Universidad Autnoma del Carmen DES DE CIENCIAS QUMICA Y PETROLERA Facultad de Ciencias Qumica y Petrolera

TEMA IV HERRAMIENTAS

ELEMENTOS DE PERFORACIN

Definicin:Barrena es la herramienta de corte que se localiza en el extremo inferior de la sarta de perforacin y se utiliza para cortar o triturar la formacin durante el proceso de perforacin rotatoria.Principio de operacin:Para realizar la perforacin, las barrenas funcionan con base en dos principios esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y de compresin. De acuerdo a su mecanismo de ataque las barrenas se clasifican en:Barrenas tricnica: El mecanismo principal de ataque de esta barrenas (de dientes maquinados o insertos) es de trituracin por impacto fallando la roca por compresin.

De cortadores fijos: El mecanismo de ataque es por raspado de la roca fallando por esfuerzo de corte.Barrenas tricnicaFallan la roca por compresinBarrenas cortadores fijosFallan la roca por esfuerzo de corte

BARRENAS TRICNICASPRINCIPIOS DE DISEOComo su nombre lo indica, estas barrenas tienen tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Varan de acuerdo con su estructura de corte ya que pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno y constan de tres importantes componentes:La estructura cortadora (diente).- La estructura de corte esta montada sobre los cojinetes, los cuales corren sobre pernos y constituyen una parte integral del cuerpo de la barrena.Sistema de rodamiento.- Existen tres diseos: rodillos y balines, auto lubricados con rodillos y balines, de friccin auto lubricados y los de chumacera.

Cuerpo de la barrena.- El cuerpo de la barrena consta de: Una conexin roscada que une la barrena con la tubera. Tres ejes de cojinetes donde van montados los conos. Los depsitos que contienen el lubricante para los cojinetes. Toberas u orificios por donde sale el fluido de perforacin para la limpieza del pozo.

CDIGO IADC PARA BARRENAS TRICNICASLa asociacin Internacional de Contratistas de Perforacin (IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las barrenas tricnica de rodillos de acuerdo con:El tipo de diente (acero o inserto)El tipo de formacin (en trminos de serie y tipo)Las caractersticas mecnicasFuncin del fabricanteEl sistema de clasificacin permite hacer comparaciones entre los tipos de barrenas que ofrecen los fabricantes. El sistema de clasificacin consta de tres dgitos:El primer dgito.- Identifica el tipo de estructura de corte y tambin el diseo de la estructura de corte con respecto al tipo de formacin, como se relaciona a continuacin:Dientes fresados para formacin blanda.Dientes fresados para formacin media.Dientes fresados para formacin dura.Dientes de inserto de tungsteno para formacin muy blanda.Dientes de inserto de tungsteno para formacin blanda.Dientes de inserto de tungsteno para formacin media.Dientes de inserto de tungsteno para formacin dura.Dientes de inserto de tungsteno para formacin extra dura.

El segundo dgito.- Identifica el grado de dureza de la formacin en la cual se usar la barrena y vara de suave a dura como se indica:Para formacin suave.Para formacin media suave.Para formacin media dura.Para formacin dura.El tercer dgito.- Identifica el sistema de rodamiento y lubricacin de la barrena.Con toberas para lodo y balero estndar.Toberas para aire t/o lodo con dientes diseo en T y balero estndar.Balero estndar con proteccin en el calibreBalero estndar sellado autolubricable.Balero sellado y proteccin al calibre.Chumacera sellada.Chumacera sellada y proteccin al calibre.Para perforacin direccional.Otras.

Barrena dientes deacero111Barrena dientes deinsertos527Barrena dientes deacero346Barrena dientes deinsertos847

BARRENAS DE CORTADORES FIJOSLas barrenas de diamante tienen un diseo muy elemental, a diferencia de las tricnica carecen de partes mviles. Normalmente el cuerpo puede ser de acero o carburo de tungsteno (matriz) o una combinacin.El diamante utilizado puede ser natural o sinttico, segn el tipo y caractersticas de la misma. La dureza extrema y la alta conductividad trmica del diamante lo hacen un material con alta resistencia para perforar en formaciones duras y semiduras.Las barrenas de diamante, a excepcin de las barrenas PDC, no usan toberas para circular el fluido de perforacin, su diseo es tal que, el fluido de perforacin puede pasar a travs del centro de la misma, alrededor de la cara de la barrena y entre los diamantes por unos canales llamados vas de agua o de circulacin. Las vas de circulacin en una barrena de diamante no son tan variadas como en una barrena tricnica donde las toberas son intercambiables.

CDIGO IADC PARA BARRENAS DE CORTADORES FIJOSLa IADC desarrollo el cdigo para las barrenas de cortadores fijos que consta de cuatro caracteres (una letra y tres nmeros) que describen siete caractersticas bsicas:Tipo de cortadorMaterial del cuerpo de la barrena.Perfil de la barrena.Diseo hidrulico para el fluido de perforacin.Distribucin del flujo.Tamao de los cortadores.Densidad de los cortadores.BARRENAS DE DIAMANTE NATURALEl uso de estas barrenas es limitado salvo en casos especiales para formaciones duras, cortar ncleos de formacin y como barrenas desviadoras en pozos con formaciones muy duras y abrasivas,

BARRENAS DE DIAMANTE TRMICAMENTE ESTABLE (TSP)Son utilizadas para perforar rocas duras como caliza dura, basalto y arenas finas. Son ms usadas que las de diamante natural. Se caracteriza por usar diamante sinttico de forma triangular, la densidad, el tamao y forma del grano son caractersticas de cada fabricante.BARRENAS DE COMPACTO DE DIAMANTE POLICRISTALINO (PDC)El diseo de los cortadores esta hecho con diamante sinttico en forma de pastillas (compacto de diamante). A diferencia de las barrenas de diamante natural y TSP, su diseo hidrulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas tricnica. Este tipo de barrena es la ms usada para la perforacin de pozos petrolerosPor su diseo y caractersticas, las barrenas PDC cuentan con una gran gama de tipos y fabricantes, especiales para cada formacin: desde muy suaves hasta muy duras. Pueden ser rotadas a altas velocidades, utilizadas con turbinas y motores de fondo y con diferentes pesos sobre barrena.

BarrenaM426BarrenaD182

BARRENAS ESPECIALESLas barrenas especiales, como su nombre lo indica se usan para condiciones muy especificas y as tenemos la siguiente clasificacin: Barrenas desviadoras. Barrenas ampliadoras. Barrenas monocnicas. Barrenas nucleadoras.

SELECCIN DE BARRENASPara el proceso de seleccin de barrenas es fundamental conocer el objetivo de la perforacin. La primera disyuntiva que el ingeniero de diseo enfrenta es la de elegir una barrena tricnica o una de cortadores fijos. No existe un criterio normalizado sobre como seleccionar el tipo de barrena, por lo que generalmente se hace a partir de experiencias del comportamiento de cada tipo de barrena. Inicialmente, es necesario recopilar la siguiente informacin de los pozos vecinos:

Registro de barrenas (ver tabla adjunta). Registros geofsicos (snico, densidad, rayos gamma, etc.). Litologa.

Para seleccionar el tipo de barrena (tricnica o de cortadores fijos) se propone el mtodo de energa especifica (Es). Debido a que la energa mecnica especifica no es solo una propiedad intrnseca de la roca, si no que esta ntimamente ligada con las condiciones de operacin de la barrena de acuerdo con la siguiente ecuacin:Calcular la Es para cada intervalo y para cada barrena.Graficar los resultados Es vs Prof.Seleccionar la o las barrenas (tricnica o de cortadores fijos).Es = 13415 *W*Nd*RpDonde: W = es el peso sobre la barrena (ton) N = es la velocidad de rotacin (rpm) d = es el dimetro de la barrena (pg) Rp = es el ritmo de penetracin (min/m)Mtodo a seguir

Un procedimiento prctico y sencillo para optimizar la perforacin es elegir los parmetros de perforacin tales como: tipo de barrena, peso sobre la barrena y velocidad de rotacin, ms que obtener la velocidad de perforacin promedio del rea.

El procedimiento consiste en:Seleccionar los pozos de correlacin.Recopilar la informacin sobre los registros de las barreas utilizadas en los pozos.Calcular el costo de cada corrida de barrena.Realizar una grfica de Costo/metro vs. ProfundidadA partir de la grfica seleccionar las condiciones que den el costo mnimoEl costo por metro perforado se obtiene con la siguiente ecuacin:CM = CB + CE (TR+TV)MCM = costo por metro perforado, dlares/metroCB = costo de la barrena, dlaresTV = tiempo de viaje, horasTR = tiempo de rotacin, horasCE = costo de operacin del equipo, dlares/horaM = metros perforadosTV = 0.0020 Profundidad (m)

Pozo perforadoPozo programadoPozo en perforacinABDC785392146121.- POZOS DE CORRELACIN

De la grfica se observa que hasta 2000 m aproximadamente, se deben usar las condiciones de operacin del pozo 2 y de 2,000 a 4,800 m las condiciones del pozo 1.EJEMPLO: Se desea realizar el programa de barrenas para un pozo nuevo y se cuenta con la informacin de dos pozos vecinos.

Existe el concepto errneo de que una barrena que perfora ms metros o que dure ms tiempo perforando es la que da el mnimo costo por metro perforado. Para ilustrar el concepto anterior se presenta el siguiente ejemplo:El costo del equipo es de: 500 dlares la hora.El costo de la barrena es de: 1,500 dlares.El tiempo promedio de viaje es de 6 horas.Caso 1 CM = (1,500 + 500(6+6)) / 150 = 50 dll/mCaso 2 CM = (1,500 + 500 (10 + 6)) / 200 = 47.5 dll/mCaso 3 CM = (1,500 + 500(15 + 16)) / 250 = 48 dll/mCaso 1 Vel Perf = 150 / 6 = 25Caso 2 Vel Perf = 200 / 10 = 20Caso 3 Vel Perf = 250 / 15 = 16

Como se puede observar de la tabla anterior, la barrena que da como resultado el mnimo costo por metro es la del caso 2 y es importante notar que no fue la que ms metros perfor (caso 3), ni la que ms horas de rotacin trabaj (caso 3), ni la que mayor velocidad de perforacin obtuvo (caso 1).

Seleccin del dimetro de la barrena El programa de dimetros de barrenas depende de los dimetros de las tuberas de revestimiento. Las barrenas estn disponibles en casi cualquier dimetro deseado, salvo las barrenas no estndar o fuera de lo comn.La siguiente figura puede usarse para seleccionar los dimetros de las barrenas y tuberas de revestimiento para casi todos los programas de perforacin.

EJEMPLO:Usando la figura (de la diapositiva siguiente) realizar la seleccin de dimetros de barrenas y tuberas de revestimiento para un pozo que terminara en TR de 4 pg y se requerirn instalar 5 tuberas adicionales.

FACTORES QUE AFECTAN EL DESGASTE DE LAS BARRENAS Los factores que afectan el desgaste de las barrenas se puede dividir en:Factores geolgicos.- El factor ms importante para la seleccin y operacin de una barrena es el conocimiento geolgico; la composicin y la resistencia especfica de la roca, ya que materiales abrasivos en la roca son la causa del desgaste prematuro en toda la estructura de la barrena.

Factores operativos.- Estos factores deben ser diseados de acuerdo con la geologa por atravesar y la geometra del agujero. Los principales factores son:Peso sobre la barrena.- A medida que la barrena perfora los cortadores se van desgastando por lo que se requiere de mas peso, si el peso aplicado no es el correcto, la barrena tendr un desgaste prematuro.Limpieza en el fondo del pozo.- Una limpieza eficiente evita embolamiento de la barrena y desgaste prematuro por exceso de temperatura.

Manejo transporte.- Sin importar el tipo de barrena, debe moverse de su embalaje y colocarse sobre madera, nunca se debe rodar sobre la cubierta metlica del piso de perforacin, sobre todo las de diamante porque son muy frgiles y los elementos cortadores se pueden daar y reducirse con esto la vida de la barrena.

EVALUACIN DEL DESGATE DE LAS BARRENAS

El anlisis y evaluacin de cada barrena gastada puede ser de gran utilidad para decidir el tipo de barrena que se va a utilizar despus y si, en su caso, la prctica de operacin debe ser modificada.El anlisis del record de la barrena es de gran importancia debido a que en el se registran datos como: inicio y termina de la perforacin, condiciones de operacin, toberas, tiempos, etc. y observaciones especiales como: inicio de desviacin, variaciones en el ngulo, perforacin controlada por prdidas de circulacin, utilizacin de motores de fondo, utilizacin de martillo, perfora con gases amargos, etc.Con estas observaciones se tendr un mejor criterio para evaluar el desgaste y no sacrificar el uso de un tipo de barrena que ha sido seleccionado correctamente.Esto podra suceder en el caso de una barrena que se ha utilizado para iniciar a desviar, y al evaluarla tenga un excesivo desgaste y los metros perforados sean pocos. A simple inspeccin se supondra que tuvo un bajo rendimiento, pero la realidad es que se utiliz con operaciones drsticas con un fin especfico.

DETERMINACIN DEL MOMENTO PTIMO PARA EL CAMBIO DE BARRENAUn mtodo experimentado para determinar el momento preciso para suspender la perforacin y efectuar un cambio de barrena consiste en graficar los Es Vs. Avance acumulado como se muestra en la siguiente grfica.En el caso b) se detecta un incremento de Es y el torque tiene un comportamiento normal. Esto indica que se esta perforando una formacin con mayor dureza lo cual se corrobora con la recuperacin de recortes.En el caso c) Es se incrementa significativamente y el torque muestra un aumento normal y la recuperacin de recortes muestra que no hay cambio de litologa. Este comportamiento indica el punto donde la barrena debe ser remplazada.

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