Brocas de Perforación
Definición Las brocas de perforación son la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotatoria. Para realizar la perforación, las brocas funcionan con base en dos principios esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y de compresión. El principio de ataque de la barrena se realiza mediante la incrustación de sus dientes en la formación y posteriormente en el corte de la roca al desplazarse dentro de ella; o bien, mediante el cizallamiento generado por los cortadores de la broca y que vence la resistencia de la roca.
Selección de las brocas •
Antes de seleccionar una nueva broca, consulte al geólogo acerca de las formaciones que se esperan, sus características litológicas y espesor estimado. Los bit record de pozos vecinos, son inútiles sin la adecuada correlación geológica.
•
Determine la litología y el grado IADC de las brocas (bit grading) corridas anteriormente en la sección a perforar.
•
La compañía que suministra las brocas puede utilizar los registros sonico-GR, para calcular la compresibilidad de la broca y optimizar el diseño.
•
Seleccione una protección al calibre cuando se anticipa la presencia de formaciones abrasivas.
Selección de las brocas •
Establecer el requerimiento de direccionabilidad (steerable). El ingeniero direccional optimiza el conjunto Broca / motor / MWD.
Tipos de brocas Los tipos de brocas de perforación más utilizados para la perforación de pozos petroleros, así como el empleo de brocas para operaciones especiales, se clasifican genéricamente de la siguiente manera: • • •
Brocas tricónicas Brocas de cortadores fijos Brocas especiales
Brocas Tricónicas • Las brocas tricónicas tiene 3 conos los cuales se van interfiriendo y luego limpiando entre sí, con filas de cortadores en cada cono. • Los conos son principalmente de dos tipos: o bien dientes tallados o de insertos de carburo de tungsteno (Tungsten Carbide Inserts, TCI) y pueden ser de varios tamaños y durezas de acuerdo a las litologías previstas. • Cada boquilla está posicionada encima de cada cono, son reemplazables y pueden ser instaladas en varios tamaños, siendo mayor la velocidad del lodo por la boquilla a media que esta es más pequeña. • Los tamaños de las boquillas se expresan en treintaidosavos de pulgada. • Si no se instala una boquilla, se conoce como “boquilla abierta” o “full open”.
nói c aci fi s al C
Serie Tipo de estructura de corte
1
Suave
2
Media
3
Dura
4
Muy suave
5
Suave
6
Media
7
Dura
8
Muy dura
Diente tallado
Cincel
Inserto Carburo Tungsteno
Cónica
Tipo 1-4 Grado de dureza de la estructura de corte
1 – Más suave 4 – Más duro
Opción de diseño Diseño de rodamiento y protección de calibrador
1
Producto estándar
2
Perforación con aire
3
Calibre del diámetro protegido
4
Rodamiento sellado
5
Calibrador protegido y rodamiento sellado
6
Rodamiento de buje sellado por fricción
7
Rodamiento de buje sellado por fricción, calibre del diámetro protegido
Brocas Tricónicas Por ejemplo:
Broca
Código IADC
Descripción
Hughes ATM22
517
Con dientes TCI para formación blanda, la más blanda en el rango, con rodamientos sellados y protección de calibre del diámetro
Reed MHP13G
137
Con dientes blandos tallados, para formación medianamente dura dentro del rango de la broca, con rodamientos sellados por fricción y protección de calibre del diámetro
Brocas Tricónicas The 4th Character IADC code
Feature and 4th Character
Manufacturer Security / DBS
Hughes
A
A
Standard **
ATM* C*
Reed
Smith
A
Air application (journal bearing with air nozzles)
A
B
Special bearing bit
C
Centre jet
J4
D
Deviation control
D*
E
Extended jets (full length)
E
T*
JX
E
G
Extra gauge / body protection
G*, M*, D, SS*
M*, D, G
JK
G, L, D, OD
H
Horizontal / Steering Application
Hx*, SS*, MM*
M*
M*
J
Jet deflection
JD
JD
BH*
L
Lug pads
M
Motor application
S
Standard steel tooth model
T
JC
C A1
L
P*
JL
L
SS*, MM*, M*
MAX*
M*
M*
TC*
A1
Two cone
2*
D
D
w
Enhanced cutting structure
D
X
Predominantly chisel toothed inserts
Y
Predominantly conical inserts
Z
Other shaped inserts
CF
A C*
Brocas Tricónicas Tipos de rodamiento: • Sin sello: Están llenos con grasa y expuestos. Su vida por lo tanto es corta pues los rodamientos están expuestos a la fatiga del metal y a la abrasión por sólidos. • Sellados y autolubricados: Aún existe fatiga del metal, pero la abrasión por sólidos se ha eliminado mientras el sello permanezca. • Bujes sellados: Estos tienen una vida más larga, pero puede haber desgaste ocasionado por las superficies de metal rozando en la parte inferior de los bujes.
Brocas Tricónicas Dientes: • Formaciones blandas: Los dientes escogidos normalmente serán largos, delgados y ampliamente espaciados. Los dientes entre más largos logran mayor penetración en la formación blanda. El amplio espaciamiento entre dientes impide el empacamiento de la formación blanda entre los dientes. La acción de corte se produce por tallado y raspado y los cortes producidos serán grandes y angulosos. • Formaciones de mediana dureza: Se usan dientes más cortos. Un amplio espaciamiento permite una eficiente limpieza, aunque el empacamiento no es una consideración tan importante como en las formaciones blandas.
Brocas Tricónicas Dientes: • Formaciones duras: Se usan dientes cortos y aún más anchos, los cuales producen un efecto de aplastamiento y fragmentación más que de arranque y deformación en la roca. No se requiere espaciamiento entre los dientes ya que los cortos producidos serán más pequeños, en mayor concentración o volumen. Las ratas de perforación serán menores. • Formaciones más duras: Aún más pocos y más pequeños dientes facilitan que los rodamientos pedan ser más grandes y resistentes y así puedan soportar las grandes fuerzas necesarias para lograr el fallado físico de la formación.
Brocas Tricónicas Requisitos para la operación: • Las formaciones abrasivas y duras requieren fuerza sobre la broca (WOB). El mayor peso obviamente tendrá su impacto en los rodamientos, de forma que una rotación más lenta deberá ser aplicada, con el fin de no desgastar en exceso los rodamientos. • Las formaciones más suaves requieren menor WOB con el fin de lograr una buena penetración, por lo tanto se puede aplicar un valor mayor de RPM. Demasiado peso puede en efecto quebrar los dientes o insertos más largos de las brocas usadas en estas formaciones.
Brocas Tricónicas Requisitos para la operación: • Generalmente la rata de penetración (ROP) es mayor cuando se aplica un peso mayor (WOB) y/o unas RPMs más altas, pero demasiado peso puede resultar en efectos contraproducentes como empacamiento de la broca en formaciones blandas, desgaste en los rodamientos y en rotura de dientes o insertos.
Brocas Tricónicas
Estructura de corte convencional
Brocas Policristalinas y de Diamante • Estas brocas tienen una larga vida pues sus cortadores son muy duros y no hay rodamientos ni partes móviles. Los diamantes industriales de origen natural empleados son colocados manualmente en diseños geométricos que cubren el fondo de la broca, en forma redundante que permita el funcionamiento de la misma si hay rotura de alguno de ellos. • En las brocas PDC, los diamantes policristalinos son montados en una matriz de carburo de tungsteno. Los diamantes realizan la perforación, o el corte, mientras el carburo de tungsteno los sostiene proveyéndoles de resistencia y rigidez. • Los cortadores de diamante comienzan su trabajo afilados y se desgastan manteniéndose afilados, mientras que la mayoría de cortadores se desgasta con el uso. Esto y su vida más larga hacen extremadamente efectivas en costo para perforaciones profundas y en formaciones duras y abrasivas.
Brocas Policristalinas y de Diamante • Dado que no tienen partes móviles, son económicas y permiten altos regímenes de rotación (RPM), (mayores que los permitidos para brocas con rodamientos) producidos con motores de fondo. • Tienen una larga vida, aunque las ratas de penetración (ROP) son generalmente menores. La distancia perforada tendrá que ser mayor para justificar el alto costo que implican estas brocas. • La acción cortante de los diamantes es del tipo de fallamiento o pulverización, lo cual produce cortes que son mucho más finos que los producidos por una broca tricónica.
Brocas Policristalinas y de Diamante • Las brocas de diamante tienen diferentes requerimientos operacionales que las brocas tricónicas. Generalmente tienen un diámetro ligeramente menor que el tamaño del hueco para reducir desgaste durante los viajes para adentro y para fuera del pozo. • El rendimiento óptimo se logra con bajos WOB y la más alta RPM posible, y con altas velocidades de lodo alrededor de las superficies cortantes de la broca.
Brocas Policristalinas y de Diamante Pin
Feed Bore Bit Blank Soft Powder – TC Gauge Path
Hard Powder -TC Impreg Mix
Bit Crown Crow Foot
Brocas Policristalinas y de Diamante
Coronas (Core Heads) Las coronas tienen dos funciones: perforar el pozo y formar el núcleo. Por lo tanto adicionalmente a las consideraciones de diseño de la estructura de corte general comunes para brocas de perforación deben tenerse en cuenta también la calidad del núcleo, específicamente, evitar los disturbios mecánicos y la invasión de fluidos. Las características de las coronas son: • • • •
Aletas + estructura de corte Área de desalojamiento de recortes (junk slots) + puertos Diámetro exterior/pads gage Diámetro interno/ Calibre interno
Coronas (Core Heads) Partes de la sección superior: • Shank: Rosca Estandard (STD), Rosca Heavy Duty (HDT) • Conexión Caja (Box up) • Ranuras del cuadro de apriete (Breaker slot) Principales objetivos de desempeño: • Recuperación (objetivo=100 %) • Calidad del Núcleo: Diámetro y forma, formaciones no problemáticas (fracturada, permeable, atascamientos), preservación de los fluidos de la formación de invasión de lodo. Criterios Secundarios: Total de metros perforados, velocidad de penetración (ROP)
Coronas (Core Heads)
H e a d s )
( C o r e
o r o n a s C
Barriles interiores en fibra de vidrio
Junta de seguridad ajustable
Barriles interiores de aluminio acanalados
Evaluación de desgaste IADC Estructura de corte Interna Externa 1
2
Característ. Ubicación 3
4
Cojinetes/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
1
Estructura de corte interna (Todas las hileras internas)
2
Estructura de corte externa (Hileras del calibre solamente)
3 Característica de desgaste principal (Use códigos de estructura de corte) 4
Ubicación (Dónde ocurre la característica de desgaste)
5
Cojinetes /Sellos (Condición de los conos)
6
Calibre (Diámetro final del calibre)
7 Otra característica de desgaste (No limitado a estructura de corte) 8
Razón de la sacada (Porqué finalizó la carrera)
Estructura de corte Interna InternaExterna Externa Característ.Ubicación
1
2
3
4
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
Medida de la altura del diente 1 Estructura de corte interna (Todas las hileras internas) 2 Estructura de corte externa (Hileras del calibre)
Estructura de corte Interna InternaExterna Externa Característ.Ubicación
1
2
3
4
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
En brocas de insertos: •Por desgaste •Pérdida de insertos •Rotura de insertos
Estructura de corte Característ. Ubicación Interna Externa Característ.
1
2
3
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
4
3 Características de desgaste corte)
*BC - Cono Roto
(Use solamente códigos estructura de
FC - Desgaste Plano
RG - Calibre Redondeado
HC - Daño por Calor
SD - Daño del Faldón
BT - Dientes/Cortadores Rotos JD - Daño por Chatarra BU - Broca Embolada *LC - Cono Perdido
SS - Desgaste Autoafilado
*CC - Cono Agrietado
LN - Boquilla Perdida
TR - Seguimiento
*CD - Cono Arrastrado
LT - Dientes/Cortadores Perdidos
WO - Broca Lavada
CI - Interferencia de Conos CR - Coronado CT - Dientes/Cortadores Astillados
WT - Dientes/Cortadores Gastados OC - Desgaste Excéntrico NO - Sin Característica PB - Broca Contraída de PN - Boquilla Taponada Desgaste
ER - Erosión * Mostrar el # del cono en la ubicación (4)
Estructura de corte Ubicacion Interna Externa Característ.Ubicación
1
4
2
3
4
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
Ubicación N - Hilera de la Nariz
Cono #
M - Hilera del Medio
1
G - Hilera del Calibre
2
A - Todas las Hileras
3
Estructura de corte Interna Externa Característ.Ubicación
1
2
3
4
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
5 Cojinetes/Sellos Cojinete No-Sellado 0 = Sin Uso 8 = Toda la vida usada
Cojinete Sellado E = Sellos Efectivos F = Sellos Fallados
N = No se puede evaluar X = Broca de cortadores fijos
Estructura de corte Interna Externa Característ.Ubicación
1
2
3
4
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
6 Calibre (Medido en fracciones de pulgada) I
=
En Calibre
1/16 = 1/16” Bajo Calibre Calibre
2/16 = 1/8” Bajo Calibre 4/16 = 1/4” Bajo
La medida en Tricónicas se debe multiplicar por 2/3
Estructura de corte Interna Externa Característ.Ubicación
1
2
3
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
4
7 Otra característica de desgaste FC - Desgaste Plano
RG - Calibre Redondeado
BT - Dientes/Cortadores Rotos
HC - Daño por Calor
SD - Daño del Faldón
BU - Broca Embolada
JD - Daño por Chatarra
*BC - Cono Roto
*CC - Cono Agrietado
*LC - Cono Perdido
SS - Desgaste Autoafilado
*CD - Cono Arrastrado
LN - Boquilla Perdida
TR - Seguimiento
LT - Dientes/Cortadores Perdidos
WO - Broca Lavada
CI - Interferencia de Conos CR - Coronado CT - Dientes/Cortadores Astillados ER - Erosión
WT - Dientes/Cortadores Gastados OC - Desgaste Excéntrico NO - Sin Característica PB - Broca Contraída de PN - Boquilla Taponada Desgaste
* Mostrar el # del cono en la ubicación (4)
Estructura de corte Interna Externa Característ.Ubicación
1
2
3
Cojinete/ Sellos
Calibre
Otra Caract.
Razón de Sacar
5
6
7
8
4
8 Razón de la sacada / terminación de la corrida BHA - Cambio de BHA
CM - Condición del lodo
DMF - Falla del motor de fondo
CP - Punto de núcleo
DTF - Falla de herramienta de fondo (MWD, etc)
DP - Tapón FM - Cambio de formación litológica
DSF - Falla de la sarta de perforación
HP - Problemas en el hueco
DST - Prueba de sarta de perforación
HR - Horas de la broca
LOG - Corrida de registro LIH
- Perdida en el hueco
PP - Presión de bomba PR - Rata de penetración
RIG - Reparaciones del taladro TD - Profundidad total / Punto de revestidor TQ - Torque TW - Rotura de la sarta de perforación WC - Condiciones climáticas WO - Lavado de la sarta de perforación
BROKEN CONE
Broken Cone (BC) Cono Roto • Interferencia de conos • Se dejó caer la broca • La broca golpeó un borde durante un viaje o conexión • Fragilidad por H2S
BROKEN TEETH
BROKEN TEETH
BROKEN TEETH
Broken Teeth (BT) Dientes/Insertos Rotos • Broca corrida sobre chatarra • Broca golpeada o se dejó caer • Excesivo WOB (hileras internas) • Excesivas RPM (hileras externas) • Inapropiado asentamiento • Formación muy dura
BALLED UP
BALLED UP
Balled Up (BU) Broca Embolada • Pobre hidráulica • Propiedades del lodo • Forzar la broca contra la formación con las bombas apagadas • Formación pegajosa y/o plástica
CRACKED CONE
Cracked Cone (CC) Cono Agrietado • La broca corrió sobre basura • La broca fue golpeada contra un saliente • Se dejó caer la broca • Recalentamiento de la broca • Reducción del grosor de la carcaza del cono debido a erosión • Fragilidad por H2S
CONE DRAGGED
Cone Dragged (CD) Cono Arrastrado • Falla de cojinete • Conos trabados por chatarra • Broca fue forzada en un hoyo de menor tamaño • Embolamiento • Asentamiento inapropiado
CONE INTERFERENCE
CONE INTERFERENCE
Cone Interference (CI) Interferencia de Conos • Repaso de un hoyo bajo calibre con excesivo peso • Forzar la broca en un hoyo de menor diámetro • Falla de cojinete
CORED BIT
CORED BIT
Cored (CR) Broca Coronada • Abrasividad de la formación desgasta la estructura de corte en las narices de los conos • Asentamiento inapropiado • Erosión en la nariz del cono • Chatarra que rompa los insertos de la nariz
CHIPPED TEETH
CHIPPED TEETH
Chipped Teeth (CT) Dientes/Insertos Astillados • Vibración de la sarta • Impacto • Interferencia de conos • Broca muy agresiva para la formación
EROSION
EROSION
Erosión (ER) • Contacto de una formación abrasiva con la carcaza del cono (“tracking”, excesivo WOB) • Retrituración de ripios debido a pobre hidráulica • Excesivos regímenes de flujo • Lodos abrasivos o pobre control de sólidos
FLAT CRESTED WEAR
Flat Crested Wear (FC) Desgaste Plano • Bajo peso sobre la broca y altas revoluciones por minuto para control de desviación, por ejemplo.
HEAT CHEACKING
Heat Checking (HC) Daño por Calor • Los conos han sido arrastrados • Repasos de hoyos ligeramente reducidos a altas RPM • Altas RPM en formaciones abrasivas
JUNK DAMAGE
Junk Damage (JD) Daño por Chatarra • Chatarra caída desde superficie • Chatarra caída del ensamblaje de fondo • Chatarra dejada por una broca corrida anteriormente • Chatarra de la misma broca
LOST CONE
Lost Cone (LC) Cono Perdido • La broca se dejó caer dentro del hoyo durante una conexión o un viaje • Falla de cojinete (sistema de retención) • Fragilidad por H2S
LOST NOZZLE
Lost Nozzle (LN) Boquilla Perdida • Instalación inadecuada de la boquilla • Boquilla inapropiada • Erosión de la boquilla y/o su sistema de retención
LOST TEETH
LOST TEETH
Lost Teeth (LT) Inserto Perdido • Erosión de la carcaza del cono • Agrietamiento de la carcaza del cono • Fractura producida por H2S
OFF CENTER
Off Center Wear (OC) Desgaste Excéntrico • Cambio de una formación quebradiza a plástica • Inadecuada estabilización • Peso sobre la broca inadecuado • Presión hidrostática excede la presión de formación
Pinched Bit (PB) Broca Contraída • La broca es forzada en un hoyo reducido • Broca tricónica que es forzada en hoyo previamente perforado por una broca de cortadores fijos • Forzar la broca a través de un revestidor con un “drift” no apropiado menor a su diámetro • Broca forzada dentro un bit-breaker inapropiado
PLUGGED NOZZLE
PLUGGED NOZZLE
Plugged Nozzle (PN) Boquilla Taponada • Material anti-pérdida • Basura en los tanques de lodo • Basura proveniente de un motor de fondo y/o MWD • Sellos de las bombas
ROUNDED GAGE
Rounded Gage (RG) Calibre Redondeado • Perforar una formación abrasiva con demasiadas RPM • Repaso de un hoyo reducido • Broca con demasiado “offset”
SHIRTTAIL DAMAGE
SHIRTTAIL DAMAGE
Shirttail Damage (SD) Daño del Faldón • Basura en el hoyo • Broca “Pinched” • Hidráulica pobre • Huecos muy desviados
SELF SHARPENING
Self Sharpening (SS) Auto afilado • Ocurre cuando el diente se desgasta de una manera tal que mantiene una cresta filosa
TRACKING
Tracking (TR) Seguimiento • Cambio de una formación quebradiza a otra plástica • La presión hidrostática excede la presión de formación • La broca es muy “liviana” para el tipo de formación que se perfora
WASH OUT
Washed Out Bit (WO) Broca Lavada • Porosidad en las uniones soldadas de la broca • Grietas debido a impacto • Grietas debido a H2S
WORN TEETH
WORN TEETH
Worn Teeth (WT) Diente/Inserto Desgastado • Característica normal de desgaste
Ejemplos de la evaluación de desgaste IADC
Puntos claves al momento de evaluar una broca •
Saber cómo luce una broca nueva, para comparar
•
Condiciones de desgaste normales para la aplicación
•
Tener clara la secuencia de los eventos
•
“Pintarse” una imagen mental
•
COHERENCIA en la evaluación
Prueba de perforabilidad (Drill Off Test) •
Establezca la rata de flujo recomendada para tamaño del hueco.
•
Establezca rotación (mantener fijas las revoluciones por minuto).
•
Lentamente incrementar el peso sobre la broca hasta el máximo recomendado por el fabricante, el limitante de torque en el BHA o la rotaria.
•
Mantener la velocidad de la rotaria constante (RPM).
•
Registrar la rata de penetración instantánea para incrementos de 2000 lbs de peso (WOB).
Prueba de perforabilidad (Drill Off Test) •
Graficar la rata de penetración instantánea contra el peso sobre la broca, identificando: El máximo peso efectivo, el rango de peso (WOB) en el cual se observa respuesta en la rata de penetración y el rango de peso donde no se aprecian cambios en la ROP.
•
Seleccionar la menor RPM que optimice la rata de penetración cuando se perforen formaciones duras y abrasivas.
