brocas-de-perforacion-1.pdf

FACULTA FACULTA DE INGE INGENI NIER ERIA IA

Elementos Element os de Perf Perfor or ación aci ón

Prof. Prof . Ing Ing.. Isr Israe aell Lóp L ópez ez Vald Valdez ez

FACULTA FACULTA DE INGE INGENI NIER ERIA IA TEM TEMA IV


Herramientas de perforació perfo ración n

“ Barrenas”

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.

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 Prof. Prof . Ing Ing.. Isr Israe aell Lóp L ópez ez Vald Valdez ez

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Herramientas de perforació perfo ración n

“ Barrenas”

a. Definición 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 .

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.

b . Principi rin cipio o de operación operación Para realizar la perforación, las barrenas funcionan con base en dos principios esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos esfuerzos de corte y de compresión. El principio de 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 principalmente su dureza.

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Elementos de Perforación

Herramientas de perforación

“ Barrenas”

c. Clasificación de barrenas

De acuerdo a su mecanismo de ataque las barrenas se clasifican en: Barrenas tricónicas .- El mecanismo principal

de ataque de esta barrenas (de dientes

Fallan la roca por compresión

maquinados o insertos) es de trituración por impacto fallando la roca por compresión.

De cortadores fijos .- El mecanismo de

ataque es por raspado de la roca fallando por esfuerzo de corte.

Prof. Ing. Israel López Valdez

Fallan la roca por esfuerzo de corte




“ Barrenas”

d. Barrenas tricón icas

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 Dientes fresados

Insertos de carburo de tugsteno


3. Cuerpo de la barrena




“ Barrenas”

d. Barrenas tricón icas 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 rodillos

y balines, de fricción autolubricados y los de chumacera. Cuerpo de la barrena.- El cuerpo de la barrena consta de: Conexión

1.

Una conexión roscada que une la barrena con la tubería.

2.

Tres

ejes

de

cojinetes

donde

van

montados los conos. 3.

Toberas

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. Conos





“ Barrenas”

d. Barrenas tricón icas Código IADC para barrenas tricónicas

Las barrenas tricónicas son las más utilizadas en la perforación petrolera, y para otras aplicaciones 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: Prof. Ing. Israel López Valdez




“ Barrenas”

d. Barrenas tricónicas 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.





“ Barrenas”

d. Barrenas tricón icas 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. Prof. Ing. Israel López Valdez




“ Barrenas”

d. Barrenas tricón icas

Barrena dientes de acero 111

Barrena dientes de insertos 257

Barrena dientes de acero 346

Barrena dientes de insertos 847





“ Barrenas”

e. Barrenas de cortadores fijos 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. Prof. Ing. Israel López Valdez




“ Barrenas”

e. Barrenas de cortadores fijos Barrenas de diamante natural

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

Barrenas desviadoras

diamante natural incrustado en el cuerpo de la barrena con 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.


Corta núcleos




“ Barrenas”

e. Barrenas de cortadores fijos Barrenas d e 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 y forma 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. Prof. Ing. Israel López Valdez




“ Barrenas”

e. Barrenas de cortadores fijos Código IADC para barrenas de cor tadores fijos 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.





e. Barrenas de cortadores fijos

Barrena M426

Barrena D182


“ Barrenas”




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.


“ Barrenas”

FACULTA DE INGENIERIA TEMA IV f.



“ Barrenas”


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 sus posibilidades de perforar en sentido horizontal. Economía.- El factor económico es fundamental para la selección de barrenas.





“ Barrenas”

Factores importantes


Litología.- 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. Regis tro 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: Regis tro de barrenas Diám.

12" X 14 3/4"

Toberas

Longitud

T.E.B.*

P.S.B.

Bna. No.

Tipo

( pg / 32 )

De

A

(m )

( hrs )

( Ton )

1

PDC

2(14); 5(11)

3800

4671

871

120

4-8

Diám.

10 5/8" X 12 1/4"

Toberas

Longitud

T.E.B.*

P.S.B.

Bna. No.

Tipo

( pg / 32 )

De

A

(m)

( hrs )

( Ton )

1

PDC

2(12), 6(11)

4671

6158

1487

300

4-8

120 - 150

Diám.

8 3/8"

Toberas

Bna. No.

TIPO

( pg / 32 )

De

A

Longitud

T.E.B.*

P.S.B.

R.P.M.

(m )

( hrs )

( Ton )

1

PDC

1)14;1)16;3)11

6158

6458

300

90

8 - 12

2

517

3)14; 1)16

6458

6528

70

50

3

PDC

1)14;1)16;3)11

6528

6804

276

150

Intervalo ( m )

Intervalo ( m )

Intervalo ( m )

R.P.M.

Gasto

Vel. Pen.

Pot. Bna.

( gpm )

( min / m )

( HP/pg 2)

8.27

1.59 - 1.38

Gasto

Vel. Pen.

Pot. Bna.

( gpm )

( min / m )

( HP/pg 2)

485

12.10

1.40 - 1.36

120 - 150 572-540 R.P.M.

Gasto

Vel. Pen.

Pot. Bna.

( gpm )

( min / m )

( HP/pg 2)

80 - 100

300

18.00

2.46

5-8

80 - 120

300

42.86

2.30

8 - 12

80 - 100

300

32.61

2.46






“ Barrenas”

Factores importantes

Fluido s 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 histórico

mostrara los parámetros utilizados y que oportunidades existen para una mejor utilización. 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. Costos.- La barrena debe tener las cualidades que satisfagan las necesidades de aplicación al

menor costo.





“ Barrenas”

Factores qu e afectan la selecció n 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 pr ofund os.- 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. Prof. Ing. Israel López Valdez




“ Barrenas”


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: Donde:

Es =

13415 *W*N d*Rp

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)

Métod o a seguir

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 de cortadores fijos).





“ Barrenas”


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.

Procedimiento 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. CM = costo por metro perforado, dólares/metro

EM =

CB + CE + (TR+TV) M

CB = costo de la barrena, dólares TV = tiempo de viaje, horas TR = tiempo de rotación, horas

TV = 0.0020 Profundidad (m)

CE = costo de operación del equipo, dólares/hora M = metros perforados Prof. Ing. Israel López Valdez





“ Barrenas”

1.- Pozos de correlación B

Perforado

12

C

En perforacion

8 5 3

D 6

9

Programado

2

7 4

A

1


2. Recopilacion de la informacion

3. Calcular el costo por metro






4. Graficar el costo por metro vs profundidad Utilizando los datos de las tablas

0 P r o f u n d i d a d ( m )

“ Barrenas”

500

Pozo 1

anteriores realizar el programa de

Pozo 2

barrenas para un pozo nuevo.

1000

2000

De la gráfica se observa que hasta 2000 m aproximadamente, se deben 3000

usar las condiciones de operación del pozo 2 y de 2,000 a 4,800 m las condiciones del pozo 1.

4000

Pozo 2 5000 5

10

15

20

25

30

35

40

Costo 1000 dlls Prof. Ing. Israel López Valdez




“ Barrenas”


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 Prof. Ing. Israel López Valdez

EM =

CB + CE + (TR+TV) M




“ Barrenas”


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).







“ Barrenas”






“ Barrenas”






“ Barrenas”




“ Barrenas”

Selección del diámetro de la barrena

El 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 de revestimiento 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. Primer arreglo

Segundo arreglo

Tubería pg

Barrena pg

Tubería pg

Barrena pg

4 1/2 7 9 5/8 13 3/8 20

6 - 5 7/8 8 1/2 12 1/2 17 1/2 - 18 1/2 26

4 1/2 7 5/8 10 3/4 16 24

6 1/8 - 6 1/2 9 1/2 14 3/4 20 - 22 30





“ Barrenas”

Guía para la selección del diámetro de la barrena TUBERIA REVESTIMIENTO

BARRENA

TUBERIA DE REVESTIMIENTO BARRENA

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 ¾

6½ 7 5/8 7¾

7

8½

8¾ 9 5/8 9 7/8

5½

5

6 1/8

5 7/8

4¾

TUBERIA DE REVESTIMIENTO BARRENA

4½

4

8 5/8

10 5/8

9½

11 ¾ 11 7/8

10 ¾

12 ¼

7 7/8

9 5/8

12 ¼ 13 3/8 14

14 ¾

17 ½

16

20

TUBERIA DE REVESTIMIENTO

11 ¾ 11 7/8

13 3/8 14

BARRENA

14 ¾

17 ½

20

26

TUBERIA REVESTIMIENTO

16

20

24

30





“ Barrenas”

h. Factores que afectan el desgast e de las barrenas 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. Factor es 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. Prof. Ing. Israel López Valdez

FACULTA DE INGENIERIA TEMA IV i.



“ Barrenas”

Determinación del tiempo o ptimo para el cambio de barrena

Evaluación d el 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. Prof. Ing. Israel López Valdez

FACULTA DE INGENIERIA TEMA IV i.



“ Barrenas”

Determinación del tiempo o ptimo 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 E s 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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