capítulo 10. barrenas

10. BARRENAS
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10. Barrenas
10.1
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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cortadores fijos (PDC) para perforar
Gráfica 10.1
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cortadores fijos (PDC) para perforar
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
200
10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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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10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
Gráfica 10.3
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10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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
POROSIDAD
MÓDULO
YOUNG
(ELASTICIDAD)
DENSIDAD
RESISTENCIA
DE LA ROCA
CONFINADA
(LBS/PG2)
203
10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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
204
10. Barrenas
•
Limo
•
Arenisca
•
Anhidrita
•
Caliza
•
Dolomita
•
Conglomerado
•
Horsteno
•
Rocas volcánicas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
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.
205
10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
Tabla 10.1Características de diseño, construcción y funcionamiento de las barrenas de dientes de acero
maquinado.
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10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
Tabla 10.2Características de diseño, construcción y funcionamiento de las barrenas de dientes de
insertos de carburo de tungsteno.
Clasificación de la
Barrena
Formación
Medio
Suave
Formación
Media
Tipo de
Barrena
511, 514,
516 521,
524, 526
531, 534,
536, 611,
614, 616
Formación
Media
621, 624,
626, 711,
714, 716
Dura
Formaciones
Extremadamente
Duras
721, 724,
726, 811,
814, 816
Descripción de
la Formación ó
Roca
Estructura
Cortadora
Excentricidad
y Ángulo de
Cono
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.
Intercalaciones
más blandas de
formaciones
duras (caliza,
dolomitas y
lutitas arenosas
duras).
Intercalaciones
medias en
formaciones
duras (pedernal,
granito, basalto,
formaciones
cuarcíticas).
Las más duras
de las
formaciones
duras y
abrasivas
(cuarcitas y
arenas
cuarcíticas
duras).
Tamaño de los
Baleros
y
Espesor de la
Concha
Los insertos
blandos proveen
conchas de cono
más delgadas y
baleros más
pequeños.
Acción Cortadora
Principalmente
rascado-raspado
con un mínimo
requerimiento de
astillado triturado.
Fundamentalmente
astillado y rascado
con algo de acción
trituradora.
Insertos
medios:
insertos en
forma de
cuña de
extensión
media.
Insertos
medios: acción
trituradora con
ligero raspado.
Insertos
duros:
insertos en
forma cónica
de mínima
extensión
con máxima
resistencia.
Insertos duros:
acción
trituradora.
207
Insertos tipo
medio, previsto
de una sección
de concha más
gruesa para
mayor
resistencia.
Inserto tipo duro,
provisto de
baleros grandes
con una sección
de concha
gruesa.
Principalmente
trituradora con algo
de acción
rascadora.
Solamente acción
trituradora y
fracturadora.
10. Barrenas
10.1 Selección de una barrena tricónica o de
cortadores fijos (PDC) para perforar
Tabla 10.3
Formación
GUÍA DE SELECCIÓN DE BARRENAS DE DIAMANTE
Tipo de Roca
Barrenas PDC
Barrenas D.N
Barrenas TSP
Código I. A. D. C.
Formación suave
con capas
pegajosas y baja
resistencia
compresiva.
Formación suave
con baja
resistencia
compresiva y alta
perforabilidad.
Formación suave
a media con baja
resistencia
compresiva con
intercalación de
capas duras.
Formación media
a dura densa con
alta a muy alta
resistencia
compresiva pero
no abrasiva o con
pequeñas capas
abrasivas.
Formación dura y
densa con muy
alta resistencia
compresiva y
algunas capas
abrasivas.
Formación
extremadamente
dura y abrasiva.
Lutita
Marga
M 314
M 611
M 612
M 672
M 342
Marga
Sal
Anhídrita
Arcilla
M 312
M 645
D2RI
DIX2
Arena
Arcilla
Yeso
M – 646
M – 346
M – 256
D2R2
M263
T2R8
T646
Arcilla
Mudstone
Arenisca
Caliza
Dolomía
Anhidrita
D2X5
D4X6
T2X8
T2R8
Siltstone
Arenisca
mudstone
D5X9
D4X9
D560
Cuarcita
Volcánica
D560
208
10. Barrenas
10.2
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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
209
10. Barrenas
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Tipo de cortadores.
Material del cuerpo de la barrena
Perfil de la barrena.
Diseño hidráulico para el fluido de perforación.
Distribución del flujo.
Tamaño de los cortadores.
Densidad de los cortadores.
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).
210
10. Barrenas
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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)
211
10. Barrenas
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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.
212
10. Barrenas
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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.
213
10. Barrenas
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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.
214
10. Barrenas
10.2 Tecnología de los cortadores fijos
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.
215
10. Barrenas
10.3
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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.
216
10. Barrenas
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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.
217
10. Barrenas
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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
para decidir el tipo de barrena que se va a utilizar después y si,
práctica de operación debe ser modificada. Quien aprende a “leer”
cada barrena y entienda bien que significa su aspecto, estará
obtener el máximo rendimiento de cada una de ellas.
mucha utilidad
en su caso, la
el desgaste de
muy cerca de
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.
218
10. Barrenas
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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:
(8 + 6 + 7 + 4 + 2 + 3)
6
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:
( 2 + 1 + 3)
=2
3
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.
219
10. Barrenas
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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
220
10. Barrenas
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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:
221
10. Barrenas
•
•
•
•
•
•
•
•
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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
222
10. Barrenas
10.3 Problemas más comunes en las
barrenas
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
Estructura Cortadora
Hilera
Interior
Hilera
Exterior
6
Estructura Cortadora
Hilera
Hilera
Caract. de
Interior Exterior Desgaste
4
5
BT
Ubicació
T
Caract. de Ubicación
Desgaste
8
B
Sellos de
Cojinete
X
B
RO
G
Calibre
1/16”
I
T
G
Sellos del Calibre
Cojinete
1/16”
X
Observaciones
Otras
Caract.
Razón
Salida
WT
PR
1/16
Observaciones
Otras Razón
Carac. Salida
ER
DTF
Figura 10.6 Ejemplos de evaluación de barrenas de arrastre (diamante y PDC)
Hilera
Interior
1
Hilera
Interior
0
Estructura Cortadora
Hilera
Caract de
Ubicación
Exterior Desgaste
0
NO
A
Estructura Cortadora
B
G
Hilera
Caract. de
Ubicación Sellos de Calibre
Exterior Desgaste
Cojinete 1/16”
1
WT
A
E
I
B
Sellos de
Cojinete
G
Calibre
1/16”
E
I
Observaciones
Otras
Razón
Caract. Salida
NO
Figura 10.7 Ejemplos de evaluación de barrenas de conos
223
BHA
Observaciones
Otras
Razón
Carac Salida
NO
TQ
10. Barrenas
10.4
10.4 Análisis del costo por metro
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.
C=
B + R (T + Tv + Tc )
M
Costo fijo = B +R (Tv + Tc)
M
Independiente de las condiciones de
operación de la barrena (P. S. B. y r.p.m.)
Costo de rotación = R + T
M
Está en función de las condiciones de
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.
.
224
10. Barrenas
10.5
10.5 Análisis de igualdad de costo entre
barrenas
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.
1,000
1,000
1,000
4,350
4,350
Metros
Perforados
198
160
130
168
259
Horas de
Perforación
16
15
15
20
20
225
ROP
12.37
10.66
8.66
8.40
8.63
10. Barrenas
10.5 Análisis de igualdad de costo entre
barrenas
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 =
$11,700
Total de metros perforados = 915 m
Entonces el costo por metro del pozo vecino para el intervalo de 4000 a 4915 m
es:
C/P =
9700 + 500 + (96 + 51)
= 90.92$ / m
915
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:
C=
R
( R xT + B)
C/P−
M
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
226
10. Barrenas
10.5 Análisis de igualdad de costo entre
barrenas
B = $ 15700
M = 915 m
Así:
ROP =
500
= 7.3m / hr
(500 x 11 + 15700)
90.92 −
915
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:
Fbe =
R xT + B
C / P − R / ROP
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:
Fbe =
500 x 11 + 15700
= 285 m
90.92 − 500 / 30
En este caso la barrena de diamante solamente tiene que perforar 285 m para
llegar al punto de igualdad de costo.
227
10. Barrenas
10.5 Análisis de igualdad de costo entre
barrenas
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.
228
10. Barrenas
10.5 Análisis de igualdad de costo entre
barrenas
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:
TMP = (Cp / R) (60)
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.
229
10. Barrenas
10.5 Análisis de igualdad de costo entre
barrenas
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.
230
10. Barrenas
10.6
10.6 Aplicaciones
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?
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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?
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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
231
Código IADC.