INTRODUCCION La selección de los Trepanos de perforación es un aspecto crucial para la operación de todos los proyectos de perforación. Entender los diferentes tipos de Trepano y sus respectivas aplicaciones es un pre-requisito para hacer la selección del Trepano. La perforación de pozos involucra no solo el Trepano correcto en la aplicación correcta, sino también operarlo al mismo con los parámetros correctos y el conjunto de fondo adecuado. Dado que la tecnología de los Trepanos sigue mejorando a un paso rápido, el personal del pozo, deben estar actualizados acerca de los últimos avances para asegurar que hacen la selección óptima del Trepano. DESARROLLO El Trepano es la herramienta clave para la excavación de pozos de buena calidad, la misma se encuentra localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación y se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de perforación rotatoria. Su correcta selección y las condiciones óptimas de operación son las dos premisas esenciales para lograr el éxito en el proceso de perforación. * PRINCIPIO DE OPERACIÓN Los Trepanos tienen como objetivo principal y fundamental: Fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y compresión. La forma de ataque dependerá del tipo y características de la roca, como su dureza y o abrasividad. Mecanismo de corte Para perforar un pozo, el Trepano debe transmitir la suficiente energía a la formación para quebrar la roca y remover los recortes. El objetivo principal del diseño de un Trepano es cortar la roca tan eficientemente como sea posible. La configuración hidráulica de los Trepanos debe asegurar que el fondo del pozo y la estructura de corte se mantengan limpias y refrigerada la herramienta. Existen dos o mas mecanismo de ataque, pero los principales son los producidos por los Trepanos triconicos y los Trepanos de cortadores fijos mas conocidos como PDC. Los Trepanos triconicos por lo general, fractura la roca por compresión (trituración.) Cuando se tritura la formación, se ejerce una carga
perpendicular a la roca dando lugar a una serie de fracturas que se propagan radialmente desde el punto de contacto. Sin embargo el mecanismo es un poco más complejo dada la geometría particular de algunos tipos de trepano que detallaremos mas adelante. Fractura de la roca por compresión El cortador PDC fractura la roca por corte. Durante esta acción de corte la dirección de la carga y la fractura resultante son aproximadamente paralelas. A medida que el cortador penetra en la formación, la punta del cortador corta y elimina el material en capas. Fractura de la roca por corte * TREPANOS TRICONOS Como su nombre lo indica, estos Trépanos tienen tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Varían de acuerdo con su estructura de corte ya que pueden tener dientes de aceros maquinados (ST) o de inserto de carburo de tungsteno (TCI). Dientes de Acero Maquinados Dientes de Insertos Consta de tres importantes componentes: * La estructura cortadora (diente): La estructura de corte está montada sobre los cojinetes, los cuales corren sobre pernos y constituyen una parte integral del cuerpo del Trepano. Existen dos tipos: 1. DIENTES DE ACERO (ST) 2. INSERTOD DE CARBURO DE TUNGSTENO (TCI) * Sistema de rodamiento: Existen dos tipos: 1. COJINETE A FRICCION 2. COJINETE A RODILLO * Cuerpo del Trepano: El cuerpo del Trepano consta de: 1. Una conexión roscada que une el Trepano 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. Punta de lanza
Hilera Hilera Hilera Interna Nariz Cono Cojinete Pata del Trepano Sistema Compensador de Presión Dientes/Insertos Compactos del calibre Shirttail Boquilla Pad de estabilización Shank API Identificación de la Mecha
Figura 1.2 Ubicaciones de las Estructuras de Corte Diseño y Posicionamiento del Cono La geometría del cono controla la acción de perforación del Trepano. Las formas de los conos y su correspondiente orientación proporcionan los diferentes tipos de acción de corte necesarios para perforar formaciones diversas. La acción de trituración y desmenuzado deseada para formaciones duras
está suministrada por las formas y posicionamiento de los conos que se aproximen lo máximo posible a una rotación pura mientras que la acción de paleo y corte por arrastre deseada para formaciones más blandas está suministrada por las formas y posicionamiento de los conos que se alejen lo máximo posible de una rotación pura. Cono con Rotación Pura (El eje de rotación coincide con su vértice) Offset (Excentricidad) del Cono El offset del cono se define como la distancia horizontal que existe entre el eje geométrico de Trepano y un plano vertical que contenga al eje geométrico del cono. El grado de offset es uno de los principales factores a tener en cuenta debido al efecto que tiene sobre el tipo de acción de corte. En formaciones blandas y menos abrasivas, los offsets altos pueden incrementar sustancialmente la tasa de penetración debido al aumento en el deslizamiento y corte por arrastre de los dientes mientras se encuentran en contacto con la formación. Si la formación es demasiado abrasiva para el grado de offset que posee el cono, se producirá un desgaste excesivo en la hilera del heel y en los gauge trimmers. El offset puede mejorar la ROP si se lo utiliza en aplicación adecuada pero por el contrario puede dañar no sólo éste sino la vida del Trepano si se lo utiliza en la aplicación incorrecta. Normalmente el grado de offset indica el grado de dureza de formación para el que se encuentra diseñado el Trepano – cuando mayor sea el offset más liviana será la estructura de la barrena. Ángulo del Cono Si bien los biseles de la hilera tanto interna, intermedia como del heel cuentan con ángulos del cono, el que se conoce como tal es el del bisel de la hilera interna. El ángulo del cono es, por consiguiente, el que se toma desde el extremo interior. Ángulo del Cono El ángulo del bisel del heel controla una parte de la acción de perforación ya que la diferencia entre los ejes normales de rotación para los ángulos de la hilera interna y del heel afecta la acción de deslizamiento y raspado de los
dientes del cono. La diferencia entre los ángulos del cono de la hilera interna y del heel es menor en conos para formaciones duras que para formaciones blandas. La acción de deslizamiento y raspado se reduce cuando los dos ángulos del cono se acercan. Código IADC para Trepano Tricono. Los Trepanos triconos son los más utilizados en la perforación petrolera, y para otras aplicaciones. Cada compañía tiene sus propios diseños con características específicas. Para evitar confusiones entre los diferentes tipos de Trepanos equivalentes en relación con sus distintos fabricantes, la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar los Trepanos Triconos de rodillos de acuerdo con: * El tipo de Estructura de corte (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 Trepano que ofrecen los fabricantes. El sistema de clasificación consta de tres dígitos: * Primer digito: Identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación. * Segundo digito: Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usara el Trepano. * Tercer digito: Identifica el sistema de rodamiento y lubricación del Trepano. 517G Serie de Estructura de corte | | Tipo de Estructura de Corte | | Descripción de Cojinetes | | Características Disponibles (Opcional) | |||||||
|||||||||| Trep. De dientes acero | Form. blanda con compresion baja, y de alta perforabilidad | 1 | | 1 se refiere a la formación más blanda en una serie particular y 4 se refiere a la formación más dura dentro de la misma serie. | | Cojinete a rodillo estandar | 1 | | A- Aplicación de aire | | | | | | | | | | B- Cojinete con sello especial | | Form. Medio duro con altas resistencia a lacompresión. | 2 | | | | Cojinete a rodillo enfriado por aire | 2 | | C- Jet Central | | | | | | | | | | D- Desviacion controlada | | Form. Duras semi-abrasivos y abrasivos | 3 | | | | Cojinete a rodillo con calibre protegido | 3 | | E- Boquilla extendidas | | | | | | | | | | G- Calibre/Cuerpo protegido | Trep. De
insertos. | Form. blandas con Baja Resistencia a la compresión y de alta perforabilidad | 4 | | | | Cojinete a rodillo sellado | 4 | | H- Direccion horizontal Appl. | | | | | | | | | | J- Jet deflexion | | Form. Suave a medio con baja resistencia a la compresión. | 5 | | | | Cojinete a rodillo sellado con calibre protegido | 5 | | L- Lug Pads | | | | | | | | | | M-Motor de aplicaciones | | Form. media-dura con alta resistencia a la compresión | 6 | | | | Cojinete a friccion | 6 | | S-Dientes de acero Estandar | | | | | | | | | | T- Trapano de dos cono | | Formaciones duras semi-abrasivos y abrasivos | 7 | | | | Cojinete a friccion sellado con calibre protegido | 7 | | W- Mejora en Estructura de Corte | | | | | | | | | | X- Predomina dientes de inserto (cinsel) | | Formaciones muy duras y abrasivas | 8 | | | | | | | Y- Dientes de inserto conicos | | | | | | | | | | Z- Otras formas de insertos- | * TREPANOS DE ARRASTRE La estructura de un Trepano de Arrastre se puede descomponer en tres grandes componentes:
1. La estructura de corte 2. El cuerpo (también denominado corona): Puede ser de acero o carburo de tungsteno (matriz) 3. El shank (espiga) En realidad, la estructura de corte está íntimamente vinculada a la corona, pero debido a la gran importancia de los elementos de corte en las aplicaciones del trepano, se los considera como una entidad separada. Todos los tipos de este trepano poseen, esencialmente, los mismos componentes pero distintos elementos de corte y sistemas hidráulicos. Chaflan de la Corona Pad del Calibre Cortadores PDC Boquilla Cuerpo del Trepano (Matriz) Blank Soldadura Ranura del Plato Ajuste Shank Ranura de Identificación Conexión API Corte transversal de una barrena PDC Boquilla Cortadores Aletas Vista frontal de una barrena PDC 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. Los Trepanos de diamantes, a excepción de los PDC, no usan toberas intercambiables 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 del Trepano y entre los diamantes por unos canales llamados
vías de circulación. Trepanos de diamantes natural El tipo de flujo es radial y el tipo de cortadores es de diamante natural incrustado en el cuerpo del Trepano con diferentes diseños. El mecanismo de corte es por fricción y arrastre. Diamante Natural Impregnados El uso de estos Trepanos es limitado salvo en casos especiales para formaciones duras, cortar núcleos de formación y como Trepano desviadores 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. Trepanos de diamantes Térmicamente Estables (TSP) Son utilizadas para perforar rocas duras como caliza, 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 característicos de cada fabricante. Trep. De Diamante Térmicamente Estables (TSP) Trepano de Compacto de Diamantes Policristalinos (PDC) El diseño de los cortadores está hecho con diamante sintético en forma de pastillas (compacto de diamante). A diferencia de los Trepanos de diamantes natural y TSP, su diseño hidráulico se realiza con sistemas de toberas para lodo, el igual que los Trepanos Triconos. Por su diseño y características, los 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 el Trepano. Por su versatilidad son las más utilizadas. Codigo IADC para Trepanos de cortadores fijos. La IADC desarrollo el código para este tipo de Trepanos que consta de cuatros caracteres (una letra y tres números) que describen siete características básicas: 1. Tipo de cortadores.
2. Material del cuerpo del Trepano. 3. Perfil del Trepano. 4. Diseño hidráulico para el fluido de perforación. 5. Distribución del flujo. 6. Tamaño de los cortadores. 7. Densidad de los cortadores. 1er CARÁCTER | 2do CARÁCTER | 3er CARÁCTER | 4to CARÁCTER | |T I P O D E C O R T A D O R|M A T E R I A L D E L C
U E R P O | PERFIL DEL CUERPO | DISEÑO HIDRAULICO | TAMAÑO Y DENSIDAD DE CORTADORES | |||A L T U R A D E L F L A N C O | ALTURA DEL CONO | D I S T R I B D E C O R T
A D O R E S | TIPO DE ORIFICO | T A M A Ñ O | DENSIDAD | ||||||||| | | | | ALTA | MEDIA | BAJA | | B O Q U I L L A S|O R I F F I J O|S A L I D A A B
I E R T A | | ALTA | MEDIA | BAJA | ||||||||||||||| ||||||||||||||| ||||||||||||||| ||||||||||||||| ||||||||||||||| ||||||||||||||| ||||||||||||||| D | DIAMANTE NATURAL | MATRIZ | ALTO | 1 | 2 | 3 | ALTO | 1 | 2 | 3 | GRANDE | 1 | 2 | 3 | ||||||||||||||| M | PDC | MATRIZ | MEDIO | 4 | 5 | 6 | MEDIO | 4 | 5 | 6 | MEDIANO | 4 | 5 | 6| ||||||||||||||| S | PDC | ACERO | BAJO | 7 | 8 | 9 | BAJO | 7 | 8 | 9 | PEQUEÑO | 7 | 8 | 9 | ||||||||||||||| T | TSP | MATRIZ | ORIFICIO DE DOBLE CENTRO O ASIMETRICO | R: Flujo Radial X: Flujo cruzado O: Otro | O: Impregnado | |||||| SELECCIÓN DE TREPANO Para el proceso de selección del Trepano es fundamental conocer los objetivos de la perforación. Los principales aspectos que se deben tomar en cuenta para la selección del Trepano son: * RENDIMIENTO DEL TREPANO: uno de los principales objetivos de los técnicos es perforar el pozo en el menor tiempo posible que sea, perforar la mayor cantidad de metros en un tiempo de rotación aceptable. * TRAYECTORIA DEL POZO VERTICAL O DIRECCIONAL: En pozos direccionales los Trepanos de diamantes tienen una ventaja específica sobre los triconos debido a su gran alcance y sus posibilidades de perforara
en sentido horizontal. * ECONOMIA: El factor económico es fundamental para la selección del Trepano. * LITOLOGIA: Por lo general la información geologica es la primera que se necesita para determinar la mejor selección de los Trepanos: Tipo de roca, dureza, homogeneidad, fracturas, etc. * REGISTRO DE TREPANO: Un análisis objetivo de los pozos de correlación ofrece la oportunidad de comprender las condiciones en el fondo del pozo, las limitaciones de su perforacion y en muchos casos la adecuada selección del Trepano. * FLUIDOS DE PERFORACION: El tipo y calidad del fluido de perforación utilizado tiene un importante afecto en el rendimiento del Trepano. Los fluidos base inversa mejoran el rendimiento (PDC). * HIDEAULICA: La hidráulica proporciona el enfriamiento, limpieza del Trepano y del fondo del pozo levantando los recortes. El análisis histórico mostrara los parámetros utilizados y que oportunidades existen para una mejor utilización. * COSTOS: El Trepano debe tener las cualidades que satisfagan las necesidades de aplicación al menor costo. * LIMITACIONES DEL PESO SORE EL TREPANO: Cuando se presenta esta situación, un Trepano de cortadores fijos (PDC) tiene posibilidades de ofrecer un mayor ritmo de penetración que un tricono. * ESCALA DE RPM: Cuando se aplica alta velocidad de rotación del Trepano, el Trepano de arrastre de diamantes nos ofrece mayor eficiencia que los tricono. GEOLOGIA CICLO DEVONICO Son Lutitas y Areniscas que fueron depositadas en ambiente marino y costero. Desde el punto de vista formal está compuesto por las Formaciones Santa Rosa, Icla, Huamampampa y Los Monos. Esta última formación es roca madre de hidrocarburos. La parte inferior de la Fm Los Monos se considera generadora de gas y marginal de petróleo y Los Monos superior se considera generadora de petróleo. La Fm Icla es roca madre potencial. Por otra parte, las cuarcitas y areniscas cuarzosas de las
formaciones Santa Rosa y Humampampa son reservorios de hidrocarburos. Formación los Monos. La Fm los Monos es una arcilla negro sobre-presionada con intercalaciones de Areniscas cuarsiticas. Los monos pueden ser descriptos en tres diferentes secciones. Las secciones superior e inferior presentan cantidades más elevadas de Areniscas y se espera que sean normalmente presionadas. La sección del medio que consiste principalmente de arcilla negra (pelitas). Esta tectónicamente tensionado y se espera que sea sobreprecionada. Los problemas de estabilidad mecánica de las paredes del pozo asociada con esta parte de la formación los monos requieren peso adicional del lodo, y propiedades adecuadas del fluido (perdida de fluido, indivisión) mientras se perfora. En base a datos de pozos perforados, estos han tenido problemas de Aprisionamiento de Herramienta mientras se perfora este intervalo lo que llevo a trabajo de pesca y a un Sidetrack en lo peor de los casos. Pueden experimentarse pérdida de filtración en la sección inferior de los Monos donde se espera cantidades más elevadas de Arenisca. Deberían esperarse incrementos de gas de fondo con la profundidad, especialmente debajo de 4100 mts. Formación Huamampampa La Fm Huamampampa consiste principalmente de areniscas cuarsiticas macizas fracturadas con finas capas de limolitas y arcillas. Es el principal reservorio de gas del área norte. Está dividida en dos secciones. El “B sucio” que presenta intercalaciones de areniscas y arcillas. Y el “B limpio” que consiste de areniscas limpias. Se espera un espesor de formación de +/- 400 mts. Es una formación abrasiva debido a la matriz cuarzocementada. Puede presentar perdidas de circulación si se perfora en sobrebalance. Se predice que habrá manifestaciones de gas a través de todo el espesor. Formación Icla La Fm Icla consiste de intercalaciones de pelitas y areniscas cuarciticas fracturadas. Pertenece al mismo ciclo de posicional de la Fm Huamampampa. La Fm Icla también es abrasiva y puede presentar perdidas de circulación. Se espera perforar 500 mts de esta formación. Formación Santa Rosa
La Fm Santa Rosa consiste de areniscas cuarciticas masivas fracturadas con intercalaciones de limolitas Y arcillas. Tienen las mismas características que la formación Huamampampa. Sin embargo está bien clasificada, y los paquetes de pelita no están tan bien definidos como en la formación Huamampampa. Es una formación abrasiva debido a la matriz cuarzocementada. Puede presentar problemas de pérdidas de circulación si se perfora en elevado sobre-balance. Presenta manifestación de gas a través de todo el espesor. Objetivo principal del trabajo Para obtener el título de Ingeniero en Perforaciones, la compañía de servicios “Baker Hughes” acepto mi solicitud para realizar la pasantía obligatoria. Bajo la supervisión del Director de tesis Ing. ABDALA Víctor, profesor de las Cátedras de Perforaciones y el Codirector Ing. PARRAGA Gustavo de Baker Hughes S.A. En el trabajo Final Profesional cuyo título es “EVOLUCION EN LA SELECCIÓN DEL TREPANO PARA PERFORAR LA FORMACION HUAMAPAMPA”. La complejidad de las operaciones de perforación y las inversiones cada vez más costosas en esta actividad, requieren la necesidad de optimizar la utilización de los servicios y materiales que se utilizan en la perforación de pozos. El trepano es la herramienta que tiene mucha importancia en los costos de perforación, no tanto por su precio unitario, sino por el rendimiento, que afecta al tiempo útil de operación del equipo, costo del fluido de perforación, alquiler de otras herramienta, costo métrico y cualquier otro factor que sea afectado por el tiempo en el que realmente produce avance en la perforación. En áreas conocidas los registros históricos del rendimiento de trepanos son la fuente de información mas importante para diseñar el mejor programa de perforación de un campo en particular. Con esta información se realizan los cálculos y el mejoramiento de la perforación. El presente proyecto desarrolla un modelo estadístico, para optimizar la selección de trépanos de perforación en función de: * Evaluación de desgaste de Trépanos previamente utilizados. * Los rendimientos obtenidos de pozos vecinos. * Software especializado en cálculos y análisis para la selección.
* Las propiedades de los fluidos de perforación por emplearse. * Información geológica. * Los catálogos de Trepano. * La clasificación de trepano (International Association of Drilling Contractors “IADC”). . De todos los estudios de datos de pozos, en el transcurso de diez años, se evaluara la evolución que tuvieron los Trépanos y se definirá el mejor para perforar en la Fm Huamampampa con un diámetro de 8 ½”. Cronograma del trabajo TAREAS A REALIZAR | TIEMPO APROXIMADO | || Primera Etapa: Investigación bibliográfica de todo lo referente a Trépanos utilizados en la perforación de la Fm Huamampampa y descripción Geológica de dicha Formación. | 2 semanas | || Segunda Etapa: Clasificar y ordenar la información obtenida de tal forma de poder pasar a la 3 etapa. | 6 semanas | || Tercera Etapa: Análisis e Integración y Evaluación de los datos obtenidos. | 3 semanas | || Cuarta Etapa: Elaboración de conclusiones | 3 semanas | || Quinta Etapa: Confección de informe final | 3 semanas | || |||||||||||| CRONOGRAMA GENERAL (12 semanas) | | PRIMERA ETAPA | | | | | | | | | | | | SEGUNDA ETAPA | | | | | | | | | | | TERCERA ETAPA | | | | | | | | | | | | CUARTA ETAPA | | | | | | | | | | | | QUINTA ETAPA |
Apoyo Requerido
Trépanos Roller Cone (Rodillo) Dientes Insertos de Carburo de Tungsteno Trépanos Cortadores Fijos PDC y BI-Céntricos Diamante Natural e Impregnadas Otras herramientas de perforación: Estabilizadores de Sarta Estabilizadores de Fondo Sistema de Flujo Alterno - PBL Scrapper y Cepillos
Trépanos de Dientes:
Insertos de Carburo de Tungsteno:
PDC y Bi-Céntricos:
Diamante natural e impregnadas:
