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Un nueva visión de las barrenas de cortadores fijos

El objetivo de los perforadores de todas partes del mundo es perforar con la mayor

rapidez posible, desde la zapata de la tubería de revestimiento hasta la profundidad

de entubación, sin comprometer la calidad del pozo. La barrena que debe tolerar

variaciones litológicas, la resistencia a la compresión de las formaciones y muchos

otros factores, es esencial para alcanzar este objetivo. Una nueva barrena, provista

de elementos de corte de diamante cónico distribuidos a través de su cara,

está logrando longitudes de carreras extendidas y velocidades de penetración

incrementadas a través de formaciones desafiantes. Además, esta barrena

proporciona tasas de incremento angular más altas y una respuesta balanceada

sobre direccionamiento en las aplicaciones de perforación direccional.

Michael AzarWiley LongAllen WhiteHouston, Texas, EUA

Chance CopelandMidland, Texas

Ryan HemptonCimarex Energy CompanyMidland, Texas

Mikhail PakMoscú, Rusia

Traducción del artículo publicado en Oilfield Review 27, no. 2 (Septiembre de 2015).Copyright © 2015 Schlumberger.Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Diane Jordan, Houston.IDEAS, ONYX 360, StingBlade y Stinger son marcas de Schlumberger.

1. Ortiz B, Casallas C y Parra H: “Improved Bit Stability Reduces Downhole Harmonics (Vibrations),” artículo IADC/SPE 36413, presentado en la Conferencia y Exhibición de Tecnología de Perforación de la Región del Pacífico Asiático de las IADC/SPE, Kuala Lumpur, 9 al 11 de septiembre de 1996.

2. El movimiento en forma de remolino de la barrena se produce cuando el eje de rotación de una barrena no se encuentra alineado con su centro físico. Por el contrario, uno de los cortadores pasa a ser el centro instantáneo de rotación, de manera tal que la barrena rota alrededor de este punto de contacto en vez de rotar alrededor de su centro. A medida que la barrena rota alrededor de este punto de contacto, la fricción entre la pared del pozo y la barrena aumenta y el torque dentro de la sarta de perforación también se incrementa, lo cual puede hacer que la barrena se mueva en reversa con respecto a la rotación de superficie de la sarta de perforación, o lateralmente, generando cargas de alto impacto sobre la barrena y el conjunto de fondo (BHA).

Para obtener más información sobre el movimiento en forma de remolino de la barrena, consulte: Centala P, Challa V, Durairajan B, Meehan R, Páez L, Partin U, Segal S, Wu S, Garrett I, Teggart B y Tetley N: “El diseño de las barrenas: Desde arriba hasta abajo,” Oilfield Review 23, no. 2 (Diciembre de 2011): 4–19.

Brett JF, Warren TM y Behr SM: “Bit Whirl: A New Theory of PDC Bit Failure,” artículo SPE 19571, presentado en la 64a Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE, San Antonio, Texas, EUA, 8 al 11 de octubre de 1989.

3. Allamon JP, McKown T, Hill D, Brooks BA, Bayoud BB y Winters WJ: “Diamond Bit Handling and Operation,” artículo SPE/IADC 16144, presentado en la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC, Nueva Orleáns, 15 al 18 de marzo de 1987.

El precio de penetrar ciertas formaciones se paga con impactos y vibraciones de las herramientas de fondo de pozo, velocidades de penetración lentas y barrenas dañadas. Las areniscas duras o abrasi-vas, las arenas y las lutitas interestratificadas, los conglomerados y los carbonatos que alojan fta-nita y arcillas que contienen pirita son especial-mente resistentes para las barrenas de perforación. Los encuentros con estos tipos de formaciones pueden obligar a los perforadores a salir del pozo para reemplazar la barrena dañada por otra de mayor resistencia.

Los diamantes, uno de los materiales más duros del mundo, se utilizan en aplicaciones de perfora-ción aproximadamente desde el año 1910, en que se emplearon por primera vez en las barrenas de extracción de núcleos. A comienzos de la década de 1920, fueron incorporados en las barrenas de perforación de diámetro completo y en la década de 1970, los diamantes sintéticos con enlaces de carburo de tungsteno, condujeron al desarrollo de las barrenas de cortadores fijos de un compuesto policristalino de diamante (PDC). Los avances posteriores registrados en la ciencia de los mate-riales y en los procesos de manufactura se traduje-ron en una nueva generación de barrenas de PDC de cortadores fijos, que continúan evolucionando

para satisfacer el desafío de perforar en litologías variables y a lo largo de trayectorias complejas. No obstante, hasta los cortadores de PDC están sujetos a procesos de astillado y daños por impacto, que pueden aminorar el avance u obligar al perfo-rador a efectuar un viaje por una nueva barrena.

Si bien la velocidad de penetración (ROP) en general se incrementa después de un cambio de barrena, el tiempo insumido en el viaje de salida del pozo y de regreso al fondo, es un tiempo inac-tivo o no productivo, que no se invierte en la perfo-ración, lo que incide adversamente en la eficiencia y los costos de perforación. La manera más obvia de incrementar la eficiencia de perforación y reducir los costos consiste en perforar desde la zapata de la tubería de revestimiento hasta la profundidad de entubación siguiente lo más rápido posible y utili-zando sólo una barrena. Cuando esta situación ideal no se logra, los operadores deben optar entre permanecer en el fondo y tolerar velocidades de penetración más bajas o efectuar un viaje por una nueva barrena con el fin de incrementar la ROP. Cada opción impone un precio que hay que pagar en términos de tiempo de equipo de perforación. La selección de una barrena a menudo requiere una solución de compromiso entre la resistencia al impacto y al desgaste y la ROP.

Volumen 27, no.2 3333

En las formaciones duras, el perforador debe incrementar el peso sobre la barrena (WOB) para vencer la resistencia a la cizalladura de la forma-ción, necesaria para romper la roca y mantener una ROP aceptable. Sin embargo, el incremento del WOB también aumenta significativamente la carga sobre los cortadores, lo que puede producir el micro astillado de la tabla del diamante en los cortadores de PDC. La barrena se desgasta a medida que se incrementa la superficie plana de desgaste del cortador, lo que aumenta el calenta-miento por fricción en la interfaz existente entre el cortador y la roca, debilitando potencialmente el elemento de corte de diamante.

No sólo la perforación en formaciones de tran-sición constituye un problema, sino que además la capacidad para perforar a través de una sección curva representa un desafío significativo para las extensiones productivas en las que la rentabilidad de la producción depende de la perforación de tra-mos laterales. El incremento angular genera un torque considerable en la barrena y puede produ-cir dificultades en el control de la orientación de la herramienta en ciertas barrenas de PDC, lo que dificulta el hecho de mantener la trayectoria.

Para encarar estos desafíos, los ingenieros especialistas en barrenas desarrollaron una barrena de cortadores fijos que emplea un tipo

Dentro de las cuencas locales, la selección de la barrena depende habitualmente de la experien-cia del operador en la perforación a través de una formación en particular. Las formaciones carbona-tadas pueden caracterizarse por una amplia gama de litologías —algunas de las cuales son más fáci-les de perforar que otras— que varían entre mar-gas y calizas blandas a dolomías duras y frágiles. Las evaporitas también plantean una diversidad de desafíos, entre los que se encuentran la sobre-carga de los cortadores en las anhidritas duras, la eficiencia inhibida de la perforación en las estruc-turas de yeso laminadas, y los derrumbes en las sales solubles. Los clásticos pueden reducir la ROP si los recortes se adhieren a la barrena y obstruyen las ranuras para recuperación de detritos. Las are-niscas y las limolitas a menudo producen desgaste por abrasión. Algunas extensiones productivas se encuentran debajo de basaltos, que pueden ser par-ticularmente duros y abrasivos.

La profundidad de la formación también de- sempeña un rol importante para la selección de la barrena porque la resistencia a la compresión de la formación tiende a incrementarse con la pro-fundidad. Algunas formaciones son notoriamente duras y exhiben resistencias a la compresión osci-lantes entre 207 y 380 MPa [30 000 y 55 000 lpc] y, dependiendo del espesor, las operaciones de per-foración en estas formaciones pueden requerir varios días y varias barrenas.

La adecuación de la barrena correcta para una formación podría no resultar tan dificultosa si no fuera por el hecho de que la mayoría de las forma-ciones no son homogéneas. Con frecuencia, entre la barrena y la profundidad de entubación siguiente, se presentan litologías múltiples o mixtas. Y es la transición abrupta entre un tipo de roca y otro lo que puede producir daños en la barrena y proble-mas de durabilidad. La perforación entre una y otra litología —o entre un régimen de resistencia a la compresión y otro— puede generar grandes fuerzas de impacto instantáneas, fuerzas latera-les cíclicas y vibraciones que aceleran el desgaste y la falla de la barrena. Cuando se lleva a la super-ficie, una barrena de PDC que ha fallado por pro-blemas asociados con las vibraciones mostrará evidencias de astillado, fracturas y roturas tota-les de los cortadores; en todos los casos atribui-bles a impactos severos en la tabla del diamante de la estructura de corte de PDC.1

En la superficie, los cambios litológicos pueden registrarse como fluctuaciones del esfuerzo de tor-sión (torque) o la ROP, pero esos indicadores sólo dan una vaga idea de lo que está sucediendo en el fondo del pozo. Por ejemplo, una arenisca abrasiva dura puede producir daño o desgaste acelerado de los cortadores. Algunas formaciones de lutitas que

de otro modo serían blandas, ofrecen condiciones de perforación engañosamente duras, debido a la presencia de concreciones de calcita o nódulos de pirita, que son considerablemente más duros que la masa arcillosa en sí. Las concreciones de calcita [CaCO3] se forman a través de un proceso de depositación por disolución y su diámetro puede oscilar entre unos pocos cm y 30 cm [1 pul-gada y 1 pie]. Estas concreciones pueden exhibir resistencias a la compresión superiores a 260 MPa [38 000 lpc], en tanto que la resistencia a la com-presión de las lutitas circundantes puede rondar los 34 MPa [5 000 lpc]. De un modo similar, los pequeños nódulos de pirita [FeS2] que a menudo se encuentran en las lutitas, pueden resultar problemáticos.

La perforación en una formación caracteri-zada por la presencia de litologías mixtas puede generar una carga intensa en los cortadores y fuerzas laterales cíclicas que producen el movi-miento en forma de remolino de la barrena, lo que a su vez daña por impacto los cortadores de PDC.2 Las características de la formación, el diseño de la barrena y el rendimiento requerido de dicha herramienta determinarán si la modifi-cación de los parámetros de operación susten-tará la continuidad de la perforación o justificará la ejecución de un viaje por una barrena nueva.3

34 Oilfield Review

único de elemento de corte. El elemento de dia-mante cónico (CDE) Stinger proporciona una capa de diamante de espesor sustancialmente mayor que el de los cortadores de PDC convencionales (Figura 1).

La barrena StingBlade, provista del elemento de diamante cónico, incorpora un conjunto de ele-mentos de corte Stinger a través de su cara. Dependiendo de la aplicación, estos elementos de corte pueden colocarse en cualquier lugar situado entre el centro de la barrena y el calibre. Este arreglo de cortadores ha permitido a los opera-dores mejorar la ROP y perforar intervalos signifi-cativamente más largos que los que eran posibles utilizando las barrenas de PDC convencionales. En algunos pozos, las barrenas StingBlade lograron perforar continuamente desde la zapata hasta la profundidad de entubación en una sola carrera a través de formaciones en las que esto resultaba

imposible previamente. Además, el diseño de la nueva barrena ofrece un control mejorado de la orientación de la herramienta en aplicaciones direccionales desafiantes. El análisis siguiente se centra en la barrena StingBlade, su diseño y su rendimiento en la perforación de algunas de las formaciones más duras del mundo.

El diseño de la barrenaEl elemento de diamante cónico Stinger fue introducido inicialmente como un elemento de corte independiente, colocado en el centro de la barrena para incrementar la ROP y mejorar la estabilidad dinámica para las barrenas de PDC (Figura 2). En esta posición central, el elemento cónico fracturaba y trituraba la roca en tanto que los cortadores de PDC la cizallaban.4 El equipo de

diseño de Smith Bits reconoció el potencial para incrementar la eficiencia de perforación utili-zando múltiples elementos Stinger con el fin de romper la roca a través de una combinación de acciones de cizalladura y arado. Los ingenieros especialistas en diseño de barrenas utilizaron el análisis por el método de elementos finitos (FEA) para experimentar con la ubicación de los corta-dores CDE y modelar los cambios resultantes pro-ducidos en el rendimiento de perforación.

Los elementos cónicos se colocaron en diver-sas posiciones a través de la cara de la barrena. Este proceso de diseño produjo una estructura integral de corte más sólida en comparación con la de las barrenas de PDC convencionales de cor-tadores fijos. A medida que experimentaban con la posición del elemento Stinger en la cara de la barrena, los ingenieros especialistas en diseño reconocieron el potencial para mejorar las confi-guraciones de los diseños y las ventajas de utilizar configuraciones específicas para abordar desafíos de perforación específicos (Figura 3).

Comprobación de la hipótesisLos ingenieros especialistas en diseño llevaron a cabo una serie de pruebas de laboratorio para eva-luar el rendimiento y la durabilidad del elemento de diamante cónico Stinger. En una de las pruebas, se comparó la resistencia al impacto con respecto a la de un elemento de los cortadores de un com-puesto policristalino de diamante convencionales. Ambos elementos fueron lanzados sobre un bloque de acero templado con una fuerza de impacto de 80 000 N [18 000 lbf]. Este experimento simuló las condiciones habituales de una operación de perfo-ración transicional en la que una barrena de PDC que perfora con una ROP de 18 m/h [60 pies/h] sale de una lutita blanda y penetra en una caliza dura.

Figura 2. Elemento de diamante cónico (CDE) posicionado en el centro. Mediante la remoción de las estructuras de corte del centro de la barrena (izquierda), se genera un hueco para el CDE (derecha). A medida que transcurre la perforación, este hueco permite la formación de una pequeña columna de roca, que es fácilmente triturada por el CDE.

Figura 3. Variaciones del posicionamiento de los cortadores. Dependiendo de la aplicación, la posición de los cortadores en la barrena StingBlade puede variar desde una sola hilera y dobles hileras de cortadores CDE (izquierda) hasta hileras alternadas de cortadores de PDC y CDE (derecha).

Figura 1. Elemento de diamante cónico (CDE). El CDE Stinger (izquierda) se fabrica en condiciones de alta temperatura y alta presión que producen una capa de diamante sintético de espesor sustancialmente mayor que el de un cortador de PDC convencional (derecha). El material del compuesto policristalino de diamante del cortador cónico ha sido diseñado para proporcionar un nivel de resistencia al impacto y al desgaste por abrasión, superior al del cortador de PDC convencional (centro).

Esca

la re

lativ

a

Resistenciaal desgaste

Resistenciaal impacto

Espesordel diamante

Seccióntransversal

del CDE

Diamante

Seccióntransversal

del PDC

0

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

CDE PDC

Diamante

Sustrato

Sustrato

Volumen 27, no.2 35

4. Bruton G, Crockett R, Taylor M, DenBoer D, Lund J, Fleming C, Ford R, García G y White A: “Tecnología de barrenas de PDC en el siglo XXI,” Oilfield Review 26, no. 2 (Diciembre de 2014): 54–64.

5. Azar M, White A, Velvaluri S, Beheiry K y Johny MM: “Middle East Hard/Abrasive Formation Challenge: Reducing PDC Cutter Volume at Bit Center Increases ROP/Drilling Efficiency,” artículo SPE/IADC 166755, presentado en la Conferencia y Exhibición de Tecnología de Perforación de Medio Oriente de las SPE/IADC, Dubai, 7 al 9 de octubre de 2013.

6. German V, Pak M y Azar M: “Conical Diamond Element Bit Sets New Performance Benchmarks Drilling Extremely Hard Carbonate/Chert Formations, Perm Region Russia,” artículo SPE/IADC 173144, presentado en la Conferencia y Exhibición de Perforación de las SPE/IADC, Londres, 17 al 19 de marzo de 2015.

En el primer impacto con el bloque de acero, el borde filoso del cortador de PDC convencional sufrió daños severos (Figura 4). Por el contrario, el elemento cónico sobrevivió a más de 100 impactos con una fuerza de 80 000 N sin sufrir daño alguno. La mayor resistencia al impacto del CDE, que posee una capa de diamante más gruesa, da como resultado longitudes de carreras extendidas y velo-cidades de penetración mejoradas en ambientes con propensión a los impactos.

En otra prueba independiente de la primera, se utilizó un torno de zarandear vertical para medir la resistencia al desgaste. El elemento cónico fue bajado en un banco de pruebas rota-tivo de granito con una resistencia a la compre-sión de 207 MPa [30 000 lpc]. Después de aplicar fuerza al CDE, se midieron la profundidad de corte y la magnitud del desgaste. En comparación con un cortador de PDC estándar, el elemento cónico exhibió una mayor resistencia al desgaste

y eficiencia de corte. Por ejemplo, bajo una fuerza aplicada de 5 300 N [1 200 lbf], una profundidad de corte de 0,5 mm [0,02 pulgadas] del CDE se tra-dujo en un incremento del 70% de la eficiencia de corte y con una profundidad de corte de 1,3 mm [0,05 pulgadas], el cortador CDE fue un 35% más eficiente.5 Los resultados demostraron además que el elemento cónico disipaba el calor por fric-ción de manera más eficaz que los cortadores de PDC convencionales.

Con el fin de investigar la capacidad del ele-mento cónico para inducir la falla de la roca, los ingenieros de diseño de barrenas recurrieron al modelado FEA, que les permitió evaluar el desem-peño del elemento Stinger dentro del entorno con-trolado de un ambiente de fondo de pozo virtual. El modelado FEA demostró que el elemento de diamante cónico impone una carga puntual con-centrada para fracturar las formaciones con una alta resistencia a la compresión. Por medio de la concentración de grandes esfuerzos en el punto de contacto, el CDE incrementa la generación de fracturas en la cara de la roca y a la vez requiere mucha menos fuerza aplicada en comparación con la de los cortadores de PDC estándar.6

A través del modelado FEA, los ingenieros investigaron los efectos de los elementos cónicos sobre la estabilidad del conjunto de fondo (BHA) y la barrena mediante la comparación de las fuerzas sustentadas por los cortadores de PDC convencio-nales con las de los cortadores CDE. Entre los productos más destructivos de esas fuerzas se encuentran las vibraciones laterales y axiales.

Además de dañar el equipo de fondo de pozo, estas vibraciones generan armónicas indeseables en la sarta de perforación y desvían la energía mecánica del sistema de perforación, lo que se traduce en ROPs más bajas. El modelado indicó que el perfil balanceado del elemento de diamante cónico somete al cortador a menos fuerza lateral, lo que proporciona mayor estabilidad para el logro de carreras más largas de la barrena y a la vez mitiga los efectos de los impactos y las vibraciones para prolongar la vida útil de los componentes LWD y de direccionamiento del BHA (Figura 5).

El proceso de diseño además condujo a los ingenieros especialistas en barrenas a deducir que la acción de arado del elemento cónico podría producir menos torque que la acción de cizalla-dura de los cortadores de PDC convencionales. Para confirmar esta hipótesis, los ingenieros sometieron la barrena a pruebas extensivas, comenzando con el modelado FEA, seguido por evaluaciones efectuadas en su laboratorio de mecá-nica de las rocas. Luego, se llevó a cabo la prueba de fondo de pozo en una localización de pozo del área del Centro de Pruebas y Capacitación de Schlumberger en Cameron, Texas, EUA. En esta prueba, se comparó la respuesta direccional de una barrena StingBlade con la de una barrena de PDC convencional a medida que ambas perforaban una sección curva a través de calizas, lutitas y areniscas interestratificadas que exhibían resistencias a la compresión oscilantes entre 69 y 103 MPa [10 000 y 15 000 lpc]. Las pruebas de la barrena se lleva-ron a cabo desde puntos idénticos de comienzo de la desviación en pozos adyacentes de la misma

Figura 4. Pruebas de impactos. Un técnico prepara los cortadores para las pruebas (izquierda). Las imágenes estáticas de una película en movimiento indican que el cortador de PDC convencional (centro, elemento redondeado gris) falló con el primer impacto; el elemento de diamante cónico sobrevivió a 100 impactos sin experimentar daño alguno (derecha).

Figura 5. La estabilidad como una función de la fuerza lateral resultante. El modelado FEA muestra cómo se distribuye la fuerza lateral resultante, aplicada mediante la combinación del peso sobre la barrena con el torque en el elemento del cortador. Si se aplican a un cortador de PDC convencional (izquierda), las fuerzas (líneas anaranjadas de guiones) se distribuyen a lo largo del borde de ataque del cortador. En cambio, las fuerzas se concentran de manera más simétrica en el extremo del elemento cónico (derecha). El equilibrio de esta distribución de fuerzas laterales resultantes es clave para la reducción de las vibraciones y los impactos laterales inducidos en la barrena de perforación.

Bordede ataque

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localización de múltiples pozos, utilizando el mismo equipo de perforación, tipo de motor y perforador direccional. La barrena StingBlade logró tasas de incremento angular 23% más altas y además exhibió un mejor control de la orienta-ción, con lo que se requirió menos intervención del perforador direccional para permanecer en el objetivo (Figura 6). Las tasas de incremento angular más altas logradas con la barrena

StingBlade permitieron a esta barrena asentar la sección curva 20 m [65 pies] antes que la barrena de PDC estándar.

Perforación de la sección curva en litologías variablesEn eI Condado de Lea, Nuevo México, EUA, Cimarex Energy está desarrollando la extensión productiva de lutitas Avalón, en la cuenca de

7. Hempton R, Copeland C, Cox G, Faught J, Blackmon W, Prewitt E, McDonough S y White A: “Innovative Conical Diamond Element Bits Drill Back-to-Back Tight Curves in One Run, Improving Economics While Reducing Risk in Avalon Shale Play, New Mexico,” artículo SPE 175534, presentado en la Conferencia de la SPE sobre Cuencas Ricas en Fluidos—América del Norte, Midland, Texas, 2 al 3 de septiembre de 2015.

8. Para obtener más información sobre el cortador de rodadura ONYX 360, consulte: Bruton et al, referencia 4.

Delaware.7 En esta área, los pozos se perforan generalmente en sentido vertical hasta la caliza Bone Spring y luego se desvían con un motor y una cubierta acodada. El perforador direccional incrementa el ángulo hasta 90°, a razón de 12°/30 m [12°/100 pies], para asentar el pozo en la lutita Avalón, después de lo cual el pozo se extiende horizontalmente. La lutita Avalón contiene nume-rosas intercalaciones de carbonatos interestratifi-cados y se caracteriza por exhibir valores de resistencia a la compresión no confinada oscilan-tes entre 9 000 y 30 000 lpc [62 y 207 MPa].

La litología altamente variable plantea desa-fíos para los perforadores direccionales del tipo movimiento en forma de remolino de la barrena y vibraciones axiales, laterales y torsionales. Estos problemas hacen que el conjunto acodado del motor se desvíe del curso previsto, obligando al perforador direccional a reorientar la herramienta y ajustar la trayectoria para volver al objetivo. Cada ajuste de la orientación de la herramienta genera un tiempo adicional que no se invierte en perforar en la dirección deseada, lo que da como resultado una sección curva más larga y un mayor potencial para pasar por alto el objetivo.

En general, las barrenas de cortadores fijos estándar pueden ser afectadas por las formaciones variables, como lo demuestran el control errático de la orientación de la herramienta y la dificultad para perforar secciones curvas estrechas. En con-secuencia, los operadores de esta área habitual-mente utilizan barrenas de conos giratorios para perforar la sección curva y últimamente han recurrido a una barrena híbrida de conos giratorios de calidad superior. Este tipo de barrena produce respuestas consistentes en términos de torque para un mejor control del direccionamiento, pero también perforan con ROPs más bajas que las barrenas de PDC.

Si bien la utilización de la barrena híbrida de conos giratorios resultó exitosa, la barrena no perforó toda la sección curva de manera consis-tente y en una sola carrera. Una revisión de los registros de barrenas de nueve pozos perforados por Cimarex a ocho kilómetros de distancia de la localización del pozo objetivo mostró la termina-ción de la sección curva utilizando una barrena sólo en un 55% de los pozos y con una ROP prome-dio de 6,34 m/h [20,8 pies/h].

Figura 6. Ángulo de orientación de la herramienta. Los cambios en la orientación del motor de lodo sirvieron como un medidor del torque de fondo de pozo en las pruebas de campo efectuadas para comparar el rendimiento de la barrena de PDC con el de una barrena provista de CDEs. A pesar de los cambios de los parámetros de perforación, tales como el peso sobre la barrena, la barrena StingBlade experimentó pocas fluctuaciones del torque reactivo durante el incremento angular a través de formaciones de variada resistencia a la compresión.

3 025

3 0751800 90–90

Orientación de la herramienta, grados

Barrenade PDC Barrena

StingBlade

–180

Prof

undi

dad,

pie

s

Figura 7. Elementos de corte CDE y PDC alternados. Por medio del modelado de la acción de corte con el análisis FEA, los ingenieros especialistas en barrenas crearon un diseño de barrena StingBlade que ara y luego cizalla la roca (izquierda). Los elementos de corte Stinger forman valles separados por una pequeña dorsal (derecha). Luego, esta dorsal de roca en la que se han aliviado los esfuerzos es fácil de cizallar con el cortador de PDC.

CDE1

CDE2PDC

Volumen 27, no.2 37

Sobre la base del análisis de rendimiento y des-gaste de las barrenas en pozos vecinos, los ingenie-ros de Smith Bit evaluaron las áreas clave a través de la cara de las barrenas para determinar dónde resultaría más efectivo el emplazamiento del CDE. Mediante la utilización de la plataforma de diseño integrado de barrenas IDEAS, desarrollaron una barrena de cortadores fijos con una configuración de cortadores CDE y PDC alternados. Con este diseño, los elementos de diamante cónico liman la roca, creando dos valles adyacentes. Luego, un cortador de PDC, ubicado por detrás del par de CDEs, cizalla la dorsal de roca no confinada for-

mada entre los valles (Figura 7). Esta disposición requiere menos fuerza que la que se necesita cuando se utilizan las estructuras de corte de PDC tradicionales, lo que posibilita la remoción más eficiente de la roca con menos torque reactivo.

Los ingenieros de Cimarex escogieron una barrena StingBlade de 83/4 pulgadas para perforar el intervalo curvo en los dos pozos siguientes posicionados en la lutita Avalón. En ambos casos, la barrena perforó la sección curva en una sola carrera y sin problemas significativos de control de la orientación de la herramienta. La configu-ración de los elementos de diamante cónico ayudó

además a proteger los cortadores de PDC; cuando se extrajeron del pozo, las barrenas mostraron una condición calificada como muy buena (Figura 8). Además, la protección de los cortadores de PDC contribuyó a mejorar la ROP. En comparación con el rendimiento de las barrenas en los nueve pozos previos, las barrenas StingBlade lograron termi-nar el intervalo curvo con una ROP 36% más alta que la de la barrena híbrida promedio de conos giratorios de una sola carrera.

Horizontes más ampliosLos avances introducidos en las aplicaciones de diseño de barrenas, la ciencia de los materiales y los procesos de manufactura permiten a los inge-nieros especialistas en barrenas no sólo compro-bar sus ideas en el laboratorio, sino también ver sus diseños materializados a los pocos días de su concepción. Como resultado de todo ello, la diver-sidad de diseños de barrenas StingBlade se está expandiendo rápidamente para abordar numero-sos desafíos. Los elementos de corte Stinger están siendo instalados en los cuerpos de acero o mate-rial compuesto de las diversas configuraciones de hojas de las barrenas, a menudo en conjunto con los cortadores de PDC convencionales o con los cortadores de rodadura ONYX 360.8

Las variaciones con respecto al diseño origi-nal ahora incluyen distintos tipos de barrenas StingBlade con una diversidad de diámetros (Figura 9). Si bien los primeros diseños de las barrenas StingBlade abordaron aplicaciones especiales, su versatilidad está permitiendo la rápida expansión del elemento de diamante cónico Stinger para su inclusión en aplicaciones más rutinarias. —MV

Figura 8. Barrenas provistas de elementos de diamante cónico después de una carrera completa para la sección curva. Las barrenas extraídas de los pozos son evaluadas utilizando criterios de clasificación para el desgaste de barrenas que son estándar en la industria. Cada vez con más frecuencia, estas evaluaciones se complementan con fotografías digitales. La primera barrena (izquierda) exhibió un leve astillado del elemento Stinger en la posición de fuga o salida, en la nariz de la hoja 3 y en un cortador de PDC en la nariz de la hoja 4 (círculo). La barrena extraída de un segundo pozo (derecha) muestra un cortador de PDC deslaminado y gastado en el cono de la hoja 3 y un cortador CDE astillado y gastado en el resalto de la hoja 5 (círculo).

1

2

344

5

66

5

3

2

1

Figura 9. Variantes de la barrena StingBlade. Se muestran cinco ejemplos de las numerosas configuraciones diseñadas para diferentes aplicaciones de perforación. Diseñada para perforar carbonatos duros con altas concentraciones de ftanita, esta barrena (A) utiliza los elementos Stinger como ayuda para sustentar la carga sobre los cortadores de PDC en aplicaciones con potencial para la generación de daños por impacto. Diseñada para formaciones intensamente interestratificadas, esta barrena (B) está provista de elementos de PDC y Stinger alternados en la posición de ataque de cada hoja para reducir la variación del torque y mejorar el control de la orientación de la herramienta para los intervalos curvos. Una tercera versión (C), para formaciones abrasivas y duras, utiliza los elementos Stinger para ayudar a sustentar la carga sobre los cortadores de PDC; los cortadores de rodadura ONYX 360 han sido colocados estratégicamente para la resistencia al desgaste. Otro diseño utiliza solamente los elementos Stinger (D); esta barrena ha sido diseñada para granitos u otras rocas ígneas abrasivas y extremadamente duras. Los elementos de corte Stinger proporcionan una gran carga puntual concentrada para romper la roca. Utilizada en formaciones blandas con intercalaciones duras, la barrena de tres hojas (E) tiende a perforar más rápido que las barrenas convencionales de cinco hojas; los elementos Stinger protegen los cortadores de PDC del daño por impacto mientras la barrena atraviesa las intercalaciones duras.

A B C D E

Cortador de rodaduraPDC

CDE