trepanos

PROYECTO FINAL TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Título: Trépanos o barrenas de perforación Alumnos: Gonzales Rene Richard Heredia Salgueiro Cristian Gustavo Ponce de León Murillo Diego Ramírez Rodríguez Bruno Romero Juárez Marcos Fecha: 14/04/2016 Código de estudiante: Carrera: ingeniería en gas y petróleo Asignatura: perforación ll Grupo: “A” Docente: Ing. Marco Zeballos Periodo académico: VI semestre Subsede: Santa Cruz-Bolivia

Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Resumen: En el siguiente trabajo de investigación hablaremos acerca de los trépanos (Barrenas) de perforación, tipos de trépanos para la perforación, y sus diseños para todo tipo de formaciones, teniendo en cuenta las características de las formaciones y el perfil del programa del pozo.

Palabra clave: Trépanos (barrenas), tipos de trépanos, selección de barrenas de perforación. Abstract: On the following work of investigation, will be talk about of the drill bits, kind Of bits for the drilling, and its design for each kind of formations, considering the characteristics of the formations and the well profile.

Key words: drilling Bits, kind of drilling bits, selection of drilling bits.

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Asignatura: perforación ll Carrera: ingeniería en gas y petróleo

Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Tabla de contenido 1. Introducción.........................................................................................................4 1.1 ¿Qué es un trepano?.......................................................................................4 1.2 Principios de operación....................................................................................4 2. Tipos de barrenas...............................................................................................4 2.1 barrenas triconicas...........................................................................................5 2.1.1 Código IADC para barrenas triconicas......................................................7 2.2 barrenas de cortadores fijos (barrenas de diamantes)....................................9 2.2.1 barrenas de diamantes natural................................................................10 2.2.2 Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP)................................11 2.2.3 barrenas compactas de diamante policristalino (PDC)..........................12 2.2.4 Código IADC para barrenas de cortadores fijos.....................................13 2.3 barrenas especiales.......................................................................................14 3. Criterios para la selección de barrenas............................................................14

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Capítulo 1

1 Introducción En la industria petrolera se requiere bastante el uso de distintas herramienta, maquinarias pesadas especiales para distintas áreas o campos de trabajos. En el área de perforación es el lugar donde se requiere de un sinfín y variedad de equipos (herramientas y maquinarias), tanto para la perforación, cementación y producción del pozo. Entre una de las herramientas claves en el área de la perforación está el trepano o barrena de perforación. Éste debe ser diseñado acorde al tipo de formación que sera perforado, también se debe considerar o tomar en cuenta las presiones y temperaturas, que serán variables a medida que el pozo vaya tomando profundidad. Existen distintos tipos de trépanos o barrenas, que tienen distintos costos y durabilidad al trabajo. Esto depende del material que fue elaborado el trepano. Por lo tanto, el costo y durabilidad influye bastante en el diseño, ya que, si trabajamos solo con

un trepano o barrena económico, nos puede resultar a lo largo del

tiempo un gasto económico desfavorable.

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Trépanos o barrenas 1.1 ¿Qué es un trepano? Los trépanos o (barrenas de perforación) es 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 rotaria. Su función es perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de sus esfuerzos de comprensión y de corte. 1.2 Principios de operación Para realizar la operación, los trépanos o barrenas funcionan con base de dos principios esenciales; fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y de comprensión. 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 barrena y que vence la resistencia de la roca. De ahí es que se distinguen dos tipos de barrenas  

De dientes De arrastre

Para hacer la acción de ataque dependerá el tipo y características de formación que se desea cortar principalmente en función de su dureza.

2 Tipos de barrenas En la actualidad existen diferentes tipos de barrenas de perforación para pozos petroleros que difieren entre sí, ya sea en su estructura de corte (mecanismo de ataque) o por su sistema de rodamiento. De acuerdo con lo anterior, las barrenas se clasifican en:

5


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: 

Barrenas ticónicas



Barrenas especiales



Barrenas de cortadores fijos

2.1 barrenas tricónicas Las barrenas tricónicas son las más utilizadas en la actualidad para la perforación de pozos petroleros, consta de tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Por su estructura de corte se fabrican de. 

Dientes de acero fresado.



De inserto de carburo de tungsteno.

Por su sistema de rodamiento (perno) pueden ser de. 

Balero estándar (fig. #6)



Balero sellado

6


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor:



Chumaceras

Las barrenas triconicas constan de tres partes importantes. Estructura cortadora Se refiere al tipo de cortador o diente y está montado sobre el cojinete, los cuales se desplazan sobre los rodamientos.

Sistemas de rodamiento

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Existen tres diseños: rodillos y balines (balero estándar), autolubricados con rodillos y balines (balero sellado), de fricción autolubricados (chumacera).

Cuerpo de la barrena El cuerpo de la barrena consta de las siguientes partes. a) Una conexión roscada (piñón) que une a la barrena con una doble caja (portabarrena) del mismo

diámetro

de

los

lastrabarrenas. b) Tres ejes (muñón) del cojinete en donde van montada los conos. c) Tres conos d) Los depósitos que contienen los lubricantes para los cojinetes. e) Los orificios (toberas) a través de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar del fondo el recorte que perfora la barrena f) Cortadores (dientes o insertos) g) Hombro de la barrena El espacio permitido a los diferentes componentes depende del tipo de formación que perfora la barrena. Por ejemplo, las barrenas para formaciones blandas, que requieren poco peso tienen los cojinetes más pequeños, menor espesor de conos y la sección de las patas más delgadas que la de las barrenas para formaciones más duras. Esto permite más espacios para dientes largos. Las barrenas para formaciones más duras, que deben perforar bajo grandes pesos, tienen elementos de cortes más robustos, cojinetes más grandes y cuerpo más robustos.

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: El mecanismo principal de ataque de las barrenas ticónicas, ya sean de dientes maquinados o insertos, es de trituración por impacto. Este ataque causa que la roca falle por comprensión.

Las ventajas y consideraciones de cada una de las barrenas ticónicas se muestran a continuación. Barrenas de dientes fresados Ventajas alta velocidad de perforación buena estabilidad economía Consideraciones  

la velocidad de desgaste de los dientes la vida de los cojinetes

Barrena de insertos de carburo de tungsteno

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Ventajas   

durabilidad de la estructura de corte amplio rango de formaciones se puede dirigir y es estable

Consideraciones  velocidad de perforación más lenta  vida de los cojinetes 2.1.1 Código IADC para barrenas triconicas Para evitar confusión con los diferentes tipos de barrenas equivalentes a relación con sus distintos fabricantes, la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las barrenas triconicas de rodillos de acuerdo con.    

El tipo de diente (acero o inserto) El tipo de formación (en termino de serie y tipo) Las características mecánicas Función del fabricante

El sistema de clasificación consta de tres dígitos. (Anexos. Tabla #1) Primer digito Identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Dientes fresados para formación blanda Dientes fresados para formación media Dientes fresados para formación dura Dientes de inserto de tungsteno para formaciones muy blandas Dientes de inserto de tungsteno para formaciones blandas Dientes de inserto de tungsteno para formaciones medias Dientes de inserto de tungsteno para formaciones duras Dientes de inserto de tungsteno para formaciones extras duras

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Segundo digito Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usara la barrena y varía de suave a dura. 1. 2. 3. 4.

Para formación suave Para formación media suave Para formación media dura Para formación dura

Tercer digito Identifica el sistema de rodamiento y lubricación de la barrena 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Con toberas para lodos y balero estándar Toberas para aire y lodos con dientes diseño en T y balero estándar Balero estándar con protección en el calibre Balero estándar sellado autolubricable Balero sellado y protección al calibre Chumacera sellada Chumacera sellada y protección al calibre Para perforación direccional Otras.

2.2 barrenas de cortadores fijos (barrenas de diamantes) Las barrenas de cortadores finos son cuerpos compactos, sin partes móviles, con diamantes naturales o sintéticos incrustados parcialmente en su superficie interior y lateral que trituran a la formación por fricción o arrastre.

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Las características del diamante permiten perforar formaciones duras a semiduras sin problema, y en algunos tipos de barrenas, formaciones suaves. Las barrenas de diamantes no utilizan toberas (excepto las PDC). La circulación del flujo se realiza a través del centro de las mismas, alrededor de la cara de la barrena y los diamantes por unos canales llamados vías de aguas o circulación. El mecanismo de ataque de las barrenas de cortadores fijos es por raspado de las rocas, esto causa que la roca falle por esfuerzo de corte. Las barrenas de cortadores fijos se dividen en.   

Barrenas de diamantes natural Barrenas de diamantes térmicamente estables (TSP) Barrenas compactas de diamante policristalinos (PDC)

2.2.1 barrenas de diamantes natural Las barrenas de diamantes naturales, al igual que la de otros diamantes, tienen un cuerpo fijo cuyo material puede ser de matriz o acero. El tipo de flujo es radial o de contramatriz y el tipo de cortadores es de diamante natural incrustado en el cuerpo de la barrena. Algunos de los casos especiales donde se ocupan estas barrenas son. 12


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor:  

Para perforar formaciones muy duras Cortar núcleos con formación con corona de diamantes natural.



Como barrenas desviadoras (side track), para desviar pozos en formaciones muy duras y abrasivas.

El mecanismo de corte de este tipo de barrena es de fricción y arrastre, lo cual genera altas temperaturas. El tamaño del diamante varía de acuerdo con el tipo de diseño de la propia herramienta (entre más dura y abrasiva sea la formación) más pequeños serán los diamantes. Ventajas  Tienen gran vida útil  Gran capacidad para formaciones duras  Menor riesgo de sufrir daño en contacto con residuos metálicos en el pozo Consideraciones  Velocidad de perforación más lenta 13


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor:  Sensibilidad a las RPM  Aplicaciones de costos elevados 2.2.2 Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP) El diseño de las barrenas de diamantes térmicamente estable, al igual que el de los diamantes naturales, es de un solo cuerpo sin partes móviles. Son usadas para perforar rocas duras como (calizas dura, basalto y arenas finas duras, entre otras). Son

un

poco

más

usadas

para

la

perforación convencional que las barrenas de diamantes naturales. El uso de este tipo de barrenas es restringido

debido

a

que

presentan

dificultad en su uso por restricciones de hidráulica. Así las vías de circulación están prácticamente en contacto directo con la formación y, además, se generan altas torsiones en la tubería de perforación por la rotación de la sarta de perforación aunque se pueden usar con motores de fondo. Este tipo de barrena usa como estructura de corte, diamantes en forma de triángulos pequeños o redondos. Estas barrenas también son aplicadas para desviar pozos cuando así lo amerite el tipo de formación. Ventajas  

Los diamantes TPS pueden ser orientados en el cuerpo de la barrena Los diamantes TPS son auto-afilables, mientras se desgastan se afilan.

Consideraciones

14



Los diamantes TPS son más difíciles de unir al material de soporte que los PDC, es por eso que al igual que los diamantes naturales, que son utilizados para barrenas de tipos cuerpo de matriz, solamente.

2.2.3 barrenas compactas de diamante policristalino (PDC) Las

barrenas

PDC

pertenecen

al

conjunto de barrenas de diamantes con cuerpos sólidos y cortadores fijos, y al igual que las barrenas TSP, utilizan diamantes sintéticos. El diseño de sus cortadores es en forma de pastillas (compacto de diamante). La diferencia con la barrena de diamante natural y las TPS resulta en la hidráulica, ya que las barrenas PDC utilizan toberas para la circulación del lodo (igual que las barrenas triconicas).

El mecanismo de corte de las barrenas PDC es por arrastre. Por su diseño hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda y, además, por sus buenos resultados en la perforación rotatoria, este tipo de barrena es más usada en la actualidad para la perforación

de

pozos

petroleros.

También

representa

muchas

ventajas

económicas por su versatilidad.

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Ventajas  Disponible para perforar formaciones muy suaves y hasta muy duras  Disponibles en varios diámetros  Pueden ser rotadas a altas velocidades (RPM)  Facilidades en la hidráulica  Se puede utilizar con motor de fondo  Potencial de larga vida  Estabilidad del pozo Consecuencias  Daño por impacto  Presenta problemas de acuñamiento en formaciones deleznables y en pozos donde se desea repasar el agujero por constantes derrumbes de formación  Abrasividad 2.2.4 Código IADC para barrenas de cortadores fijos La IADC desarrollo un sistema de codificación de las barrenas de cortadores fijo que incluye a todos los tipos (diamante natural policristalinos, diamante térmicamente estables). Este código consiste en cuatros caracteres (una letra y tres números) que describen siete características básicas.       

Tipo de cortador Material del cuerpo de la barrena Perfil de la barrena Diseño hidráulico para el fluido de perforación Distribución del flujo Tamaño de los cortadores Densidad de los cortadores

La clasificación se representa mediante un código de cuatro cifras, cada digito se menciona a continuación. 1. Material del cuerpo: este puede ser de acero o matriz 16


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: 2. Densidad de cortadores: para barrenas PDC, este digito va de 1-5. Mientras más bajo es el número, la barrena tendrá menos cortadores. 3. Tamaños de los cortadores: este digito indica el tamaño del cortador que se usa. Puede ser 1, 2 o 3, de diámetro en orden descendente. 4. Forma: el ultimo digito indica el estilo general del cuerpo de la barrena y varia de 1 (forma achatada) a 4 (flanco largo). Cabe hacer notar, que a diferencia del código IADC para barrenas triconicas, el código IADC para barrenas de diamante no las relacionas con la formación a perforar, si no identifica sus características más elementales. (Anexos. Tabla #2)

2.3 barrenas especiales



Barrenas de chorros desviadoras: se emplean para la perforación direccional de

formaciones

blandas

durante

operaciones de desviación del agujero. La tubería de perforación y la barrena especial son bajadas dentro del agujero; y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión de las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en una dirección específica. 

Barrenas de chorro de aires: las barrenas de chorro de aire están diseñada para la perforación con aire, gas o neblina, como medio de circulación. Estas barrenas están provistas de conductos para circular parte del aire, gas o neblina a través de los cojinetes no sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios. Los filtros de tela metálicas colocado sobre 17


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: la abertura de la entrada de aire evitan que los ripios, u otras materias extrañas, obstruyan los cojinetes.



Barrenas nucleadoras: permiten la extracción de núcleos, preservando en

excelentes

condiciones

las

muestras de rocas.



Barrenas

ampliadoras:

permiten

ampliar el diámetro del pozo para ciertas

operaciones

como

asentamiento de tuberías de revestimiento.

18



Barrenas bicentricas: al igual que las ampliadoras, se utiliza para la ampliación del diámetro del pozo, ya sea desde la boca del pozo o desde una profundidad determinada.

3 Criterios para la selección de barrenas Para el proceso de selección de una barrena es fundamental conocer los objetivos de perforacion, que incluye todo tipo de requisitos especiales del operador para perforar el pozo. Esta información ayudara a determinar las mejores características de la barrena que se requiera durante la perforación. A continuación se mencionan los criterios que se deben considerar para seleccionar la barrena óptima.

Objetivos de perforación Rendimiento Uno de los principales objetivos de perforación es perforar el pozo en el menor tiempo posible (velocidad de penetración). Para cumplir dicho objetivo se debe seleccionar las barrenas con más rendimiento (tiempo de vida) para evitar perder tiempo en el cambio de barrena por el desgaste de esta. Direccional

19


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: El tipo de pozo direccional es un criterio importante cundo se debe seleccionar las características de las barrenas ya sean triconicas o de diamantes. Una de las ventajas específicas de las barrenas ya sean triconicas o de diamantes. Una de las ventajas específicas de las barrenas con diamantes es su gran alcance y posibilidad para perforar en sentido horizontal. La densidad de los cortadores, la cantidad de aletas, el control de la vibración y el calibre de la barrena son, todos ellos, parámetros de selección fundamental cuando se estudian las aplicaciones direccionales. Economía De este factor depende si se selecciona una barrena de diamante (la cual representa muchas ventajas pero con elevados costos). Si los costos no permiten contar con barrenas de diamantes se deberá seleccionar barrenas triconicas.

Análisis histórico Un análisis de los pozos ofrece la oportunidad de comprender las condiciones en el fondo del pozo, las limitaciones de la perforación y en algunos casos las adecuada selección de barrenas. Los análisis históricos comienzan con una correlación de registros o records de barrena e información relacionada al pozo.

4 Evaluación económica de rendimiento (m) Aunque representan apenas una fracción del costo total del equipo, las barrenas son unos de los elementos más críticos para calcular e aspecto económico de la perforación. El costo de una barrena de diamante puede ser barias veces más alto que el de una barrena ticónica de diente fresado o de inserto; de ahí que solo puede justificarse su uso con base en su rendimiento. Con el fin de evaluar su desempeño, se han usado varios parámetros de comparación como el costo de la barrena, velocidad de perforación, longitud perforada, etc. La utilización de estos 20


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: parámetros como indicadores de rendimiento, podrían ser apropiado solo en los casos cuya características especiales los justifiquen. En forma individual no es recomendable utilizarlo ya que se deben tomar en cuenta otros factores también importantes. El objetivo es lograr el menor costo de perforación sin poner en riesgo las operaciones; además se deben cumplir las especificaciones de perforación e inclusive observa las restricciones que pudieran existir. Por lo antes expuesto el método más aceptado hoy en día es el costo por metro. Para su cálculo se usa la siguiente ecuación:

Como se observa se incluye un parámetro denominado tiempo de conexión (Tc), el cual se calcula de la siguiente manera: se divide la longitud perforada (M) entre 9, 30, debido a que la longitud estándar de un tubo de perforación. Con la operación anterior se calcula el número de conexiones, posteriormente se multiplica por el tiempo en que se efectúa una conexión; este es variable de acuerdo con la experiencia del personal, el equipo utilizado en la condiciones de la operación. A continuación se presenta un ejemplo del cálculo del tiempo de conexión. M= 850 m Tiempo en efectuar una conexión = 7 min 21


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Tc = 850 m / 9.30 = 91.39 conexiones x 7min = 639.73 min Tc = 639.73 min / 60 = 10,66 h Para determinar el tiempo de viaje, como una práctica de campo, se utiliza la siguiente formula Tv = 0,004 h/m x la profundidad (m) Para determinar el factor 0.004 se supone que en 4 h de tubería viaja 1000 m (4 h/1000m = 0.004 h/m), sin embargo como ya se mencionó anteriormente, esto depende totalmente de la experiencia del personal, el equipo utilizado en las condiciones de operación. La ecuación de costo por metro de perforación es válida para cualquier tipo de barrena, incluso la de diamante. La fórmula se puede usar al terminar una corrida de perforación usando datos reales de la operación para calcular el costo por metro de la perforación, o se puede usar antes de iniciar la corrida asumiendo valores para calcular el dicho costo. La fórmula se puede emplear para comparar costo usando barreras de diamantes contra barrenas convencionales o comparar las ventajas económicas relativas con tipos diferentes de barrena de diamante. Anteriormente, a raíz de la introducción de las barrenas de diamante, casi todas las comparaciones se hacían con barrenas convencionales. Hoy sin embargo, un creciente número de las evaluaciones se hacen para comparar el rendimiento de diversas barrenas de diamantes. El costo previsto por metro perforado para una barrena propuesta suelen compararse con el costo real con otras barrenas empleadas para perforar en la misma región y bajos condiciones similares de perforación. Los pozos se usan para hacer las comparaciones suelen denominarse “vecinos”, o pozos de correlación (pozos offset). E general, la comparación es más valida mientras más 22


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: cercano este el pozo vecino a la localización propuesta y mientras más parecido sean los parámetros de perforación. Cuando se propone usar una barrena de diamante en regiones donde se usan barrenas triconicas convenciones, es muy útil efectuar un análisis de “igualdad de costo”, también conocido como “ni ganar, ni perder” (break even). El punto break even se refiere simplemente a los metros perforados y las horas requeridas a tratar de igual el costo por metro que se pudiera obtener para un pozo en particular si no se hubiese usado una barrena de diamante. Para obtener la “igualdad de costo”, se tiene que usar, para fines comparativos, un buen record de barrena de un pozo vecino. Si se usa el siguiente registro de barrena de 8 ½ pg. Tipo 517 que perforaron de 4000 a 4915m, se puede determinar si una barrena de diamante resulta económica.

Rendimiento de pozo vecino: Total de hora de rotación = 96 Tiempo total de viaje = 51 h Costo del equipo = 500$/h Costo total de barrena 11700 $ 23


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Total de metros perforados = 915 m Entonces el costo por metro del pozo vecino para el intervalo de 4000 a 4915 m es:

Para determinar una aplicación es acta para una barrena de diamante, los rendimiento del pozo vecinos se conocen, pero el rendimiento de la barrena se estima. Así, se tiene que asumir cuanto metro hay q perforar o el ritmo de penetración (ROP) que debe lograr la barrena en cuestión. Suponiendo los metros perforados se emplea, entonces, la siguiente fórmula para calcular el ritmo de penetración para ni ganar ni perder:

24


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor:

Las barrenas PDC tienen que perforar los 915 m. a un ritmo de penetración de 7,3 m/hr. Para igualar el costo por metro del pozo vecino de 90.92$ para los mismos 915 m. Si la velocidad de perforacion se asume se usa la siguiente fórmula para calcular el break even de metros perforado.

Entonces: en el ejemplo anterior si se asume un ritmo de penetración de 30 m/hr tenemos:

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Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: En este caso entonces la barrena de diamante tiene que perforar 285 m. para llegar al punto de igualdad del costo.

5 Determinaciones del momento óptimo para el cambio de barrenas Un

método

experimentado

para

determinar el momento exacto para suspender la perforacion y efectuar un cambio

de

calculando

barrena los

consiste

costos

por

en

ir

metros

parciales y graficar los mismos contra el tiempo. El costo por metro perforado al inicio de la perforacion con cualquier tipo de barrenas representara siempre el costo por metro más alto debido a que los metros perforados serán los más pocos. Lo anterior se observa en la gráfica #40: conforme se incrementa la longitud perforada y el tiempo, se tendrá una tendencia a disminuir el costo por metro, como se muestra en la (región 0A) de la gráfica #40. Posteriormente se tendrá un comportamiento más o menos constante, después la estabilización del costo por metro (región AB), y finalmente, se observara que se incrementa el costo por metro de la (región B para adelante). Esto podría indicar que la vida útil de la barrena ha terminado. El costo por metro aumenta en razón del grado de desgaste que ha alcanzado la barrena en su estructura de corte, en caso de barrenas de diamantes o en los sistemas de rodamientos para el caso de barrenas de conos. De lo anterior se concluye que el momento óptimo para efectuar el cambio de barrena es el punto B. es obvio que a partir de este, el costo por metro se empiece a incrementar porque se empieza a incrementar el costo por tiempo de perforacion y no así los metros perforados. La aplicación de este método puede complicarse si no se tiene la experiencia de campo suficiente para analizar lo que está pasando con todos los parámetros 26


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: involucrados: si el contacto geológico es el mismo, puesto que tienen propiedades en algunos casos totalmente diferentes, y la dureza, el factor más importante en cuanto al rendimiento de la barrena. Lo que no sería recomendable es cambiar las barrenas si los tiempos de perforacion se incrementan y mucho menos si la barrena que se está utilizando puede perforar en el cambio de contacto geológico. Otros puntos que se deben considerar pues suelen dar un indicio equivocado de que la barrena utilizada no es la más adecuada, y son los siguientes:   

Efectuar un cambio de fluido por alguna razón operativa Iniciar a desviar, incrementar, disminuir o mantener ángulo y rumbo Cambiar los parámetros de perforacion por alguna circunstancia obligada,



como el peso sobre la barrena, revoluciones por minutos, gastos, etc. La inclusión o eliminación de sartas navegables, puesto que en la sarta de perforacion pueden incluir motores de fondo o turbinas y lógicamente esto modifica las condiciones de operación.

Una vez mencionado lo anterior y tomando en cuenta que no siempre sera fácil elaborar la gráfica del costo por metro parcial contra el tiempo de perforacion en el pozo, por las condiciones propias del trabajo, se ha definido un parámetro llamado “TIEMPO MAXIMO PERMISIBLE” (TMP), el cual se calcula con las siguientes formulas:

El tiempo máximo permisible se refiere a que se debe detectar el punto de menor costo por metro parcial para dar por terminada la vida de la barrena, pero con una tolerancia para compensar los errores en la medición y registros de los datos puestos que en el equipo de perforacion no puede tenerse con exactitud al marcar un metro sobre la flecha y se perdería tiempo. 27


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: De esta manera cuando ya se tiene calculado el costo por metro parcial en un momento dado, simultáneamente se calcula el tiempo máximo permisible correspondiente, que sera la base de comparación para los metros que se perforen a continuación. Este tiempo máximo promedio expresa los minutos que deberán emplearse para perforar los metros siguientes. Cuando la penetración real en minutos por metros es mayor que el tiempo máximo permisible indica que el costo por metro parcial está aumentando y el momento de sacar la barrena para cambiarla se aproxima. Por lo contrario si la penetración real es menor que el tiempo máximo permisible, entonces indica que el costo por metro parcial sigue disminuyendo y la perforacion aún es costeable. Ahora si la tolerancia que se mencionó se aplica como a un 10%se podría decir que a 3185 m el TPM que es 13.3 min/m más el 10% de tolerancia, significa que los siguientes metros deberán perforarse en un tiempo máximo de 14.6 minutos cada uno para que sea a un costeable continuar perforando con esa barrena. Sin olvidar que los aspectos prácticos mencionados anteriormente se deben tomar en cuenta para tomar decisiones.

6 Optimización de la perforacion El concepto optimización de la perforacion fue aplicada originalmente al procedimiento de selección de la hidráulica de las barrenas. Posteriormente incluyo procedimientos propios de la selección del peso sobre barrena y velocidad de rotación. Recientemente se han utilizado en un sentido más amplio pues incluye a la penetración, selección y propiedades del lodo, tipos de barrenas y condiciones de operación, así como los tipos de tuberías de revestimiento y profundidades de asentamiento. Sin embargo, solo se puede manejar un número limitado de variables de perforacion utilizando procedimientos matemáticos formales de optimización. Las 28


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: ecuaciones derivadas a partir del modelo de perforacion que se presentara en este inciso se enfocan al proceso de la optimización del peso sobre la barrena, velocidad de rotación, hidráulica y diámetro de las toberas de las barrenas. 6.1 modelo matemático de la perforacion Los modelos matemáticos que simulan el comportamiento de la perforacion de pozos petroleros iniciaron su desarrollo durante el periodo llamado “científico”. En esta época se desarrollaron los primeros trabajos encaminados a optimizar los costos de perforacion. Las teorías sobre la perforacion al mínimo costo están basadas en una combinación de datos históricos y técnicas de predicción empíricas para seleccionar la combinación óptima de peso sobre la barrena y la velocidad de rotación o ambos. Un incremento en el peso sobre la barrena o en la velocidad de rotación, o en ambos, producirá una reducción en la vida útil de la barrena. Además, un cambio en el peso sobre la barrena o en la velocidad de rotación produce diferentes resultados sobre el ritmo de penetración y el ritmo de desgaste de la barrena, en función de sus condiciones en el momento en que esos cambios se realicen. La obtención del costo mínimo de perforacion requiere de una evaluación cuantitativa de las variables involucradas. Varias formas de modelos matemáticos básicos se han sugerido, pero todos ellos están expresados en cuatro relaciones básicas. Ecuación del costo de perforacion Ecuación del ritmo de penetración Ecuación del ritmo de descarga del diente (estructura de corte) 29


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Ecuación del ritmo de desgaste del balero (rodamientos) La solución a estas 4 relaciones básicas está sujeta a varias suposiciones: 

El costo de perforacion es la suma del costo de la barrena, el costo de



rotación y el costo de viaje. Las barrenas de diamantes policristalinos compacto (PCD) y de diamantes



no están incluidas La vida de la barrena se encuentra limitada ya sea por la vida del diente, la vida del balero o una combinación de los factores operacionales, que hace



necesario sacar la barrena antes que se desgaste totalmente. La hidráulica de perforacion es la adecuada y no limita el ritmo de



penetración La consideraciones del peso sobre la barrena y velocidad de rotación



excluyen problemas del agujero Las características de perforabilidad de una formación pueden expresarse



como un valor promedio para un intervalo perforado Las expresiones matemáticas y sus derivadas son correctas

6.1.1 Modelo de Bourgoyne y Young Este modelo fue desarrollado con base en sistemas en monitoreo de localización de pozos, que a su vez han permitido el desarrollo de rutinas para la determinación de mejores modelos matemáticos para la optimización de la perforacion. El modelo propuesto se realizó a través de un análisis de regresión múltiple de datos minuciosamente tomados de la perforacion e intervalos cortos. En el análisis se incluyen los efectos: Resistencia de la formación Profundidad de la formación Compactación de la formación Presión diferencial en el fondo del agujero Diámetro y peso sobre la barrena 30


Título: TREPANOS O BARRENAS DE PERFORACION Autor: Hidráulica de la barrena En este inciso se presentara un procedimiento de regresión para resolver las ecuaciones del modelo propuesto para:  

La selección del peso sobre barrena, velocidad de rotación e hidráulica de barrena El cálculo de la presión de formación a partir de datos de perforacion

La aplicación del procedimiento se ilustra utilizando datos del campo. Inicialmente se emplearon modelos para cada parámetro; esto es un modelo para la optimización del peso sobre la barrena y la velocidad de rotación; otro diferente para la optimización de la hidráulica de la barrena y otros más para la detección de presiones anormales a partir de datos de perforacion. Cada uno de estos modelos se basó en información de campo y laboratorio

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trepanos

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