso de la perforación petrolera, sobre todo en los pozos de exploración, cuando se perfora la zona de interés, se perforan algunos tramos recuperando el terreno para estudiar de qué forma se depositaron los sedimentos.
Para ello se utiliza un tubo especial que recoge el testigo en la forma que está bajo superficie. Describiremos la herramienta y el procedimiento.
Tubo saca testigo
Es un tubo de aproximadamente 30 ft de largo, que tiene un estabilizador en la parte superior.
El tubo tiene el diámetro exterior de los PM que estamos utilizando para perforar, pero el diámetro interior, es mucho menor (como si fuera una barra de sondeo), por esta razón se colocan los estabilizadores para evitar que el tubo se pandee cuando se le aplica el peso de los PM que están sobre él.
En la parte interior de este tubo, lleva otro tubo que va sujeto al anterior por medio de rodamientos inferiores y superiores, este tubo es el tubo porta testigo, debido a la presencia de los rodamientos por más que este gire con la columna perforadora, el tubo porta testigo interior no gira.
En la parte inferior del tubo porta testigo se enrosca la corona, que va perforando todo el terreno excepto la parte central, esta parte queda entera y a medida que avanzamos se va introduciendo en el tubo porta testigo.
Cuando avanzamos lo 30 ft del tubo, el porta testigo queda lleno con el testigo cortado, de allí se maniobra para cortarlo del terreno y se saca recuperando la columna del terreno de la misma manera que estaba bajo superficie.
