Tubería Tubería de perforación o Drill Pipe Se entiende como tubería de perforación a la tubería de acero resistente pero poco pesada que se conecta al ensamblaje de fondo (BHA, Botom Hole Assembly) y termina enroscándose al Kelly o al op !ri"e, la cual se usa para transmitir la potencia potencia #enerada por los equipos de rotación a la mec$a y ser"ir como canal de flujo para transportar los fluidos de alta presión desde el taladro $asta los !rill %ollars y la mec$a& Se clasifican se#'n su diámetro, #rado del acero, lon#itud, peso por pie& a lon#itud tiene un promedio de * pies& os tubos se conectan por medios de juntas que se encuentran en los e+tremos denominada in (-ac$o) y Bo+ (Hembra) .s la que constituye la mayor parte de la sarta de perforación y que #eneralmente esta en tensión, y cuyo peso es sostenido por la torre o castillo& a tubería de perforación perforación de uso com'n esta laminada laminada en caliente, taladrada taladrada sin costura al que lue#o se suelda las cone+iones o tool joints& a tubería de perforación tiene una "ida "ida rela relati ti"a "ame ment nte e corta corta por lo que que es impo import rtant ante e un adecu adecuad ado o cuid cuidado ado y selección& selección& a parte más d/bil de la tubería de perforar es el cuerpo& or lo que el drill pipe es la parte más d/bil de la sarta& Conjunto de fondo o Bottom Hole Assembly (BHA) .l ensamblaje de fondo es la sección de la sarta de perforación que a#rupa el conjunto de $erramientas entre la mec$a y la tubería de perforación& iene como funciones proporcionar el peso requerido sobre la mec$a para ma+imi0ar la tasa de penetración, producir $oyos en calibre, e"itar la formación de des"iaciones tipo pata de perros y ojos de lla"es lla"es y minimi0ar "ibraciones "ibraciones y pe#amentos pe#amentos de la sarta de perforación& .stá compuesto por1 Barra de perforación (!rill %ollar) ubería pesada (Hea"y 2ei#$t) .stabili0adores y accesorios& • • •
.l BHA tambi/n puede contener otros componentes, como un motor de fondo orientable sistema rotatorio, la medición durante la perforación (-2!), y mientras que la tala de perforación (2!) (2!) $erramientas CO!"#$%AC"O&' D& BHA ipo ipo 3A3& 3A3& .sta .sta confi confi#u #urac ració ión n usa usa H2 enci encima ma de los los dril drilll coll collars ars como como una una transición para sua"i0ar el cambio abrupto de sección Sin embar#o el peso total sobre la broca se aplica con los drill collars& B& ipo 3B3& .sta confi#uración tiene suficientes drill collars para mantener un control adecuado de la dirección y lle#ar a un objeti"o aplicando peso sobre la
broca tanto con los drill collars como con los H2& .ste arre#lo mejora y facilita el manipuleo en superficie, disminuye la tendencia a atascamientos por diferencial y aparentemente disminuye las fallas de las cone+iones de los drill collars& %& ipo 3%3& .sta confi#uración tiene más de un tama4o de drill collars pero si#ue usando tanto los drill collars como los H. para peso sobre la broca& ambi/n disminuye el ries#o por diferencial a la "e0 que mantiene una mayor ri#ide0 y concentración para el peso sobre la broca& T"PO' D& BHAs CO&C"OA&' 56%76-& ambi/n llamado punto de pi"oteo& .s importante que la pared de los conjuntos de fondo proporcione lon#itud de contacto para ase#urar el alineamiento del $ueco que ya se $a perforado& a e+periencia $a confirmado que un solo estabili0ador act'a como un 5ulcrum o punto de pi"oteo& .sto $ace que el án#ulo del po0o cre0ca debido a las fuer0as laterales de los drill collars no estabili0ados ueden ser1 8& Simple (Slic9 assembly)& .stá conformado por broca, drill collars, y Hea"y 2ei#$t& .ste tipo de BHA tu"o muc$os problemas de des"iación de po0os y de atasques por diferencial :& -ulti componentes& .s aquel que además de los componentes básicos tienen al#una otra $erramienta tales como SB, reamers, ;ars, amorti#uadores, que ayudan a controlar la dirección& T%&PAO* 6n tr/pano es un dispositi"o que se coloca en el final de una sarta de perforación para que rompa, corte y muela las formaciones rocosas durante la perforación de un po0o petrolero& os tr/panos tienen $uecos para permitir el paso del fluido de perforación, que sale a c$orros por picos intercambiables& .l fluido de perforación lubrica y refri#era el tr/pano y ayuda a e+pulsar la roca molida $acia la superficie& .n formaciones rocosas no consolidadas los c$orros de a#ua a alta presión ayudan a remo"er la roca en forma directa permitiendo reducir los tiempos de perforado&
"mportancia de los tr+panos, os tr/panos de perforación representan un componente cla"e de la economía de la construcción del po0o& .l tiempo necesario para perforar un po0o se encuentra directamente relacionado con la rapide0 con la cual los tr/panos corten la formación y con el tiempo que conser"en su filo& .n t/rminos de costo por metro perforado, in"ertir en la barrena adecuada reduce en forma importante el costo total, ya que esto ayuda a disminuir el tiempo de perforación y el n'mero de "iajes de entrada y salida del po0o&
Tipos de Tr+panos, os tr/panos más utili0ados son los tr/panos triconos& oseen tres conos #iratorios que #iran en forma independiente, al mismo tiempo que la barrena rota al fondo del $ueco& %ada uno de los conos cuenta con estructuras cortantes (dientes de acero resistente al des#aste o insertos de carburo de tun#steno)& 6n dise4o posterior de tr/panos son los tr/panos de cortadores fijos, o de arrastre, formados por un cuerpo sólido sin partes mó"iles y elementos cortantes insertados en el cuerpo que #iran en conjunto& os elementos cortantes pueden ser superficies impre#nadas de diamante natural, o insertos de un compuesto policristalino de diamante (!%, en in#l/s)& .+isten otros tipos de tr/panos, pero se desarrollará solo los mencionados por ser los más utili0ados&
Tr+panos triconos, .stos tr/panos constan de tres importantes componentes& 8& as estructuras cortadoras, o cortadores& :& os cojinetes& & .l cuerpo del tr/pano& os conos están montados sobre cojinetes, los cuales rotan sobre pernos, constituyendo una parte fundamental del cuerpo del tr/pano& os elementos de corte del tr/pano de conos son $ileras circunferenciales de dientes e+tendidas sobre cada cono& anto las estructuras de corte como los cojinetes, son los componentes que mayor a"ance tu"ieron&
- &structuras de corte .+isten dos tipos de estructuras cortantes en los conos #iratorios1 8&os fabricados con dientes de acero, fundidos o forjados inte#ralmente con bordes de compuestos de carburo resistentes al des#aste& :&
li#eramente menores al tama4o de los insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos& os insertos de carburo de tun#steno permiten perforar rocas muy duras& .l carburo de tun#steno, tambi/n conocido como 2idia, es un compuesto cerámico más duro y más resistente al des#aste que el mejor acero, y puede perforar lar#os inter"alos antes de des#astarse& .l uso de carburo de tun#steno puede ser difícil, ya que el carburo es muy frá#il $aci/ndolo susceptible a astillarse y romperse& ara compensar esto, se elaboran pie0as de este material en forma de pol"o, a4adiendo entre un = y un 8*> de cobalto& A este material compuesto se lo denomina carburo cementado& .l carburo cementado es un compuesto de matri0 metálica en donde las partículas de carburo de tun#steno son el a#re#ado y el cobalto metálico sir"e como la matri0& .l proceso de combinación de carburo de tun#steno con cobalto se conoce como sinteri0ación o prensado isostático caliente (H<)& !urante este proceso el cobalto entra e"entualmente en fase líquida y los #ranos de 2% (con un mayor punto de fusión) permanecen en la fase sólida& .l resultado de este proceso es la incrustación ? cimentación de los #ranos de 2% en el cobalto y por tanto, creación del compuesto de matri0 metálica, con distintas propiedades materiales& a ductilidad natural del cobalto metálico sir"e para compensar los comportamientos característicos frá#iles de la cerámica de carburo de tun#steno, lo que aumenta su dure0a y durabilidad& .l contenido de cobalto y el tama4o de #rano se "arían para cambiar las propiedades de dure0a y ductilidad del inserto& @rano peque4o y bajo contenido de cobalto aumentan la dure0a y la resistencia al des#aste, a costa de una alta fra#ilidad& @ranos más #randes y un alto contenido de cobalto reducen la dure0a y la resistencia al des#aste, incrementándose la tenacidad& !ebe esco#erse las propiedades adecuadas en cada caso1 demasiado d'ctil ocasiona el des#aste prematuro, demasiado dura incrementa el rompimiento de los insertos bajo car#as se"eras& os insertos que tienen recubrimientos de compuestos de diamante utili0an capas de un compuesto policristalino de diamante de distinta calidad sobre los sustratos de carburo cementado& a capa superficial (fabricada casi de diamante puro) que corta la roca, se optimi0a para e"itar el des#aste a la abrasión, a la temperatura y al impacto en las aplicaciones de conos #iratorios& as diferencias en la e+pansión t/rmica y en la elasticidad entre los substratos de carburo cementado y los compuestos de diamante ori#inan incompatibilidad en cuanto a la dilatación& .stos incon"enientes se reducen mediante la aplicación de capas pro#resi"as intermedias& os insertos en forma de domo utili0an un recubrimiento uniforme de diamante, mientras que los recubrimientos de insertos con punta redondeada "arían de #ruesos en la punta a del#ados en los bordes& 6n recubrimiento de !% superficial de diamante casi puro y una o dos capas intermedias de diamante, carburo de tun#steno o combinaciones de cobalto, se sinteri0an, ocasionando que
le material a#lutinante se ad$iera firmemente a la base del carburo& os re"estimientos intermedios se optimi0an para minimi0ar las tensiones entre el diamante y el carburo de tun#steno ocasionadas por la diferencia en la e+pansión t/rmica entre el diamante y el carburo&
- Cojinetes Hay tres dise4os principales de cojinetes en uso en los tr/panos actuales, ellos son1 8&%ojinetes estándar de rodamientos a rodillos y bolillas& :& %ojinetes sellados con rodillos y bolillas& & %ojinetes sellados a fricción& os cojinetes estándar fueron los primeros en aparecer& a pista de los rodillos absorbe la mayor porción de los empujes radiales sobre los cortadores y el cojinete de nari0 absorbe una peque4a parte& a superficie de empuje perpendicular al perno del cono y la de fondo, están dise4adas para $acerse car#o de los empujes $acia afuera& a pista de las bolillas mantiene a los cortadores en su lu#ar y recibe los empujes de afuera $acia adentro& %uando al#unas partes del cojinete están #astadas, la pista de las bolillas tambi/n absorbe al#unas car#as radiales y al#unos empujes $acia afuera& as superficies antifricción se carburan, endurecen y templan& o obstante, el lodo y las sustancias sólidas da4aban a los cojinetes rápidamente& A pesar de utili0ar lubricantes especiales, la fati#a y el des#aste de las superficies del cojinete de rodillos, y los surcos sobre las pie0as de sujeción y los conos, limitaban la "ida del cojinete& 5ue entonces que se incluyeron sellos para mantener la #rasa dentro de los cojinetes y e"itar que los líquidos o las sustancias sólidas penetraran& os depósitos de #rasa en cada pie0a de sujeción proporcionan lubricación continua y el sistema de compensación del diafra#ma estabili0a la presión a tra"/s de los sellos& .n casos en los que los tr/panos están sometidos a #randes fuer0as, son necesarios cojinetes a fricción, debido a que las car#as se distribuyen sobre un área más #rande, en lu#ar de distribuirse 'nicamente sobre los rodillos& ara estos cojinetes se desarrolló un cojinete flotante plateado, constituido de una aleación de berilio y cobre que cuenta con mayor capacidad de car#a, superior maleabilidad y más resistencia al des#aste, y alta conducti"idad t/rmica para disipar el calor& .ste cojinete flotante #ira entre la superficie del cono y las superficies del cojinete liso para proporcionar cuatro superficies y un área de resbalamiento dos "eces mayor que la de los cojinetes de fricción con"encionales, lo que reduce las "elocidades relati"as y disminuye el des#aste& os cojinetes flotantes además tienen un
plateado que act'a como un lubricante sólido reduciendo la fricción y el des#aste&
- Cuerpo del tr+pano .l cuerpo del tr/pano consiste en1 8&6na cone+ión roscada que une el tr/pano con la columna de perforación& :& res ejes del cojinete donde "an montados los conos& & os depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes& & os orificios a tra"/s de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar el fondo del po0o& 6no de los propósitos del cuerpo del tr/pano es diri#ir el fluido de perforación& .stos fluidos tienen por objeto ma+imi0ar la penetración& ara ello el c$orro debe1 separar los recortes desprendidos, limpiar los conos y los cortadores, refri#erar el tr/pano, y transportar los recortes $acia la superficie para e"itar la pul"eri0ación de los mismos& ara ello las boquillas deben diri#ir el fluido $acia el fondo de la perforación y $acia los conos del tr/pano& a erosión del fluido sobre el cuerpo del tr/pano, pro"eniente de las altas "elocidades que alcan0a el fluido, se reducen a un mínimo con el empleo de las boquillas& as boquillas están construidas de carburo de tun#steno, el 'nico material capa0 de soportar la fuerte abrasión que produce la alta "elocidad del fluido al pasar por las mismas, alcan0ando "alores entre 8?C y 8? de la "elocidad del sonido& a cuerpo del tr/pano debe ser lo suficientemente robusto para soportar altas car#as, que pueden lle#ar a superar los *&*** K#& a composición de fuer0as sobre el tr/pano durante la perforación tiende a abrir las patas y a doblar los ejes de los conos&
Tr+panos de cortadores fijos. o de arrastre, Al i#ual que los tr/panos triconos, los tr/panos de arrastre están principalmente formados por los si#uientes elementos1 8&.l cuerpo del tr/pano& :& as estructuras cortadoras, o cortadores& %omo se dijo antes, los tr/panos de arrastre están formados por un cuerpo sólido sin partes mó"iles y elementos cortantes insertados en el cuerpo que #iran en conjunto& os elementos cortantes pueden ser1 de diamante natural, de insertos de !% o impre#nadas de diamante& Además, e+isten dos tipos de cuerpos1 los de acero y los de matri0&
Cuerpo del tr+pano* as barrenas de acero de una sola pie0a se fabrican mediante fresas controladas por computadora (%%), y las estructuras de corte se montan a presión en a#ujeros precisamente labrados y li#eramente más
peque4os, tambi/n perforados mediante fresas %%& .l acero es más blando que el carburo de tun#steno por lo que suele utili0arse el cementado para endurecer la superficie y resistir mejor la erosión& ambi/n se puede pueden aplicar metales duros en las áreas críticas& as barrenas de acero soportan mejor el impacto (mayor tenacidad) o las car#as de torsión y se prefieren para formaciones blandas y tama4os de a#ujeros #randes& .l carburo de tun#steno es más frá#il que el acero, pero posee una mayor resistencia a la erosión& os pol"os de carburo de tun#steno y una aleación ad$erente se colocan en un molde con un n'cleo de acero y se sinteri0an para producir barrenas de matri0& as partículas de carburo se unen y forman un enlace entre la parte interna del n'cleo de acero y la capa e+terior de carburo de tun#steno& as barrenas de matri0 duran más (en comparación con las de cuerpo de acero) y pueden fabricarse en formas complejas& Son las preferidas cuando el lodo tiene un alto contenido de sólido y para po0os que e+i#en tr/panos de "ida 'til prolon#ada&
&structuras de corte& os tr/panos impre#nados cuentan con diamantes en o cerca de la superficie de las cuc$illas& os diamantes naturales están montados en las barrenas con estructura de acero o pre"iamente fijados en las ca"idades del molde antes de sinteri0ar las barrenas de matri0 con carburo de tun#steno& os insertos de !% pueden montarse tanto en las barrenas de acero como en las barrenas de matri0& ambi/n e+isten tr/panos $íbridos que combinan cortadores !% con impre#nados de diamante& as barrenas de !% perforan rápido debido a la acción de corte que ejerce, lo que requiere menos ener#ía para las #randes car#as que ocasionan fallas por compresión en las formaciones& as barrenas de diamante natural y las barrenas impre#nadas de diamante perforan lentamente ranurando y pul"eri0ando respecti"amente, lo que $ace que ambas requieran una #ran car#a sobre el tr/pano y altos esfuer0os de torsión& as barrenas de cortadores fijos cuestan más, pero perforan más rápidamente y duran más que las barrenas de conos #iratorios en al#unas formaciones duras y abrasi"as& as barrenas de diamante natural e impre#nado de diamante son aptas para formaciones semiduras y e+tremadamente duras, cuya abrasi"idad es mediana o e+tremadamente alta& os tr/panos de !% son más adecuados para formaciones que "an de blandas a duras, con baja a alta abrasi"idad&
Tr+panos de diamante natural* as barrenas de diamante natural utili0an diamante industrial (no de la calidad del de las joyas) pro"eniente de las rocas naturales, que son trituradas y procesadas para producir tama4os específicos y
formas redondeadas re#ulares& os diamantes naturales se forman en 0onas profundas de la tierra sometidas a intenso calor y e+trema presión durante miles de a4os& %uando se introdujeron los tr/panos de diamante natural, se utili0aron peque4os diamantes en forma de arenilla& os diamantes se colocaron en cuc$illas de carburo de tun#steno durante la sinteri0ación, pero las cuc$illas tendieron a des#astarse demasiado rápido& Además, los diamantes se aflojaban y finalmente ori#inaban la detención de la perforación& .sto dio como resultado tr/panos con"encionales de diamantes con piedras más #randes fijadas si#uiendo patrones específicos& o obstante, cuando los diamantes naturales fijados en la superficie se salen de la matri0 o se pulen, no queda elementos duros y filosos para moler las formaciones&
Tr+panos de PDC* A principios de la d/cada de 8DE*, @eneral .lectric desarrolló un proceso de sinteri0ación para fabricar diamantes sint/ticos& !el#adas capas circulares de #rafito de carbono y cobalto se colocaban en forma alternada en peque4as latas y se prensaban 8&E** -a& ue#o se las calentaba $asta 8C** F% durante cinco minutos& .l cobalto fundido, actuando como catali0ador y sol"ente, disuel"e el #rafito y deposita arenilla monocristalina de diamante, la cual se con#lomera y se une para formar una fina capa policristalina de diamante& os cristales indi"iduales, como los diamantes naturales, se resquebrajan si las car#as de impacto se aplican en la dirección correcta, pero los diamantes policristalinos ad$eridos, no cuentan con planos de cli"aje y son más resistentes al impacto& os cortadores de !% están formados por discos de diamante sint/tico y substratos más #ruesos de carburo cementado& .l cobalto forma un enlace con el substrato para formar compactos inte#rales que con frecuencia se ad$ieren a refuer0os más lar#os de carburo cementado para el montaje& Al ser calentado, el cobalto se e+pande más que el diamante& A E** F% esta e+pansión quiebra el enlace entre el cobalto y el diamante, de modo que los cortadores de !% deben permanecer por debajo de esta temperatura para e"itar la falla& ara superar esta limitación, los diamantes policristalinos termalmente estables (S, en in#l/s) se producen tratando con ácido los nue"os diamantes sint/ticos con el fin de e+traer el cobalto& os cortadores de S permanecen estables a 88C* F%, pero son mantenidos en su lu#ar en forma mecánica debido a que ellos no pueden permanecer ad$eridos directamente a los soportes& .l silicio, el cual reacciona con las partículas de diamante para formar carburo de silicio, puede utili0arse en lu#ar del cobalto& .l carburo de silicio enla0a las partículas de diamante y posee un coeficiente de e+pansión t/rmica muc$o menor al del
cobalto& .sta forma de S es estable a más de 88C* F%, pero tambi/n es difícil de ad$erir& os cortadores !% son más resistentes al impacto que los diamantes naturales y son e+tremadamente eficaces en rocas duras moderadamente abrasi"as& Hasta 8DD e+istía una limitación debido a que $abía una relación in"ersa entre la resistencia al impacto y a la abrasión& .stas propiedades dependen principalmente del procesamiento y del tama4o de #rano del diamante& @ranos más #randes $acen que los compactos de diamante sean más resistentes al impacto, pero menos resistentes a la abrasión, y "ice"ersa& A partir de 8DD, 7eedGHycalo# optimi0ó las estructuras de corte del diamante& os cortadores clasificados como op 7i#$tG$and%orner (7%) se fabrican utili0ando una síntesis mejorada de diamante para me0clar diferentes tama4os de partículas de diamante que optimi0an tanto la resistencia a la abrasión como la resistencia a impacto& .l rendimiento del !% tambi/n se "e limitado por el espesor de la tabla de diamante, lo que es una función de la difusión del cobalto desde la capa de carburo cementado $acia la capa de diamante, y mediante esfuer0os inducidos por la e+pansión t/rmica y la contracción del carburo de tun#steno& a tensión residual alta y las partículas de diamante no sinteri0adas como resultado de una incompleta recolección de cobalto durante la síntesis de !%, ocasionan separación de las laminaciones, el descascarillado y el a#rietamiento de las tablas de diamante que acortan la "ida 'til del cortador y termina prematuramente con las carreras de los tr/panos& os modernos cortadores AS7A, utili0an dise4os con interfaces diamanteGcarburo no planas (<, en in#l/s) para resol"er estas limitaciones& a #eometría < reduce las tensiones residuales en los cortadores&
Tr+panos impre/nados de diamante& as partículas de diamante están suspendidas en la matri0 de carburo de tun#steno de las cuc$illas del tr/pano, a fin de incrementar en #ran medida la resistencia al des#aste& .n lu#ar de cortadores indi"iduales, la superficie total de la barrena contiene elementos cortantes situados tan profundamente como los canales de la $idráulica del tr/pano& os diamantes pul"eri0an las formaciones duras y los filos de las cuc$illas cortan las formaciones blandas en forma similar a las barrenas de !%& a "elocidad de penetración se reduce #radualmente a medida que las cuc$illas pierden el filo& a matri0 se des#asta para e+poner continuamente nue"os y filosos diamantes& a "ida 'til de la barrena es una función del "olumen impre#nado de diamante que puede colocarse en la parte frontal de la barrena& Hoy en día, las barrenas impre#nadas de diamante son capaces de perforar diferentes tipos de formaciones, que "an desde blandas a duras y abrasi"as&
Además, se pueden perforar formaciones interestratificadas& ara e+tender el ran#o de aplicación de estos tr/panos, se encuentran disponibles tres contornos distintos1 cono doble profundo, doble cono superficial redondeado y contorno redondeado plano& 6n balance entre las propiedades de la matri0 y del diamante, optimi0a el rendimiento de la perforación y el a$orro de los costos& Si la matri0 es demasiado blanda, los diamantes se liberan antes de que se des#asten, lo que acorta el tiempo de utili0ación del tr/pano& Si la matri0 es demasiado dura, los diamantes no se e+ponen adecuadamente y las "elocidades de penetración se reducen& !ebido a que no e+isten áreas de baja presión para drenar el fluido a lo lar#o del tr/pano, cauces de flujo secundario se conectan directamente a los conductos principales de flujo, de modo que el flujo radial de alta presión fluya a cada uno de los conductos, proporcionando un flujo uniforme $acia todas las partes del tr/pano&
Tr+panos 0íbridos* os tr/panos $íbridos combinan la tecnolo#ía del !% y del diamante natural& os elementos de corte de carburo de tun#steno impre#nados de diamante se colocan detrás de los cortadores de !%& %ada cortador impre#nado funciona como un compa4ero de reparto de la car#a para un cortador !% específico en las re#iones de alto des#aste de un tr/pano& .stos cortadores secundarios prote#en a los cortadores !% en condiciones de perforación se"eras y reducen el des#aste en formaciones duras y abrasi"as, y mejoran la estabilidad del tr/pano& Además, los cortadores impre#nados soportan la mayor parte de los impactos&
&stabilidad de los tr+panos, a estabilidad de los tr/panos es un factor cla"e en cuanto al rendimiento #eneral de la perforación& .n el fondo del $ueco, los tr/panos se mue"en en forma caótica, incluyendo "ibraciones laterales, a+iales y torsionales que se pueden presentar solas o combinadas& as "ibraciones en el fondo del $ueco reducen la "ida 'til del tr/pano, da4ando los cortadores, interfiriendo en el control direccional, ocasionando "ariaciones de los esfuer0os de torsión y reduciendo la calidad del $ueco, creando $uecos de diámetros mayores a los del tr/pano& .l perfil del tr/pano y la estructura del contorno se dise4an para mantener la estabilidad&
