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10. BARRENAS

10. Barrenas 10.1 Selección de una barrena tricónica o de cortadores fijos (PDC) para perforar

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10.1 SELECCIÓN DE UNA BARRENA TRICÓNICA O DE CORTADORES FIJOS (PDC) PARA PERFORAR.

Criterios de selección de barrenas Objetivos de perforación Para el proceso de selección es fundamental conocer los objetivos de perforación, que incluyen todo tipo de requisitos especiales del personal para perforar el pozo. Esta información ayudará a determinar las mejores características de la barrena que requiere la aplicación y a concentrar sus esfuerzos en satisfacer las necesidades de Pemex y sus requisitos de perforación. Rendimiento. Uno de los principales objetivos del personal técnico es perforar el pozo en el menor tiempo posible. Esto significa orientar la selección de barrenas hacia la búsqueda del tipo que más duración tenga; se busca principalmente la máxima cantidad de metros en un tiempo de rotación aceptable, eliminando así el costoso tiempo del viaje. Direccional. El tipo de pozo direccional es un criterio importante cuando se deben de seleccionar las características de las barrenas ya sea tricónicas o de diamante. Una ventaja específica de las barrenas de diamante es su gran alcance y sus posibilidades para perforar en sentido horizontal. Estos tipos de pozos, por lo general, tienen secciones homogéneas muy prolongadas que son óptimas para las aplicaciones con barrenas de diamante. 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 fundamentales cuando se estudian las aplicaciones direccionales. Economía. El medio ambiente económico es un factor fundamental para la aceptación de los diseños con diamante, siempre y cuando los análisis de costos así lo determinen; en caso contrario se debe seleccionar barrenas tricónicas. Análisis históricos Un análisis objetivo de los pozos de correlación (pozos offset) ofrece la oportunidad de comprender las condiciones en el fondo del pozo, las limitaciones de su perforación y en algunos casos la adecuada selección de barrenas. Los análisis históricos comienzan con una colección de registros o récords de barrenas e información relacionada con el pozo. Se debe tener la precaución de que los registros de barrenas sean representativos de lo que será perforado en el pozo objetivo. La información también debe ser actualizada y reflejar los tipos de barrenas recientes, es decir, de menos de dos años de antigüedad. Por supuesto,


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esto no es posible en el caso de pozos de exploración o en los pozos de campos más antiguos que no han sido perforados recientemente. En estos casos, se dependerá principalmente de la información geológica y debería considerar el primer pozo como una referencia para las recomendaciones de las aplicaciones futuras. El análisis de los registros de las barrenas puede ofrecer datos de gran valor si éstos se registran en forma precisa y completa. Coeficiente de penetración típico. El coeficiente de penetración es una indicación de la dureza de la roca; no obstante una selección inadecuada de la barrena puede ocultar las características de dureza de la roca. Esto es particularmente válido cuando se elige una barrena demasiado dura para una aplicación. La barrena más dura, debido a la densidad de sus cortadores o la proyección de sus dientes, tiene un límite superior de coeficiente de penetración determinado por su diseño. Por lo general, a medida que se perfora más profundo, se espera utilizar barrenas cada vez más duras. El análisis de la resistencia de las rocas, ha revelado que este paradigma no siempre es válido y, en muchos casos, las barrenas más blandas pueden utilizarse con éxito en las partes más profundas del pozo. Fluidos de perforación. El tipo y la calidad del fluido de perforación que se utiliza en el pozo tienen un efecto muy importante en el rendimiento de la barrena. Los fluidos de perforación con base aceite mejoran el rendimiento de las estructuras de corte de PDC; el rendimiento del diamante natural y del TSP varía según la litología. El fluido de perforación base agua presenta más problemas de limpieza debido, en gran parte, a la reactividad de las formaciones a la fase acuosa del fluido de perforación. Los récords pueden determinar la variación y el nivel de efectividad de los fluidos de perforación que se usan en el campo. Energía hidráulica. La energía hidráulica, de la cual el régimen de surgencia es un componente integral, proporciona la limpieza y enfriamiento a la barrena. Se refiere en términos de caballos de fuerza hidráulica por pulgada cuadrada (“hydraulic horse power per square inch”, HSI) de superficie en todas las secciones del fondo del pozo. Los análisis históricos mostrarán los parámetros comunes utilizados en el campo y qué oportunidades existen para una mejor utilización de la energía hidráulica por medio de la selección de las barrenas o de los parámetros de operación. Las barrenas de diamante deben funcionar de acuerdo con escalas hidráulicas específicas para asegurar su eficiente limpieza y enfriamiento. Los regímenes de surgencia insuficientes y el índice de potencia hidráulica (HSI) afectan el enfriamiento y pueden provocar daños térmicos en la estructura de los cortadores. La falta de la limpieza sólo hará que la barrena se embole, lo que provocará un rendimiento deficiente o nulo. Existen diseños de barrenas que aliviarán parcialmente algunas de estas condiciones, pero para


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alcanzar un rendimiento óptimo se deben utilizar los mejores parámetros de hidráulica en las aplicaciones de barrenas de diamante. Énfasis en los costos. Indica la sensibilidad del personal con respecto al costo. La mayoría de las veces esto se traduce en barrenas de menor precio. Los Ingenieros de diseño y operación deben tomar en cuenta el número de oportunidades que afectan los costos de un pozo y que dependen del tiempo. Se debe recordar siempre que esto mejoraría si se selecciona una barrena de perforación de alta calidad. La barrena debe tener las cualidades que satisfagan las necesidades de aplicación de la compañía perforadora sin aumentar indebidamente su costo. Una barrena de diamante que pueda volver a utilizarse da lugar a costos más bajos de perforación. Así la compañía perforadora tendrá la oportunidad de utilizar un producto de alta tecnología que, en otro caso, sería una situación económica marginal. Restricciones de perforación Los parámetros operativos deben corresponder a una escala aceptable para que una barrena de diamante ofrezca los mayores beneficios. Por lo general, los parámetros que no se corresponden con escalas reducirán la eficiencia del costo del producto. Cuando se encuentran estas situaciones se debe considerar una barrena de roles. Por el contrario, algunas restricciones brindan oportunidades para seleccionar una barrena de diamante. Limitaciones de peso sobre barrena. Cuando se encuentran situaciones de PSB limitado, una estructura de corte eficiente como un PDC tiene posibilidades de ofrecer un mayor Ritmo de Penetración (ROP) que una barrena de roles. Escalas de revoluciones por minuto (RPM). La velocidad que el personal técnico espera utilizar en la barrena, indica los parámetros de vibración y resistencia al desgaste que se necesitarán para mantener un desgaste parejo de la barrena y prolongar su duración. Las barrenas de diamante se pueden utilizar mejor que las barrenas de roles a altas velocidades de rotación. Formaciones nodulares. Las formaciones de ftanita, pirita y conglomerados se denominan comúnmente formaciones nodulares. Por lo general, en este tipo de formaciones no se puede utilizar la mayoría de las barrenas de diamante debido al daño por impacto en la estructura de sus cortadores. Sin embargo, existen estructuras de corte que pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones. Ampliación. Si se planifican más de dos horas de operaciones de ampliación, se debe considerar seriamente la corrida de una barrena de roles. El ensanche excesivo puede dañar la superficie del calibre de una barrena de diamante porque las cargas de la barrena se concentran en una superficie muy pequeña. La


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vibración lateral también se debe considerar. La estructura de corte está sólo parcialmente engranada y, por tanto, hay escasas oportunidades, o ninguna, para que las características del diseño de la barrena puedan funcionar. Pozos profundos. Estos pozos pueden resultar en una cantidad desproporcionada de tiempos de viaje con respecto al tiempo de perforación. Como resultado, la eficiencia de perforación es extremadamente reducida. Se debe considerar una barrena de diamante para ofrecer mayor duración de la barrena (menos viajes) y una mejor eficiencia general de la perforación. Pozos de diámetro reducido. Si el pozo tiene menos de 6 ½ pulgadas, se necesita una reducción física del tamaño de los cojinetes en todas las barrenas de roles. Estas limitaciones requieren una reducción de PSB, que resultará en un mayor coeficiente de penetración. Se debe considerar una barrena de diamante para aumentar el coeficiente de penetración y para permanecer en el pozo durante periodos prolongados. Aplicaciones con motores. Algunos motores dentro del pozo funcionan a altas velocidades (a más de 250 R.P.M.). Las excesivas R.P.M aumentan la carga térmica en los cojinetes y aceleran las fallas de la barrena. Se debe considerar una barrena de diamante, que no tiene partes móviles, para optimizar las R.P.M y los objetivos de perforación. Atributos del medio ambiente Para lograr una selección total de barrenas para el pozo que se va a perforar es necesario analizarlo por secciones que se puedan manejar. El más evidente es, por supuesto, el diámetro del pozo. Luego se podrá subdividir cada sección del pozo en intervalos con atributos comunes respecto a su medio ambiente. El rendimiento económico es una función del costo operativo, el costo de las barrenas, el coeficiente de penetración y el intervalo perforado. Los atributos del medio ambiente pueden dividirse según categorías de parámetros en cuanto al tipo de roca, medio ambiente y operativos. Un análisis detallado de cada una de estas categorías indicará los parámetros individuales de selección de barrenas tricónicas o de diamante. En formaciones en donde pueden perforar las barrenas de diamante con ritmos de penetración mucho mayores que las barrenas tricónicas es indiscutible su utilización. Debido a lo anterior en los últimos años cuando se selecciona una barrena, antes que nada se hacen estudios para seleccionar las de diamante.


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Tipo de roca Si se cuenta con datos precisos sobre las formaciones que deberán perforarse en el intervalo objetivo, se podrá seleccionar con más facilidad la estructura óptima de corte y la densidad que requiere la aplicación, ya sea barrena tricónica o de diamante. Litología. Por lo general, la información litológica es la primera que se necesita para determinar la mejor selección. Definidos los tipos de rocas se asocian más con la mecánica de corte de las barrenas de diamante. Sin embargo, para las aplicaciones de diamante quizás sean aún más importantes los tipos litológicos desfavorables, que seguramente provocarán fallas graves. El tipo de roca ayuda a determinar el tipo de corte necesario para vencer su resistencia: corte, surcado o molido. Características litológicas. Definen aún más los parámetros de selección para la barrena una vez que se eligió. Para las barrenas de diamante indican la densidad requerida para los cortadores, la configuración hidráulica y permiten estimar la duración de la barrena y su coeficiente de penetración. De transición. Indica cambios en la dureza de la formación del intervalo objetivo. Provocará cargas disparejas en el perfil de la barrena a través de la transición. Las vibraciones axiales, de torsión y laterales son, posiblemente, factores en este medio ambiente. La calidad y la densidad específicas de los cortadores constituirán el criterio de selección. Homogeneidad. Indica la consistencia de la formación. Existe más flexibilidad de selección con respecto a características agresivas de la barrena, como menor densidad de los cortadores. Para las barrenas tricónicas sólo basta escogerlas de acuerdo con la dureza de la roca. Interestratificación. Esta característica se relaciona con las formaciones de transición e indica cambios en la litología del intervalo en estudio. Se deberá considerar la selección de tipos específicos de cortadores o dientes, así como su calidad y densidad. Fracturados o nodulares. A este indicador se le debe prestar mucha atención. Es una situación de alto impacto para la cual, por lo general, no se recomiendan las barrenas de diamante. Sin embargo, determinadas estructuras de corte, como las barrenas de diamante natural con fijaciones dorsales y las barrenas impregnadas, pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones.


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Tendencias de desviación. Normalmente esto se relaciona con formaciones de buzamiento y perforación de transición. El tipo de calibre es el criterio de selección fundamental para estas aplicaciones. Vibración. La vibración en el proceso de perforación ha demostrado tener una función fundamental en el rendimiento y la duración de las barrenas de perforación. En realidad, el control de las vibraciones forma, en la actualidad, parte integral de la tecnología y el diseño de las barrenas. Existen parámetros de selección de barrenas que se refieren especialmente al control de la vibración. La selección de calibre también desempeña una función importante para determinar el nivel de control de la vibración de acuerdo con el diseño de barrena ya sea tricónica o de diamante. Selección por medio de registros geofísicos Los registros geofísicos de los pozos son una importante fuente de información sobre las características de las formaciones que se perforan en un pozo. Existe una gran variedad de registros, cada uno diseñado para medir diferentes propiedades de las rocas. Algunos de estos registros son utilizados cuando se evalúa principalmente una aplicación de barrena de diamante. Los registros necesarios son: neutrones, rayos gamma, sónico y densidad. A continuación se describe cada uno de ellos. Registro de neutrones Mide la capacidad de las formaciones para atenuar los flujos de neutrones. Puesto que la masa atómica esta muy cercana al hidrógeno, los neutrones no pueden fluir fácilmente a través de formaciones que tengan alto contenido de hidrógeno, lo cual permite medir el hidrógeno de la formación. Esta medida se puede usar para computar la porosidad de la formación. (Gráfica 10.1) Registro de rayos gamma Detecta el grado de radiación gamma natural que emiten las formaciones. Esto permite identificar los intervalos de lutita que emiten altos niveles de radiación. El registro diferencia las lutitas de las areniscas y de los carbonatos y es lo bastante preciso para detectar lechos delgados de lutitas y arcillas. (Gráfica 10.1)


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Gráfica 10.1


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Registro sónico Depende de la propagación de las ondas acústicas a través de la formación. Las ondas las genera un transmisor situado en la herramienta. Receptores, también puestos en la herramienta, vigilan las ondas de retorno y calculan el tiempo de desplazamiento. Mientras más corto sea el intervalo entre la emisión y la recepción de las ondas, más densa es la formación. (Gráfica. 10.2)

Gráfica 10.2


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Registro de densidad Mide la densidad en masa de la formación. La herramienta de registro tiene una fuente de rayos gamma y algunos detectores. Formaciones de baja porosidad dispersan los rayos gamma y así pocas logran ser detectadas por la instrumentación de la herramienta. Las formaciones de alta porosidad tendrán menor efecto de dispersión que los rayos, y así logran que mayor cantidad llegue a ser detectada. (Ver gráfica 10.1) Análisis de resistencia a la compresión Es un método cualitativo, relativamente nuevo para calcular la dureza de la roca, muy útil para determinar cuándo se debe usar barrenas PDC. Antiguamente, el análisis de la dureza de las rocas se basaba en el uso de registros de la velocidad de las ondas sonoras, obtenidos de registros sónicos, como medio para reemplazar la medición directa o el cálculo de la dureza. Recientemente se han desarrollado programas para obtener el valor correspondiente a la resistencia a la compresión de rocas no confinadas (a presión atmosférica), usando la información de la velocidad sónica para computar un valor correspondiente a la naturaleza de la roca no confinada. Aunque este enfoque es mejor que el de usar directamente las velocidades sónicas, el cálculo de la dureza de rocas no confinadas así obtenido es frecuentemente más bajo que el de las rocas comprimidas (confinadas) que se perforan. La resistencia de la roca es su dureza a presión atmosférica. Algunas compañías de barrenas han desarrollado un programa de cómputo que ayuda a seleccionar barrenas PDC. Los datos de los registros se introducen en dichos programas en código ASCII. Esta información es la base para calcular la resistencia a la compresión de la roca a condiciones de fondo. Estos programas definen con mayor precisión la dureza de la roca en lo referente a su dureza confinada, valor que se aproxima a la dureza de las formaciones en el fondo del pozo. Los programas utilizan los registros sónico y de rayos gamma, así como gran número de datos de ingreso de registros del lodo. Dentro de la escala de litologías, para la cual son válidos los programas, la dureza de las rocas se puede determinar con más precisión. El programa genera gráficos, en formato de registros, que muestran trazas de los datos originales de los registros del lodo, la litología interpretada por las computadora, los valores calculados de la resistencia de la roca confinada y otros datos opcionales sobre las características mecánicas de la roca.(Gráfica 10.3)


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Gráfica 10.3


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Con el fin de tener un panorama de cómo funcionan los programas de cómputo para obtener la resistencia de las rocas a partir de los registros antes mencionados, presentamos el siguiente diagrama de flujo.

GAMMA SÓNICO

REGISTROS DEL LODO

FRACCIÓN DE ARCILLA

SÓNICO

MÓDULO YOUNG

(ELASTICIDAD)

RESISTENCIA DE LA ROCA CONFINADA

(LBS/PG2)

POROSIDAD

DENSIDAD


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Selección en función de la formación que se va a perforar La primera y más importante tarea para seleccionar y utilizar una barrena en una aplicación específica es realizar la completa descripción de las formaciones que se han de perforar. El conocimiento de sus propiedades físicas puede demostrar algunos indicativos sobre el tipo de barrena que se debe seleccionar en intervalos determinados. Si la formación es muy elástica, tiende a deformarse cuando se comprime en lugar de fracturarse. Aunque la roca tenga resistencia a la compresión relativamente baja, es posible que la barrena no genere recortes fácilmente. En estas situaciones cuando se perfora con barrenas PDC se recomienda cortadores grandes. Las barrenas PDC se desarrollaron primordialmente para perforar formaciones sedimentarias blandas a medianas que antes se perforaban con barrenas de dientes fresados y con barrenas con insertos de carburo de tungsteno. En estas formaciones blandas, las barrenas PDC han logrado ritmos de penetración hasta tres veces más altos que con barrenas de rodillos. El incremento de los ritmos de penetración se debe al mecanismo de corte por cizallamiento de las barrenas PDC, a su más larga duración efectiva, a la resistencia de los diamantes a la abrasión y al hecho de que las barrenas PDC carecen de piezas móviles que puedan fallar. La siguiente lista resume los principales tipos de formaciones, en orden descendente de dificultad para perforarlas. Las formaciones que se consideran aptas para perforarse con barrenas PDC son las de tipo 1 a 7, si bien en ciertas aplicaciones se puede usar para perforar areniscas blandas (tipo 8) y algunas evaporitas (tipo 9, 10 y 11). Las formaciones de tipo 12 ó de números más altos aún no se pueden perforar con barrenas PDC.

• Arcilla • Barro compacto (mudstone)

• Marla

• Evaporita

• Yeso

• Lutita


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• Limo

• Arenisca • Anhidrita

• Caliza

• Dolomita

• Conglomerado

• Horsteno

• Rocas volcánicas

Debe recordarse que dentro de cada grupo de formaciones hay “subgrupos”, algunos de los cuales no se pueden perforar con barrenas PDC, al menos hasta ahora con la tecnología existente. La resistencia de la roca puede estar relacionada con la litología. Se debe tener cuidado de no equiparar el nombre de la formación con el tipo de roca, especialmente cuando se trata de lutitas. Algunas formaciones denominadas ”lutitas” no coinciden con la definición. Ejemplos de estas anomalías son las lutitas Laffan de Dubai y las lutitas Wolfcamp de Texas, las cuales son rocas de carbonato. En las tablas 10.1, 10.2 y 10.3 se proporciona una guía para seleccionar una barrena tricónica o PDC para perforar.


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Tabla 10.1Características de diseño, construcción y funcionamiento de las barrenas de dientes de acero

maquinado.


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Tabla 10.2Características de diseño, construcción y funcionamiento de las barrenas de dientes de insertos de carburo de tungsteno.

Clasificación de la Barrena

Tipo de Barrena

Descripción de la Formación ó Roca

Estructura Cortadora

Excentricidad y Ángulo de Cono

Tamaño de los Baleros y Espesor de la Concha

Acción Cortadora

Formación

Medio Suave

511, 514, 516 521, 524, 526

Suaves no consolidadas baja resistencia a la compresión y alta perforabilidad tales como arcillas, lutitas, sal, etc. De intervalos considerables.

Insertos blandos: insertos en forma de dientes de extensión máxima.

Insertos blandos proveen acción rascadora y raspadora.

Los insertos blandos proveen conchas de cono más delgadas y baleros más pequeños.

Principalmente rascado-raspado con un mínimo requerimiento de astillado triturado.

Formación

Media

531, 534, 536, 611, 614, 616

Intercalaciones más blandas de formaciones duras (caliza, dolomitas y lutitas arenosas duras).

Fundamentalmente astillado y rascado con algo de acción trituradora.

Formación

Media

Dura

621, 624, 626, 711, 714, 716

Intercalaciones medias en formaciones duras (pedernal, granito, basalto, formaciones cuarcíticas).

Insertos medios: insertos en forma de cuña de extensión media.

Insertos medios: acción trituradora con ligero raspado.

Insertos tipo medio, previsto de una sección de concha más gruesa para mayor resistencia.

Principalmente trituradora con algo de acción rascadora.

Formaciones Extremadamente Duras

721, 724, 726, 811, 814, 816

Las más duras de las formaciones duras y abrasivas (cuarcitas y arenas cuarcíticas duras).

Insertos duros: insertos en forma cónica de mínima extensión con máxima resistencia.

Insertos duros: acción trituradora.

Inserto tipo duro, provisto de baleros grandes con una sección de concha gruesa.

Solamente acción trituradora y fracturadora.


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Tabla 10.3

GUÍA DE SELECCIÓN DE BARRENAS DE DIAMANTE Barrenas PDC

Barrenas D.N Barrenas TSP Formación Tipo de Roca

Código I. A. D. C. Formación suave con capas pegajosas y baja resistencia compresiva.

Lutita Marga

M 314 M 611 M 612 M 672 M 342

Formación suave con baja resistencia compresiva y alta perforabilidad.

Marga

Sal Anhídrita

Arcilla

M 312 M 645

D 2 R I D I X 2

Formación suave a media con baja resistencia compresiva con intercalación de capas duras.

Arena Arcilla Yeso

M – 646 M – 346 M – 256

D 2 R 2 M 2 6 3

T 2 R 8 T 6 4 6

Formación media a dura densa con alta a muy alta resistencia compresiva pero no abrasiva o con pequeñas capas abrasivas.

Arcilla

Mudstone Arenisca Caliza

Dolomía Anhidrita

D 2 X 5 D 4 X 6

T 2 X 8 T 2 R 8

Formación dura y densa con muy alta resistencia compresiva y algunas capas abrasivas.

Siltstone Arenisca mudstone

D 5 X 9 D 4 X 9

D 5 6 0

Formación extremadamente dura y abrasiva.

Cuarcita

Volcánica

D 5 6 0

10. Barrenas 10.2 Tecnología de los cortadores fijos

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10.2 TECNOLOGÍA DE LOS CORTADORES FIJOS Barrenas de cortadores fijos Las barrenas de diamante tienen un diseño muy elemental. A diferencia de las tricónicas, carecen de partes móviles, aunque esta característica sería deseable. El material usado para la construcción, además de los diamantes, puede variar según el tipo de las barrenas y de las características de los fabricantes. Normalmente el cuerpo fijo de la barrena puede ser de acero o de carburo de tungsteno (matriz) o una combinación de ambos. Estas barrenas son fabricadas con diamante 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 a semiduras, y en algunos tipos de barrenas, hasta formaciones suaves. Las barrenas de diamante, a excepción de las barrenas PDC, no usan toberas de lodos para circular el fluido de control para aprovechar su hidráulica. Están diseñadas de tal manera que el fluido de perforación pueda pasar a través del centro de la misma, alrededor de la cara de la barrena y entre los diamantes por unos canales llamados vías de agua o de circulación. (Fig.10.1)

Figura 10.1 Barrena de diamantes


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Los conductos para encauzar el fluido de perforación (vías de agua), en las barrenas de diamantes no son tan variables como los de las barrenas de chorro con toberas. Estas tienen dos configuraciones básicas, el flujo con matriz y el flujo radial, también existen variaciones de cada tipo, así como combinaciones de ambos. Por la configuración de este tipo de barrenas, el fondo del agujero se encuentra junto a las vías de circulación para crear restricciones al flujo, y así forzar el fluido de perforación a través del diamante para limpiar y enfriar la barrena y, a la vez, cortar la roca por fricción y compresión. Por lo general entre más dura y más abrasiva sea la formación, más pequeño será el diamante que se debe usar en la barrena. Códigos IADC para barrenas de cortadores fijos La IADC desarrolló un sistema de codificación para la identificación de barrenas de cortadores fijos que incluye a todos los tipos: diamante natural, compactos de diamante policristalino (PDC) o de diamante térmicamente estable (TSP). Este código consiste en cuatro caracteres (una letra y tres números) que describen siete características básicas:

1. Tipo de cortadores. 2. Material del cuerpo de la barrena 3. Perfil de la barrena. 4. Diseño hidráulico para el fluido de perforación. 5. Distribución del flujo. 6. Tamaño de los cortadores. 7. Densidad de los cortadores.

En función de la identificación con el código IADC, existen por lo menos cinco aspectos fundamentales en el diseño de las barrenas de diamante: la forma de los cortadores, ángulos de inclinación lateral y de retardo, tipo de protección al calibre y longitud de la sección del calibre. Si bien todos ellos son factores importantes en el desarrollo de las barrenas de diamante, lo que se pretende con este código IADC es dar una idea del tipo de barrena y lograr que se identifiquen fácilmente sus principales características. Cabe hacer notar, que a diferencia del código IADC para barrenas tricónicas, el código IADC para barrenas de diamante no los relaciona con la formación por perforar. Únicamente, como ya se mencionó, se pueden identificar sus características más elementales (Ver tablas de códigos IADC en el manual para Perforador-Cabo. Capítulo 5. Barrenas).


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Barrenas de diamante natural Las barrenas de diamante natural, al igual que las de otros tipos de diamante, tienen un cuerpo fijo cuyo material puede ser de matriz o de acero (ver Fig. 10.1). El tipo de flujos es radial o de contramatriz, y el tipo de cortadores es de diamante natural incrustado en el cuerpo de la barrena, con diferentes densidades y diseños como se clasifica en el código IADC. El uso de estas barrenas es limitado en la actualidad salvo en casos especiales para perforar formaciones muy duras, y cortar núcleos de formación con coronas de diamante natural (Fig. 10.2).

Figura 10.2 Coronas de diamante natural.

Otro uso práctico es la aplicación de barrenas desviadoras (Side Track), para desviar pozos en formaciones muy duras y abrasivas (Fig. 10.3).

Figura 10.3 Barrenas desviadoras (SIDE TRACK)


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El mecanismo de corte de este tipo de barrenas es por fricción y arrastre, lo cual genera altas temperaturas. El tipo de diamante utilizado para su construcción es el diamante en su forma natural y no comercial; el tamaño varía de acuerdo con el tipo de diseño de la propia barrena: entre más dura y abrasiva sea la formación, más pequeño será el diamante que se debe usar. Los diamantes utilizados para este tipo de barrenas son redondos, pero de forma irregular. El diamante natural es una forma cristalina y pura de carbón con una estructura cúbica de cristal. Es el material más duro hasta ahora conocido y en su forma natural el 80% de los diamantes es para uso industrial, mientras que el solo 20% son para gemas de calidad tras varios procesos de limpieza y depuración. Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP) El diseño de las barrenas de diamante térmicamente estable (TSP), al igual que las de diamante natural, es de un solo cuerpo sin partes móviles. Son usadas para perforación de rocas duras como caliza dura, basalto, y arenas finas duras, entre otras. Son un poco más usadas para la perforación convencional que la barrenas de diamante natural. La Fig. 10.4 muestra el tipo de barrena de diamante TSP.

Figura 10.4 Barrenas de diamante TSP

El uso de las barrenas TSP también es restringido por que, al igual que las de diamante natural, 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 las sartas, aunque en la actualidad se pueden usar con motores de fondo.


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Este tipo de barrenas usa como estructura de corte, diamante sintético en forma de triángulos pequeños no redondos, como es el caso de las barrenas de diamante natural. La densidad, tamaño, y tipos son características que determinan cada fabricante. Estas barrenas también tienen aplicación para cortar núcleos y desviar pozos cuando así lo amerite el tipo de formación. Las barrenas TSP originalmente fueron diseñadas con diamante sintético fabricado en 1955, por la General Electric. Esta enorme compañía diseñó aparatos capaces de obtener presiones de 100,000 psi y más de 70,000º F de temperatura simultáneamente. Esto no fue fácil, sin embargo se tuvo éxito en la sintetización de diamantes que es, precisamente, otra forma de carbón. Barrena de compacto de diamante policristalino (PDC) Las barrenas PDC pertenecen al conjunto de barrenas de diamante con cuerpos sólidos y cortadores fijos y, al igual que las barrenas TSP, utilizan diamante sintético. Su diseño de cortadores está hecho con diamante sintético en forma de pastillas (compacto de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la barrena de diamante natural y las TSP, su diseño hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas tricónicas. 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 barrenas es la más usada en la actualidad para la perforación de pozos petroleros. También representa muchas ventajas económicas por su versatilidad. Por su diseño y características, las barrenas PDC cuentan con una gran gama de tipos y fabricantes, especiales para cada tipo de formación: desde muy suaves hasta muy duras, y en diferentes diámetros según el diseño de los pozos. Además, estas barrenas pueden ser rotadas a alta velocidades, utilizadas con turbinas o motores de fondo, con diferentes pesos sobre barrena y por su alta resistencia, así como fácil manejo según las condiciones hidráulicas. La experiencia de campo con estas barrenas ha creado entre el personal operativo la creencia de que contribuyen al incremento del ángulo de desviación del pozo. Esto no ha sido comprobado totalmente; lo cierto es que la teoría de fabricación de estas barrenas es de efecto contrario, pues por su cuerpo fijo, tiende a la estabilización del pozo.


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Una desventaja de este tipo de barrenas son los problemas de acuñamiento en formaciones deleznables y en pozos donde se debe repasar el agujero por constantes derrumbes de la formación. Este fenómeno contribuye a que la formación las atrape más fácilmente que una barrena tricónica. Una secuencia lógica para selección adecuada de una barrena PDC contempla los siguientes pasos:

a). Obtener información de los pozos prospecto: identificar el objetivo del pozo, diámetro del agujero, datos del intervalo a perforar, tipo de formación, contacto geológico, litología, condiciones y requerimientos especiales del pozo, determinación de restricciones e indicaciones de la perforación.

b). Seleccionar la estructura de corte, cuerpo y perfil de la barrena: identificar el

tipo, tamaño, densidad, distribución e inclinación de los cortadores. También el tipo de perfil y cuerpo de la barrena lo cual ayudará a la óptima estabilización y agresividad durante la perforación.

c). Elaborar análisis económico: identificar la ganancia o ahorro esperado con

el uso de este tipo de barrenas con base en el costo por metro y rentabilidad económica, entre otros.

d). Seleccionar el diseño hidráulico: identificar la hidráulica óptima para

perforar, así como el tipo de fluido de control usado, con base en la limpieza de los recortes y el enfriamiento de la barrena.

Barrenas especiales

• Barrenas desviadoras • Barrenas monocónicas • Barrenas especiales

Las barrenas de chorro desviadoras a veces 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. Una barrena considerada para trabajar en condiciones especiales es la barrena para perforar con aire. Las barrenas de chorro de aire están diseñadas para la perforación con aire, gas ó neblina, como medio de circulación. Estas barrenas están provistas de conductos para circular parte del aire, gas ó neblina a través de los cojinetes no-sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios.


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Los filtros de tela metálica colocados sobre la abertura de la entrada de aire evitan que los ripios, u otras materias extrañas, obstruyan los cojinetes. Además, existen otros tipos de barrenas especiales que, como su clasificación lo indica, se usan para operaciones muy específicas y, por lo tanto, no se considera su análisis económico comparativo para su aplicación directa. Entre estas se pueden mencionar: las barrenas ampliadoras, las barrenas para cortar tuberías de revestimiento, barrenas para perforar diámetros demasiado grandes o pequeños, con aplicación de tubería flexible etcétera.

10. Barrenas 10.3 Problemas más comunes en las barrenas

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10.3 PROBLEMAS MÁS COMUNES EN LAS BARRENAS Factores que afectan el desgaste de las barrenas Los factores que afectan el desgaste de las barrenas se puede dividir en: geológicos, operativos, de manejo y de transporte. Los dos últimos parámetros pueden obviarse; pero el primero debe ser bien estudiado antes de definir el tipo de barrena que se va a utilizar. Esto permitirá minimizar el desgaste y determinar su rendimiento de operación sobre las formaciones que se van a perforar. Factores geológicos El factor más importante para la selección y operación de una barrena es el conocimiento de la geología del sitio que se va a perforar; es decir las propiedades físicas de la formación, entre las que se pueden mencionar: Abrasividad. La composición de materiales abrasivos en la constitución de la roca (pirita pedernal, magnetita, etc.) son la causa del desgaste prematuro en toda la estructura de una barrena; el calibre es el parámetro más afectado. Resistencia específica de la roca. Está relacionada con la litología y los eventos geológicos que se hayan experimentado. Existen rocas que fueron confinadas a gran profundidad y que posteriormente quedaron a profundidades someras debido a levantamientos tectónicos. Por esto son más compactas que las de tipos similares, pero que no han cambiado de profundidad. La resistencia específica de la roca también depende de la cementación de los granos, forma y tamaño. Factores operativos Estos factores deben de ser diseñados de acuerdo con la geología por atravesar y con la geometría del agujero. Pueden ser modificados en el campo en función del desempeño observado. A continuación se mencionan los principales factores operativos así como las consecuencias inherentes a una inadecuada selección: Peso sobre barrena. A medida que la barrena perfora, los dientes o cortadores se desgastan, por lo que generalmente se le aplica cada vez más peso. Éste es recibido por los conos o por la cara de la barrena. Este aumento de peso puede hacerse hasta lograrse un ritmo de penetración aceptable o hasta llegar al límite prescrito en las recomendaciones de operación de la barrena; en caso contrario la barrena, de conos o de diamante, tendrá un desgaste prematuro.


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Velocidad de rotación. La velocidad de rotación suele expresarse con el término “RPM”, o sea Revoluciones Por Minuto. La alta velocidad de rotación, por sí sola, no limita el funcionamiento de las barrenas, principalmente a las de diamante, ya que por su diseño pueden ser usadas como motor de fondo o turbina. En cuanto a las barrenas de conos hay algunas especiales para altas velocidades de rotación; sin embargo, hay otros factores que imponen un valor práctico máximo de RPM en ciertas aplicaciones. Las causas de la limitación son la sarta de perforación y el mecanismo impulsor. Para evitar velocidades críticas debe usarse el sentido común: la velocidad de rotación más adecuada es aquella que produzca un máximo ritmo de penetración, pero sin causar problemas. Debe observarse que en formaciones blandas el aumento de la velocidad de rotación resulta en un aumento proporcional del ritmo de penetración. Es posible que en algunas formaciones más duras ocurra lo contrario debido a que los dientes o cortadores no pueden perforar la roca si se sobrepasa cierto límite de velocidad de rotación y se afecte así el desgaste de las barrenas. Un caso particular son las barrenas de conos diseñadas para ser usadas con motor de fondo o turbina. En estas condiciones la velocidad de rotación es alta (los motores de fondo, dependiendo de su diámetro, tipo, gasto, marca etc., pueden dar una velocidad de rotación de 50 hasta 600 rpm, mientras que las turbinas pueden dar una velocidad de rotación mayor a 1000 rpm), y el diseño específico consiste en mejoras en el sistema de rodamiento e hidráulica; recubrimiento de carburo de tungsteno para proteger de la abrasión las piernas; y mantener el sello durante condiciones de carga extrema: sello y grasa para operar en condiciones de alta temperatura, permite operarlas con seguridad. Limpieza en el fondo del pozo. La limpieza de fondo es también uno de los puntos que afectan el desgaste de las barrenas debido a que el fluido de perforación limpia el pozo al desalojar los recortes. De esta manera evita que la barrena se embole y se deban usar entonces otros parámetros de perforación. También enfría los dientes o cortadores para que permanezcan a menor temperatura; efectúa, además, el enfriamiento y lubricación de la barrena y evita el desgaste por exceso de temperatura. Geometría del agujero. En función de la experiencia, en ciertas situaciones como la de empezar a desviar a un pozo, es necesario utilizar condiciones de operación no tan recomendables como el peso sobre barrena, revoluciones por minuto, la utilización de sartas navegables para aumentar, disminuir o mantener ángulo. En estos casos el desgaste prematuro de la barrena es inevitable, por lo que la experiencia de campo es indispensable para detectar el desgaste que se está ocasionando.


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Manejo – Transporte. Otro factor no menos importante de desgaste de las barrenas es su manejo y transporte. Sin importar el tipo de barrena, de conos o de diamante, debe tratarse bajo ciertos cuidados: se debe remover de su embalaje y colocarse sobre madera o alguna alfombra de caucho; nunca se debe rodar una barrena sobre la cubierta metálica del piso de perforación porque en el caso de las barrenas de diamante los cortadores son muy frágiles y pueden astillarse fácilmente. Si la barrena se deja caer por descuido y se rompen algunos dientes o cortadores, es posible que se acorte drásticamente su duración. En ese caso se debe anotar su número de serie, así como su tipo y su diámetro; revisarla en busca de daños que le pudieron haber ocurrido en tránsito y finalmente inspeccionar su interior para determinar si hay objetos extraños que pueden obstruir las toberas. Evaluación del desgaste de barrenas Sistema IADC de clasificación de desgaste El análisis y evaluación de cada barrena gastada puede ser de mucha utilidad para decidir el tipo de barrena que se va a utilizar después y si, en su caso, la práctica de operación debe ser modificada. Quien aprende a “leer” el desgaste de cada barrena y entienda bien que significa su aspecto, estará muy cerca de obtener el máximo rendimiento de cada una de ellas. La información que se obtiene al evaluar el desgaste de las barrenas puede ser muy significativa. Este valor fue reconocido por la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación IADC (Interntional Association of Drilling Contractors) hace algunos años, cuando se estableció un sistema mundial para la evaluación de desgaste de las barrenas de conos. Para las barrenas de cortadores fijos, este sistema de evaluación del desgaste no pudo ser aplicado y se tuvo que establecer un nuevo sistema. El sistema de evaluación de desgaste para cortadores fijos fue desarrollado por el Subcomité de Barrenas de Perforación de la IADC en 1987, y revisado en 1991. La tarea de evaluar y clasificar el desgaste de las barrenas representa un punto de gran importancia en aspectos clave para las operaciones de perforación: las revoluciones por minuto; la hidráulica y el peso sobre barrena que influyen en su rendimiento; para aprovechar al máximo su vida útil y así seleccionar mejor el tipo de barrena idóneo para la formación que se va a perforar.


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El sistema de evaluación de desgaste puede ser utilizado para todas las barrenas de conos, incluyendo a las de diamante natural (ND), de compactos de diamante policristalino (PDC), de diamante policristalino térmicamente estable (TSP), barrenas impregnadas, coronas y otras barrenas que no son de rodillo y que no utilizan el diamante como elemento cortador. La tabla de evaluación de desgaste adoptada por la IADC incluye todos los códigos necesarios para analizar el desgaste tanto de barrenas de conos como de barrenas de cortadores fijos. En este sistema, el desgaste se divide en ocho factores: las primeras cuatro columnas definen el grado de desgaste de los dientes, insertos o cortadores fijos de las hileras interiores y exteriores ya sea para barrenas de conos ó de diamante, en escala de 0 a 8, con base en la cantidad de desgaste comparada con el tamaño original del diente o el cortador, los números aumentan con la cantidad de desgaste, el “cero” representa sin desgaste y el “ocho” indica desgaste total de los dientes ó cortadores. La primera columna representa los cortadores situados dentro de los dos tercios del radio de la barrena para las de diamante, y para las barrena de conos representa las hileras de dientes interiores. Al evaluar una barrena de diamante desgastada, se debe registrar el promedio de desgaste de los dos tercios del radio, que representa las hileras internas, suponiendo que tenga 6 cortadores con desgaste 8, 6, 7, 4, 2 y 3 respectivamente, el desgaste de la hilera interior será:

6)324768( +++++

La segunda columna para las barrenas de diamante comprende el tercio restante y para las barrenas tricónicas la hilera de dientes exteriores, si los desgastes de una barrena de diamante 2, 1 y 3 entonces el desgaste de la hilera exterior es:

23

)312(=

++

En las barrenas de dientes la experiencia de campo es fundamental para evaluar su desgaste, ya que al analizar la barrena se definirá el desgaste tanto de las hileras interiores como exteriores.


220

La tercera y séptima columnas sirven para anotar las características de desgaste de la barrena, o sea, los cambios físicos más notorios desde su condición de nueva, como pueden ser: tobera perdida, cono roto, embolamiento, interferencia de conos. La cuarta columna se refiere a la ubicación. Se utiliza para indicar la localización de la característica de desgaste primaria anotada en la tercera columna. La columna número cinco (B), se refiere a los sellos del cojinete, cuando se trata de barrenas de cortadores fijos se marca siempre con una X, puesto que las únicas barrenas que tienen cojinetes son las de rodillos. La columna número seis (G) se refiere al calibre. Se utiliza para registrar la condición del calibre de la barrena. Se registra “I” si la barrena permanece calibrada, de lo contrario, se registra lo descalibrado que está la barrena utilizando una medida lo más cercana posible a 1/16 pg. La última columna del sistema de evaluación de desgaste de la IADC se utiliza para registrar la razón de salida de la barrena. Los puntos anteriores para su mejor compresión se ilustran en la Fig. 10.5


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Figura 10.5

Otro punto fundamental y casi no usado es el análisis de los récords de barrenas. Ahí, además de anotar datos como la profundidad inicio y término de perforar, las condiciones de operación, el tipo, las toberas utilizadas, el tiempo de perforación, etc., se incluyen las observaciones, en donde se puedan explicar las condiciones en las que fue operada la barrena, que en muchos casos son especiales, tales como:


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• Inicio de desviación. • Mantener, incrementar o reducir ángulo. • Velocidad de perforación controlada por pérdida de circulación, cambio de

formación, etc. • Utilización de motores de fondo, turbinas y/o sartas navegables. • Utilización de martillo en casos de atrapamiento. • Perforar con pérdida total de circulación. • Perforar con presencia de gases amargos como ácido sulfhídrico y bióxido

de carbono. • Perforar con condiciones no óptimas de cualquier tipo por incapacidad del

equipo de perforación, como el gasto, las revoluciones por minuto, etc. Con las observaciones mencionadas anteriormente, se tendrá un mejor criterio para evaluar el desgaste y no se sacrificará el uso de un tipo de barrena que ha sido seleccionado correctamente. Esto podría suceder en el caso de una barrena de conos que se ha utilizado para iniciar a desviar, y al evaluarla tenga un excesivo desgaste en los baleros y los metros perforados sean pocos. A simple inspección se supondría que tuvo un bajo rendimiento, pero la realidad es que se utilizó con operaciones drásticas con un fin específico. En el mismo caso podría estar una barrena de diamantes; por esta razón se recomienda llevar los records de las barrenas que se van a evaluar. Aplicaciones prácticas El sistema de evaluación de desgaste de la IADC puede ser utilizado con varios propósitos. Los fabricantes evalúan el diseño y aplicación de las barrenas; el personal técnico evalúa y mejora sus programas de perforación. El sistema puede ser computarizado para construir una base de datos mundial para coordinar las aplicaciones de las barrenas. El objetivo principal de este sistema es obtener un “cuadro estándar” de una barrena, sin importar dónde, o bajo qué circunstancia ha sido utilizada. Algunas compañías que fabrican barrenas efectúan otras evaluaciones de desgaste apegadas a la IADC, con la finalidad de llevar un control más estricto y así efectuar las mejoras necesarias. Como ejemplo se puede mencionar que algunas compañías evalúan los tres conos de las barrenas de rodillos y para las barrenas PDC califican cada uno de los cortadores y la información se divide en nueve categorías. Las dos primeras categorías, las cuales se enumeran, indican la ubicación del cortador en la barrena respecto a las aletas; la tercera categoría identifica el porcentaje de desgaste del cortador mediante un calibrador especial de desgaste. Las dos siguientes categorías indican la condición general de cada cortador y de su soporte; las categorías seis y siete se relacionan con la erosión y las dos últimas con los postes impregnados de diamantes y con cualquier otra


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observación pertinente. Lo anterior con la finalidad de continuar con las mejoras en el rendimiento con base en el diseño. Ejemplos de evaluación de desgaste se pueden observar en las Fig. 10.6 y 10.7

Figura 10.6 Ejemplos de evaluación de barrenas de arrastre (diamante y PDC)

Figura 10.7 Ejemplos de evaluación de barrenas de conos

Estructura Cortadora B G Observaciones

Hilera Interior

Hilera Exterior

Caract. de Desgaste

Ubicación Sellos del Cojinete

Calibre 1/16”

Otras Caract.

Razón Salida

6 8 RO T X 1/16 WT PR

Estructura Cortadora B G Observaciones Hilera Interior

Hilera Exterior

Caract. de Desgaste

Ubica- ció

Sellos de Cojinete

Calibre 1/16”

Otras Carac.

Razón Salida

4 5 BT T X I ER DTF


Hilera Exterior

Caract. de Desgaste

Ubicación Sellos de Cojinete

Calibre 1/16”

Otras Carac

Razón Salida

1 1 WT A E I NO TQ


Hilera Exterior

Caract de Desgaste

Ubicación Sellos de Cojinete

Calibre 1/16”

Otras Caract.

Razón Salida

0 0

NO

A

E

I

NO BHA

10. Barrenas 10.4 Análisis del costo por metro

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10.4 ANÁLISIS DEL COSTO POR METRO En el manual para Perforador-Cabo, se proporcionó la fórmula del costo por metro perforado, para evaluar el rendimiento económico de una barrena. En este caso analizamos por medio de una gráfica los costos que se involucran en la misma.

MTcTvTRB

C)( +++

=

Costo fijo = B +R (Tv + Tc) Independiente de las condiciones de M operación de la barrena (P. S. B. y r.p.m.)

Costo de rotación = R + T Está en función de las condiciones de M operación de la barrena. Costo total = Costo fijo + Costo de rotación = C Nota: A partir del costo mínimo se incrementa el costo, suponiendo desgaste de la

barrena. .

10. Barrenas 10.5 Análisis de igualdad de costo entre barrenas

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10.5 Análisis de igualdad de costo entre barrenas La fórmula del costo por metro se puede emplear para comparar costos usando barrenas de diamante contra barrenas convencionales o comparar las ventajas económicas relativas con tipos diferentes de barrenas 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 diamante.

El costo previsto por metro perforado para una barrena propuesta suele compararse con el costo real de otras barrenas empleadas para perforar en la misma región y bajo condiciones similares de perforación. Los pozos que se usan para hacer las comparaciones suelen denominarse “vecinos”, o pozos de correlación (pozos offset). En general, la comparación es más válida mientras más cercano esté el pozo vecino a la localización propuesta y mientras más parecidos sean los parámetros de perforación. Cuando se propone usar una barrena de diamante en regiones donde se usan barrenas tricónicas convencionales, 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 igualar el costo por metro que se pudiera obtener para un pozo en particular si no se hubiese usado una barrena de diamante. Para obtener “igualdad de costo”, se tiene que usar, para fines comparativos, un buen récord de barrenas de un pozo vecino. Si se usa el siguiente registro de barrenas de 8 ½ pg tipo 517 que perforaron de 4000 a 4915 m, se puede determinar si una barrena de diamante resulta económica.

Costo de Barrena.

Metros Perforados

Horas de Perforación

ROP

1,000 1,000 1,000 4,350 4,350

198 160 130 168 259

16 15 15 20 20

12.37 10.66 8.66 8.40 8.63


226

Rendimiento de pozo vecino: Total de horas de rotación = 96 Tiempo total de viaje = 51 horas Costo del equipo = 500 $/Hr Costo total de barrenas = $11,700 Total de metros perforados = 915 m Entonces el costo por metro del pozo vecino para el intervalo de 4000 a 4915 m es:

mPC /$92.90915

)5196(5009700/ =

+++=

Para determinar si una aplicación es apta para una barrena de diamante, los rendimientos del pozo vecino se conocen, pero el rendimiento de la barrena se estima. Así, se tiene que asumir cuántos metros hay que 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:

MBxTR

PC

RC)(

/+

−=

Donde: R = Costo de equipo ($/Hr) C/P = Costo por metro del pozo vecino ($/Hr) T = Tiempo de viaje, barrena de diamante B = Costo de la barrena de diamante M = Metros perforados por la barrena de diamante asumido ROP = Ritmo de penetración de igual costo (Ni ganar ni perder) Entonces, si se tiene: R = 500$/Hr C/P = $ 90.92 T = 11Hr


227

B = $ 15700 M = 915 m Así:

hrmx

ROP /3.7

915)1570011500(

92.90

500 =+

−=

La barrena PDC tiene 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 perforación se asume, se usa la siguiente fórmula para calcular el break even de metros perforados:

ROPRPCBTxR

Fbe// −+

=

Donde: Fbe = Metros perforados para igual costo ROP = Régimen de penetración supuesto (m/Hr) Entonces: en el ejemplo anterior, si se asume un ritmo de penetración de 30 m/Hr tenemos:

mx

Fbe 28530/50092.90

1570011500=

−+

=

En este caso la barrena de diamante solamente tiene que perforar 285 m para llegar al punto de igualdad de costo.


228

Determinación del momento óptimo para el cambio de barrena Un método experimentado para determinar el momento preciso para suspender la perforación y efectuar un cambio de barrena consiste en ir calculando los costos por metro parciales y graficar (Gráfica 10.4) los mismos contra el tiempo.

Tiempo (Horas)

Gráfica 10.4

El costo por metro perforado al inicio de la perforación con cualquier tipo de barrena representará siempre el costo por metro más alto debido a que los metros perforados son pocos. Lo anterior se observa en la gráfica 2: 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 2. Posteriormente tendrá un comportamiento más o menos constante, después de la estabilización del costo por metro (región AB) y, finalmente, se observará que se incrementa el costo por metro (de la región B en 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 el caso de barrenas de diamante o en el sistema de rodamiento para el caso de barrenas de conos.


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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 éste, el costo por metro se empieza a incrementar porque se incrementa el tiempo de perforación y no así los metros perforados.

La aplicación de este método puede complicarse si no se tiene la experiencia de campo suficiente para visualizar qué está pasando con todos los parámetros 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 barrena. Lo que no sería recomendable es cambiar la barrena si los tiempos de perforación 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 inicio equivocado de que la barrena utilizada no es la más adecuada, 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 perforación por alguna circunstancia obligada,

como el peso sobre barrena, revoluciones por minuto, gasto, etcétera. • La inclusión o eliminación de sartas navegables, puesto que en la sarta de

perforación puede 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 será fácil elaborar la gráfica del costo por metro parcial contra el tiempo de perforación en el pozo, por las condiciones propias del trabajo, se ha definido un parámetro llamado “TIEMPO MÁXIMO PERMISIBLE” (TMP), el cual se calcula con la siguiente fórmula:

)60()/( RCpTMP =

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 registro de los datos puesto que en el equipo de perforación no puede tenerse exactitud al marcar un metro sobre la flecha y se perdería el tiempo.


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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 será la base de comparación para los metros que se perforen a continuación. Este tiempo máximo promedio expresa los minutos que deberán emplearse para perforar el o los metros siguiente. Cuando la penetración real en minutos por metro es mayor que el tiempo máximo permisible indica que el costo por metro parcial está aumentado 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 perforación aún es costeable. Ahora, si la tolerancia que se mencionó se aplica como igual a un 10 % se podría decir que a 3185 m el TMP 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 aún costeable continuar perforando con esa barrena. Sin olvidar que los aspectos prácticos mencionados anteriormente se deben tomar en cuenta para tomar decisiones.

10. Barrenas 10.6 Aplicaciones

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10.6 APLICACIONES ¿Qué es una barrena?

La herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación, utilizada para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotaria.

¿Qué información se necesita para seleccionar una barrena?

• Evaluación de desgaste de barrenas empleadas previamente. • Evaluación de rendimiento de pozos vecinos. • Registros geofísicos de pozos vecinos y del mismo pozo (si se tienen). • Datos sísmicos del área. • Software especializado de cálculo y análisis para la selección. • Propiedades de los fluidos de perforación por emplearse con esta barrena. • Tablas e información geológica. • Catálogos de barrenas. • Boletines sobre las características de las barrenas. • Tablas comparativas de barrenas. • Clasificación de barrena (ejemplo del IADC).

¿Cuál es la función de la barrena?

Remover a la roca (ripios de ésta) mediante el vencimiento de su esfuerzo de corte, o bien, removerla mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión.

¿Cuáles son los tipos de barrenas?

• Barrenas tricónicas • Barrenas de cortadores fijos (PDC) • Barrenas especiales

Actividad.- Con base a sus conocimientos y experiencia adquirida en el campo ó área donde labora, seleccione una barrena tricónica y una PDC para dos diferentes formaciones: Formación Tipo de barrena Código IADC.

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