brocas-de-perforacion (1)

7/17/2019 Brocas-de-Perforacion (1)

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Prof. Ing. Israel López Valdez

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación




Objetivo: El alumno será capaz de identificar los diferentes componentes y tipos de

tuberías que conforman una sarta de perforación, los tipos de roscas utilizados, tipos de

barrenas, sabrá diseñar una sarta de perforación y elaborar un programa de barrenas.


a. Definición

b. Principio de operación

c. Clasificación de las barrenas

d. Barrenas tricónicas

e. Barrenas de cortadores fijos (de diamante)

f. Selección de barrenas

g. Selección del diámetro de la barrena

h. Factores que afectan el desgaste de la barrena

i. Determinación del tiempo optimo para el cambio de la barrena

BARRENAS

TEMA IV Herramientas de perforación “ Barrenas”




Barrena es la herramienta de corte que se localiza en el extremo inferior de la sarta de

perforación y se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de

perforación rotatoria.

Para realizar la perforación, las barrenas funcionan con base en dos principios

esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y de compresión. El principiode ataque se realiza mediante la incrustación de sus dientes en la formación y

posteriormente en el corte de la roca al desplazarse dentro de ella. La forma de ataque

dependerá del tipo y características de la roca, principalmente su dureza.



La barrena es la herramienta clave para el ingeniero de perforación: su correcta

selección y las condiciones óptimas de operación son las dos premisas esenciales para

lograr el éxito en el proceso de perforación.

a. Definición

b. Principio de operación






Barrenas tricónicas.- El mecanismo principal

de ataque de esta barrenas (de dientes

maquinados o insertos) es de trituración por

impacto fallando la roca por compresión.

Fallan la roca por

esfuerzo de corte

Fallan la roca por

compresión

De acuerdo a su mecanismo de ataque las barrenas se clasifican en:

De cortadores fijos.- El mecanismo de

ataque es por raspado de la roca fallando por

esfuerzo de corte.

c. Clasificación de barrenas




Como su nombre lo indica, estas barrenas tienen tres conos cortadores que giran sobre

su propio eje y fueron introducidas entre 1931 y 1933. Varían de acuerdo con su

estructura de corte ya que pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de

carburo de tungsteno y constan de tres importantes componentes:




1. Estructura cortadora 2. Sistema de rodamiento 3. Cuerpo de la barrena

Dientes fresados

Insertos de carburo

de tugsteno




La estructura cortadora (diente).- La estructura de corte esta montada sobre los cojinetes,

los cuales corren sobre pernos y constituyen una parte integral del cuerpo de la barrena.

Sistema de rodamiento.- Existen tres diseños: rodillos y balines, autolubricados con rodillosy balines, de fricción autolubricados y los de chumacera.

1. Una conexión roscada que une la barrena

con la tubería.

2. Tres ejes de cojinetes donde van

montados los conos.

3. Los depósitos que contienen el lubricante

para los cojinetes.

4. Toberas u orificios por donde sale el fluido

de perforación para la limpieza del pozo.




Cuerpo de la barrena.- El cuerpo de la barrena

consta de:

Conos

Toberas

Conexión




Código IADC para barrenas tricónicas

Las barrenas tricónicas son las más utilizadas en la perforación petrolera, y para otrasaplicaciones como: pozos de agua, minería y geotermia. Cada compañía tiene sus

propios diseños con características especificas.

Para evitar confusión entre los diferentes tipos de barrenas equivalentes en relación con

sus distintos fabricantes, la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación(IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las barrenas tricónicas

de rodillos de acuerdo con:




El tipo de diente (acero o inserto)

El tipo de formación (en términos de serie y tipo) Las características mecánicas

Función del fabricante

El sistema de clasificación permite hacer comparaciones entre los tipos de barrenas que

ofrecen los fabricantes. El sistema de clasificación consta de tres dígitos:




El primer dígito.- Identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la

estructura de corte con respecto al tipo de formación, como se relaciona a continuación:

1. Dientes fresados para formación blanda.

2. Dientes fresados para formación media.

3. Dientes fresados para formación dura.

4. Dientes de inserto de tungsteno para formación muy blanda.

5. Dientes de inserto de tungsteno para formación blanda.

6. Dientes de inserto de tungsteno para formación media.

7. Dientes de inserto de tungsteno para formación dura.

8. Dientes de inserto de tungsteno para formación extra dura.







El segundo dígito.- Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usará la

barrena y varía de suave a dura como se indica:

1. Para formación suave.

2. Para formación media suave.

3. Para formación media dura.

4. Para formación dura.

El tercer dígito.- Identifica el sistema de rodamiento y lubricación de la barrena.

1. Con toberas para lodo y balero estándar.

2. Toberas para aire t/o lodo con dientes diseño en T y balero estándar.

3. Balero estándar con protección en el calibre

4. Balero estándar sellado autolubricable.5. Balero sellado y protección al calibre.

6. Chumacera sellada.

7. Chumacera sellada y protección al calibre.

8. Para perforación direccional.9. Otras.







Barrena

dientes de

acero

111

Barrena

dientes de

insertos

257

Barrena

dientes de

acero

346

Barrena

dientes de

insertos

847







Las barrenas de diamante tienen un diseño muy

elemental, a diferencia de las tricónicas carecen de

partes móviles. Normalmente el cuerpo puede ser de

acero o carburo de tungsteno (matriz) o una

combinación.

El diamante utilizado puede ser natural o sintético,

según el tipo y características de la misma. La dureza

extrema y la alta conductividad térmica del diamante lo

hacen un material con alta resistencia para perforar en

formaciones duras y semiduras.

Las barrenas de diamante, a excepción de las barrenas PDC, no usan toberas para circular el

fluido de perforación, su diseño es tal que, el fluido de perforación 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 de circulación.

Las vías de circulación en una barrena de diamante no son tan variadas como en una barrena

tricónica donde las toberas son intercambiables.

e. Barrenas de cortadores fijos






Barrenas de diamante natural

El tipo de flujo es radial y el tipo de cortadores es de

diamante natural incrustado en el cuerpo de la barrenacon diferentes diseños. El mecanismo de corte es por

fricción y arrastre.

El uso de estas barrenas es limitado salvo en casos

especiales para formaciones duras, cortar núcleos de

formación y como barrenas desviadoras en pozos con

formaciones muy duras y abrasivas. Entre más dura y

abrasiva es la formación, más pequeño será el

diamante. Los diamantes utilizados son redondos pero

irregulares.

Barrenas desviadoras

Corta núcleos







Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP)

Son utilizadas para perforar rocas duras como caliza dura, basalto y

arenas finas. Son más usadas que las de diamante natural. Se caracteriza

por usar diamante sintético de forma triangular, la densidad, el tamaño yforma del grano son características de cada fabricante.

Barrenas de compacto de diamante policristalino (PDC)

El diseño de los cortadores esta hecho con diamante sintético en

forma de pastillas (compacto de diamante). A diferencia de las

barrenas de diamante natural y TSP, su diseño hidráulico se

realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las

barrenas tricónicas. Por su diseño y características, las barrenas

PDC cuentan con una gran gama de tipos y fabricantes,

especiales para cada formación: desde muy suaves hasta muy

duras. Pueden ser rotadas a altas velocidades, utilizadas con

turbinas y motores de fondo y con diferentes pesos sobre

barrena. Por su versatilidad son las más utilizadas.







Código IADC para barrenas de cortadores fi jos

La IADC desarrollo el código para las barrenas de cortadores fijos que consta de cuatro

caracteres (una letra y tres números) que describen siete características básicas:

1. Tipo de cortados

2. Material del cuerpo de la barrena.

3. Perfil de la barrena.

4. Diseño hidráulico para el fluido de perforación.

5. Distribución del flujo.

6. Tamaño de los cortadores.

7. Densidad de los cortadores.







Barrena

M426

Barrena

D182







Las barrenas especiales, como su nombre lo indica se

usan para condiciones muy especificas y así tenemos la

siguiente clasificación:

Barrenas desviadoras.

Barrenas ampliadoras.

Barrenas nucleadoras.






Para el proceso de selección de barrenas es fundamental conocer los objetivos de la perforación.

Los principales aspectos que se deben tomar en cuenta para la selección de barrenas son:




El Rendimiento de la barrena.- Uno de los principales objetivos de os técnicos es perforar el

pozo en el menor tiempo posible o sea, perforar la mayor cantidad de metros en un tiempo de

rotación aceptable.

La trayectoria del pozo (vertical o direccional).- En pozos direccionales las barrenas de

diamante tienen una ventaja especifica sobre las tricónicas debido a su gran alcance y susposibilidades de perforar en sentido horizontal.

Economía.- El factor económico es fundamental para la selección de barrenas.






f. Selección de barrenasLitología.- Por lo general la información geológica es la primera que se necesita para determinar

la mejor selección de las barrenas: Tipo de roca, dureza, homogeneidad, fracturas, etc.

Diám. 12" X 14 3/4" Toberas Longitud T.E.B.* P.S.B. Gasto Vel. Pen. Pot. Bna.

Bna. No. Tipo ( pg / 32 ) De A ( m ) ( hrs ) ( Ton ) ( gpm ) ( min / m ) ( HP/pg2)

1 PDC 2(14); 5(11) 3800 4671 871 120 4 - 8 120 - 150 572-540 8.27 1.59 - 1.38

Diám. 10 5/8" X 12 1/4" Toberas Longitud T.E.B.* P.S.B. Gasto Vel. Pen. Pot. Bna.

Bna. No. Tipo ( pg / 32 ) De A ( m ) ( hrs ) ( Ton ) ( gpm ) ( min / m ) ( HP/pg2)

1 PDC 2(12), 6(11) 4671 6158 1487 300 4 - 8 120 - 150 485 12.10 1.40 - 1.36

Diám. 8 3/8" Toberas Longitud T.E.B.* P.S.B. R.P.M. Gasto Vel. Pen. Pot. Bna.

Bna. No. TIPO ( pg / 32 ) De A ( m ) ( hrs ) ( Ton ) ( gpm ) ( min / m ) ( HP/pg2)

1 PDC 1)14;1)16;3)11 6158 6458 300 90 8 - 12 80 - 100 300 18.00 2.46

2 517 3)14; 1)16 6458 6528 70 50 5 - 8 80 - 120 300 42.86 2.30

3 PDC 1)14;1)16;3)11 6528 6804 276 150 8 - 12 80 - 100 300 32.61 2.46

R.P.M.

Intervalo ( m )

Intervalo ( m )R.P.M.

Intervalo ( m )

Registro de barrenas

Registro de barrenas .- Un análisis objetivo de los pozos de correlación ofrece la oportunidad de

comprender las condiciones en el fondo del pozo, las limitaciones de su perforación y en muchos

casos la adecuada selección de barrenas. Un adecuado análisis del registro de las barrenas

proporcionan datos de gran valor como:

Factores importantes







Coeficiente de penetración.- El cual es una indicación de la dureza de la roca, no obstante una

selección inadecuada de la barrena puede ocultar las características reales de dureza.

Fluidos de perforación.- El tipo y calidad del fluido de perforación utilizado tiene un importante

efecto en el rendimiento de la barrena. Los fluidos base aceite mejoran el rendimiento (PDC).

Hidráulica.- La hidráulica proporciona el enfriamiento y limpieza a la barrena. El análisis históricomostrara los parámetros utilizados y que oportunidades existen para una mejor utilización.

Factores importantes

Costos.- La barrena debe tener las cualidades que satisfagan las necesidades de aplicación al

menor costo.

FACULTA DE INGENIERIA El t d P f ió






f. Selección de barrenasFactores que afectan la selección de barrenas

Limitaciones de peso sobre la barrena.- Cuando se presenta esta situación, una barrena de

cortadores fijos (PDC) tiene posibilidades de ofrecer un mayor ritmo de penetración que una

barrena de roles.

Escala de RPM.- Cuando se aplicara alta velocidad de rotación a la barrena, la barrena de

diamantes nos ofrece mayor eficiencia que la de roles.

Formaciones nodulares.- En formaciones como pirita y conglomerados las barrenas de roles son

más efectivas, ya que las de diamante se dañan debido al impacto.

Ampliación.- Cuando se requiere la ampliación de un intervalo cuya duración sea mayor de 2 hrs

se deben considerar barrenas de roles.

Pozos profundos.- Se debe considerar una barrena de diamante que nos ofrezca mayor duración

(menos viajes).

Motor de fondo.- Los motores de fondo funcionan con altas RPM por lo que se recomineda la

utilización de barrenas de diamante.

FACULTA DE INGENIERIA El t d P f ió




Para seleccionar el tipo de barrena (tricónica o de cortadores fijos) se propone el método de

energía especifica (Es). Debido a que la energía mecánica especifica no es solo una propiedad

intrínseca de la roca, si no que esta íntimamente ligada con las condiciones de operación de la

barrena de acuerdo con la siguiente ecuación:

1. Calcular la Es para cada intervalo y para cada

barrena.

2. Graficar los resultados Es vs Prof.

3. Seleccionar la ó las barrenas (triconicas o decortadores fijos).

Es

=13415 *W*N

d*Rp

Donde: W es el peso sobre la barrena (ton)

N es la velocidad de rotación (rpm)

d es el diámetro de la barrena (pg)Rp es el ritmo de penetración (min/m)

Método a seguir








Un procedimiento práctico y sencillo para optimizar la perforación es elegir los parámetros de

perforación tales como: tipo de barrena, peso sobre la barrena y velocidad de rotación, más

que obtener la velocidad de perforación promedio del área.

1. Seleccionar los pozos de correlación.

2. Recopilar la información sobre los registros de las barreas utilizadas en los pozos.

3. Calcular el costo por metro de cada barrena a utilizar.

4. Realizar una gráfica de Costo/metro vs. Profundidad.

5. A partir de la gráfica seleccionar las condiciones que den el costo mínimo.

EM = CB + CE + (TR+TV)

M

CM = costo por metro perforado, dólares/metro

CB = costo de la barrena, dólaresTV = tiempo de viaje, horas

TR = tiempo de rotación, horas

CE = costo de operación del equipo, dólares/hora

M = metros perforados

TV = 0.0020 Profundidad (m)




Procedimiento





Perforado

Programado

En perforacion

A

B

D

C

7

8

53

9

2

14

6

12

1.- Pozos de correlación




2. Recopilacion de la informacion 3. Calcular el costo por metro




2. Recopilacion de la informacion p





De la gráfica se observa que hasta

2000 m aproximadamente, se deben

usar las condiciones de operación del

pozo 2 y de 2,000 a 4,800 m las

condiciones del pozo 1.

Utilizando los datos de las tablas

anteriores realizar el programa de

barrenas para un pozo nuevo.

0

500

1000

2000

3000

4000

5000

5 10 15 20 25 30 35 40

Pozo 2

Pozo 1

Pozo 2P r of un d i d a d ( m

)

Costo 1000 dlls



f. Selección de barrenas 4. Graficar el costo por metro vs profundidad





Existe el concepto erróneo de que una barrena que perfora más metros o que dure más

tiempo perforando es la que da el mínimo costo por metro perforado. Para ilustrar el

concepto anterior se presenta el siguiente ejemplo:

El costo del equipo es de: 500

dólares la hora.

El costo de la barrena es de:

1,500 dólares.

El tiempo promedio de viaje es

de 6 horas.

Caso 1 CM = (1,500 + 500(6+6)) / 150 = 50 dll/m

Caso 2 CM = (1,500 + 500 (10 + 6)) / 200 = 47.5 dll/m

Caso 3 CM = (1,500 + 500(15 + 16)) / 250 = 48 dll/m

Caso 1 Vel Perf = 150 / 6 = 25

Caso 2 Vel Perf = 200 / 10 = 20

Caso 3 Vel Perf = 250 / 15 = 16

EM = CB + CE + (TR+TV)M








Como se puede observar de la tabla anterior, la barrena que da como resultado el

mínimo costo por metro es la del caso 2 y es importante notar que no fue la que más

metros perforó (caso 3), ni la que más horas de rotación trabajó (caso 3), ni la que

mayor velocidad de perforación obtuvo (caso 1).









f. Selección del diámetro de la barrenaEl programa de diámetros de barrenas depende de los diámetros de las tuberías de

revestimiento. Las barrenas están disponibles en casi cualquier diámetro deseado, salvo las

barrenas no estándar o fuera de lo común.

La siguiente figura puede usarse para seleccionar los diámetros de las barrenas y tuberías derevestimiento para casi todos los programas de perforación.

Ejemplo: Usando la figura (de la diapositiva siguiente) realizar la selección de diámetros de

barrenas y tuberías de revestimiento para un pozo que terminara en TR de 4 ½ pg y se

requerirán instalar 5 tuberías adicionales.

Tubería

pg

Barrena

pg

Tubería

pg

Barrena

pg

4 1/2 6 - 5 7/8 4 1/2 6 1/8 - 6 1/2

7 8 1/2 7 5/8 9 1/2

9 5/8 12 1/2 10 3/4 14 3/4

13 3/8 17 1/2 - 18 1/2 16 20 - 22

20 26 24 30

Primer arreglo Segundo arreglo





4 5 ½4 ½ 5

6 5/8 7

4 ¾ 5 7/8 6 1/8 6 ½ 7 7/8

7 7/8

7 5/8

7 ¾

2016

8 5/8 9 5/8

8 ½ 12 ¼9 ½ 10 5/88 ¾

8 5/89 5/89 7/8

10 ¾ 11 ¾

11 7/813 3/8

14

10 ¾ 12 ¼ 14 ¾ 17 ½

11 ¾

11 7/813 3/8

14

14 ¾ 17 ½ 20 26

16 20 24 30

TUBERIA

REVESTIMIENTO

BARRENA

BARRENA

TUBERIA

DE

REVESTIMIENTO

TUBERIADE

REVESTIMIENTO

BARRENA

BARRENA

TUBERIADE

REVESTIMIENTO

TUBERIA

REVESTIMIENTO


Guía para la selección del diámetro de la barrena





Los factores que afectan el desgaste de las barrenas se puede dividir en:

Factores geológicos.- El factor más importante para la selección y operación de una

barrena es el conocimiento geológico; la composición y la resistencia específica de la roca,

ya que materiales abrasivos en la roca son la causa del desgaste prematuro en toda la

estructura de la barrena.

Factores operativos.- Estos factores deben ser diseñados de acuerdo con la geología por

atravesar y la geometría del agujero. Los principales factores son:

Peso sobre la barrena.- A medida que la barrena perfora los cortadores se van desgastando

por lo que se requiere de mas peso, si el peso aplicado no es el correcto, la barrena tendrá

un desgaste prematuro.

Limpieza en el fondo del pozo.- Una limpieza eficiente evita embolamiento de la barrena y

desgaste prematuro por exceso de temperatura.

Manejo y transporte.- Sin importar el tipo de barrena, debe moverse de su embalaje y

colocarse sobre madera, nunca se debe rodar sobre la cubierta metálica del piso de

perforación, sobre todo las de diamante porque son muy frágiles y los elementos cortadores

se pueden dañar y reducirse con esto la vida de la barrena.


h. Factores que afectan el desgaste de las barrenas





Evaluación del desgate de las barrenas

El análisis y evaluación de cada barrena gastada puede ser de gran utilidad para decidir el

tipo de barrena que se va a utilizar después, ó si en su caso, la práctica de operación debe

ser modificada.

El análisis del record de la barrena es de gran importancia debido a que en el se registran

datos como: inicio y termina de la perforación, condiciones de operación, toberas, tiempos,

etc. y observaciones especiales como: inicio de desviación, variaciones en el ángulo,

perforación controlada por pérdidas de circulación, utilización de motores de fondo, utilización

de martillo, perfora con gases amargos, etc.

Con estas observaciones se tendrá un mejor criterio para evaluar el desgaste y no sacrificar

el uso de un tipo de barrena que ha sido seleccionado correctamente.

Esto podría suceder en el caso de una barrena que se ha utilizado para iniciar a desviar, y al

evaluarla tenga un excesivo desgaste y los metros perforados sean pocos. A simple

inspección se supondría que tuvo un bajo rendimiento, pero la realidad es que se utilizó con

operaciones drásticas con un fin específico.


i. Determinación del tiempo optimo para el cambio de barrena





Un método experimentado para determinar el momento preciso para suspender la

perforación y efectuar un cambio de barrena consiste en graficar los Es Vs. Avance

acumulado como se muestra en la siguiente gráfica.

En el caso b) se detecta un incremento de Es y el torque tiene un comportamiento

normal. Esto indica que se esta perforando una formación con mayor dureza lo cual se

corrobora con la recuperación de recortes.

En el caso c) Es se incrementa significativamente y el torque muestra un aumento

normal y la recuperación de recortes muestra que no hay cambio de litología. Este

comportamiento indica el punto donde la barrena debe ser remplazada.




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