• Author / Uploaded
• Francisco Hernandez Hernandez

Citation preview

Selección de Barrenas

4

Perforación

GUÍA PARA LA

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

Selección

de Barrenas

CONTENIDO 1. Introducción 2. Conceptos generales 3. Metodología para la selección del tipo de barrena: tricónica o de cortadores fijos ➔ Selección de la barrena tricónica óptima usando información de registros geofísicos. ➔ Selección de la barrena de cortadores fijos óptima. 4. Determinación de la vida útil de la barrena 5. Recomendaciones 6. Nomenclatura 7. Referencias 8. Apéndice A. Cálculo de UCS mediante el Modelo de Smorodinov 9. Apéndice B. Clasificación IADC para barrenas de cortadores fijos.

La selección de barrenas es parte importante dentro del proceso de planeación de la perforación de un pozo, ya que de ello depende en buena parte la optimización del ritmo de penetración. Esta guía proporciona los elementos de criterio necesarios para la selección de barrenas basado en propiedades mecánicas de la formación y condiciones de operación de la barrena. Se propone el método de Energía Mecánica Específica como criterio de apoyo para la selección.

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

1. Introducción

La selección de barrenas es una parte importante dentro del proceso de planeación de la perforación de un pozo, ya que de ello depende, en buena parte, la optimización del ritmo de penetración, el cual está influenciado por diversos parámetros, tales como: esfuerzos efectivos de la roca, características de la barrena, condiciones de operación (peso sobre barrena, velocidad de rotación e hidráulica), ensamble de fondo, propiedades físico-químicas de la roca, fluidos de perforación y desviación del pozo, entre otros. El alcance de esta guía se concentra en el análisis de la eficiencia de la barrena en función de propiedades mecánicas de la roca y algunos parámetros de operación como el peso sobre barrena, velocidad rotatoria, ritmo de penetración, y torque. Los fenómenos fisicoquímicos originados por la interacción del fluido de perforación con la formación en la cara de la barrena, las propiedades del lodo de perforación, el ensamble de fondo y la optimización de la hidráulica no son considerados. Esta metodología es recomendable para etapas de perforación intermedias y profundas, en donde se dispone de la información de registros requerida. Tradicionalmente, la selección de barre-

nas se efectúa con base en la información de registros de barrenas usadas en pozos de correlación. Se selecciona la barrena más económica utilizando el criterio de costo por metro. Este criterio de selección requiere de una buena base de datos de registros de barrenas usadas en pozos vecinos y de la experiencia del personal involucrado en la selección de la barrena, y les otorga poco valor a las características mecánicas de la roca como criterio para su selección. Su efectividad está limitada a la repetición de las mismas condiciones de operación y bajo el supuesto de que los datos existentes representan parámetros óptimos de operación, lo cual no necesariamente es cierto. Como resultado, la selección de barrena finaliza en un proceso de ensayo y error. Algunos de los criterios y metodologías reconocidos en la literatura para la selección de barrenas son los siguientes1: factor de barrena, perforabilidad de la formación, energía mecánica específica, índice de perforación, y costo por metro. Algunos son estadísticos, basados en registros de barrenas, mientras que otros son analíticos, basados en principios matemáticos asociados con las propiedades mecánicas de las formaciones. El propósito de esta guía es proporcio-

Página cinco nar los elementos de criterio al personal para seleccionar barrenas con base en las propiedades mecánicas de la formación y las condiciones de operación, tomando como criterio de comparación el tradicional método de costo por metro basado en estadística y experiencia.

raspado de la roca. Esto causa que la roca falle por esfuerzos de corte. La Figura 2 ilustra este mecanismo2.

2. Conceptos generales

Las barrenas son clasificadas de acuerdo con su mecanismo de ataque a la roca en dos tipos: tricónicas y de cortadores fijos. El mecanismoprincipaldeataquedelasbarrenas tricónicas, ya sea de dientes maquinados o insertos, es de trituración por impacto. Este ataque causa que la roca falle por compresión, como se ilustra en la Figura 1.

■ Figura 1. La roca falla por esfuerzos compresivos.

En cambio, las barrenas de cortadores fijos tienen un mecanismo de ataque por

■ Figura 2. La roca falla por esfuerzos de corte.

3. Metodología para la selección del tipo de barrena: tricónica o de cortadores fijos

La primera disyuntiva que el ingeniero de diseño enfrenta es la de elegir una barrena tricónica o una de arrastre. La revisión de la literatura indica que no existe un criterio normalizado sobre cómo seleccionar el tipo de barrena, por lo que generalmente se hace a partir de experiencias del comportamiento de cada tipo de barrena en litologías conocidas. Por lo tanto, aquí se propone la siguiente metodología para este trabajo. Inicialmente, es necesario recopilar información de pozos de correlación, sobre

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

todo ryaegistros de barrenas y registros geofísicos (sónico –bipolar, de preferencia–, de densidad, y de rayos gamma). Existen diferentes tipos y presentaciones de registros de los cuales se puede obtener la información necesaria. La Figura 3 muestra un registro sónico que contiene información del tiempo de tránsito, porosidad y rayos gamma. Se propone el método de energía mecánica específica (ES) como criterio de apoyo paradecidirquétipodebarrenaseleccionar: tricónica o de cortadores fijos. Debido a que la energía mecánica específica no es sólo unapropiedadintrínsecadelaroca,sinoque estáíntimamenteligadaconlascondiciones de operación de la barrena, (ES) proporciona una medida directa de la eficiencia de la barrena en una formación particular. La energía mecánica específica se define como la energía requerida para remover una unidad de volumen de roca, y se calcula de acuerdo con la siguiente expresión3.

metro (C), existen parámetros como el tiempo de viaje (tV) y el costo del equipo (CE) que afectan el costo por metro perforado, pero que no son representativos de la eficiencia con la que la barrena perfora. Esto se puede ver en la ecuación (2) de costo por metro que se presenta a continuación, donde el costo por metro es directamente proporcional al costo del equipo y tiempo de viaje. (2)

Donde CB es el costo de la barrena, tR es el tiempo efectivo de rotación de la barrena en el intervalo perforado H.

(1)

Donde W es el peso sobre la barrena, N es la velocidad de la rotaria, d es diámetro de la barrena, y RP el ritmo de penetración. Cuando se estima la eficiencia de la barrena conforme al concepto de costo por

■ Figura 3. Registro con información del tiempo de tránsito, porosidad y RG.

Página siete La metodología es la siguiente: 1. Ordenar la información del registro de barrenas de pozos de correlación, como se muestra en la Tabla 1.

Avance (m)

Avance Profundidad acumulado alcanzada (m) (m)

WxNx 1000 (Ton-rpm)

tv (hr)

tRD (hr)

tRA C (hr) ($/m)

Es (pg lb/pg3)

1700

0

E s (p g -lb /p g 3 )

500

1000

1500

1800 1900 2000 2100

■ Tabla 1. Información obtenida de un registro de barrenas.

*

t es el tiempo de rotación diaria y t es el tiempo de RD

rotación acumulado.

RA

2. Calcular la energía mecánica específica (Es) con la ecuación 1 para cada intervalo perforado y para cada barrena. 3. Graficar los datos de Es en una gráfica como la mostrada en la Figura 4 de profundidad alcanzada vs Es. 4. Seleccionar la(s) barrena(s) utilizando la gráfica construida. El criterio de decisión es que la barrena más efectiva es la que requiere menos energía, Es. Este criterio junto con el tradicional de costo por metro sirve como un apoyo para decidir qué tipo de barrena se va a utilizar. Para el caso ilustrado en la Figura 4, es claro que la barrena que requiere menor Es para perforar el intervalo 1750-2500 m es la barrena de cortadores fijos, la cual sería seleccionada.

2200 2300 2400 2500

■ Figura 4. Gráfica comparativa de eficiencia en términos de la energía mecánica específica Es.

3.1 Selección de la barrena tricónica óptima usando información de registros geofísicos.

Si en el punto 3 se decidió utilizar una barrena tricónica, el diseño parte de calcular el UCS (esfuerzo compresivo de la roca sin confinamiento), el cual es definido como la resistencia que una muestra no confinada de roca tiene bajo esfuerzos compresivos. Los valores de UCS calculados se comparan con los rangos de aplicación de las barrenas PDC proporcionados por el fabricante para seleccionar la barrena con la dureza suficiente para vencer la resistencia de la roca. Existen diferentes criterios pa-

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

ra el cálculo del UCS.Acontinuación se presenta la metodología para calcularlo a partir de información de registros geofísicos4. Existen otros métodos para calcularlo, como el modelo de Smorodinov, y por su simplicidad es presentado en el Apéndice A como alternativa de cálculo. La selección de barrenas con base en registros geofísicos usa la relación que existe entre la litología de la formación y la resistencia a la compresión de la roca. A continuación se presenta el método de selección de barrenas tricónicas con base en el esfuerzo compresivo sin confinamiento UCS.

3.1.1 Cálculo del UCS a partir de información de registros geofísicos.

Si no cuenta con la información del registro sónico que proporcione directamente los datos de los tiempos de tránsito compresional y de cizallamiento, ∆tc y∆ts , entonces se calculan de la siguiente forma4,5. 1. Calcular ∆tc para el intervalo (3)

Donde es el tiempo de tránsito a través de la matriz de la roca, el cual se obtiene de la tabla 2, f es la porosidad, y es el tiempo de tránsito a través del fluido en el po-

ro. Un valor de 207 mseg/pie, correspondiente al agua, puede ser considerado. 2. Calcular para el intervalo (4)

Donde es un factor de corrección por tamaño de grano. Debido a que su valor es cercano a la unidad, para propósito de esta guía se toma como . Los valores de la relación tiempo de tránsito de cizallamiento y tiempo de tránsito compresivo, , para diferentes tipos rocas se obtienen de la tabla 2. 3. Calcular la relación de Poisson (υ) con los valores de tiempo de tránsito. (5)

4. Obtener del registro de densidad la densidad de la roca (ρr) para cada intervalo. 5.Calcularelmódulodecizallamiento(G).

Página nueve

(6)

6. Calcular el módulo de Young (E). (7)

7. Calcular el módulo volumétrico (K) y el módulo de compresibilidad (C).

(8)

(9)

8. Determinar el volumen de arcillas en fracción del registro de rayos gama (Vs). 9. Calcular el esfuerzo compresivo sin confinamiento (UCS). (10)

Esta expresión ha sido simplificada suponiendo el caso de una roca poco consolidada con un ángulo de fricción interna de 30o. 11. Seleccionar la barrena tricónica de acuerdo con los valores de UCS en laTabla 3.

Litografía de la formación

∆ts/∆tc

Arcillita Arcilla Anhidrita Arenisca (limpia) Arenisca (limosa) Arenisca (arcillosa) Basalto Caliza (limpia) Caliza (limosa) Caliza (arcillosa) Carbonato ferroso Cuarcita Cuarzo Diabasa Diorita Dolomía Apidosita Gabro Gneis Granito Hornsteno Lomonita Lodolita Lutita Mármol Pedernal Pirita Sal Yeso

1.90 3.20 2.45 1.60 1.70 1.85 1.55 1.90 2.10 2.30 2.45 1.50 1.55 1.700 1.75 1.80 1.70 1.60 1.80 1.70 1.85 1.80 1.85

1.70 a 1.75

1.80 1.60 1.70 2.15 2.45

Velocidad en la matriz rocosa (pies/seg) 19000 6000 20000 19500 19500 19500 20150 21000 21000 21000 8500 21500 20000 22700 22000 25000 23000 23500 25000 21350 25000 23000 19000 19500 24000 22300 28000 15000 19050

■ Tabla 2. Relación de tiempo de tránsito de cizallamiento/compresivo y tiempo de tránsito a través de matrices para diferentes tipos de roca.

3.2 Selección de la barrena de cortadores fijos óptima.

En el caso de haber determinado en el punto 3 la utilización de una barrena de cor-

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

Tipo de litología Formaciones muy débiles - Alta plasticidad con baja resistencia (margas o arcillas)

Resistencia a la compresión (psi)

Código IADC/API

30000

Formaciones débiles a medianamente débiles - baja resistencia, interlaminadas con secuencias de alra resistencia (lutitas, pizarras, lignitos)

Formaciones duras 15000 - 30000 316-347/732-737 - alta resistencia, con lentes abrasivos (areniscas, limolitas y dolomitas) 832-837

■ Tabla 3. Clasificación de la IADC con el valor de UCS.

tadores fijos, la selección de la barrena óptima se inicia calculando la velocidad de

transmisión de la onda compresiva en la roca con confinamiento, CCV. Debido a que el UCS sólo relaciona la dureza de la formación con la dureza y tamaño de los cortadores (ver tabla Apendice B), pero no proporciona información para definir el número y diámetro de cortadores, número de aletas, ni el cuerpo (gauge) de la barrena, el UCS no toma en cuenta ni el grado de compactación de la roca a perforar, ocasionado por la sobrecarga, ni los esfuerzos efectivos de la formación ocasionados por la presión de poro. Por esta razón, se requiere una selección más rigurosa y se sugiere un método que tome en cuenta las propiedades mecánicas de la roca bajo condiciones de confinamiento. El método aquí descrito es el propuesto por O’Hare6 para el diseño de barrenas de cortadores utilizando la velocidad de transmisión de la onda compresiva en la roca con confinamiento, CCV. 5.1 Cálculo del número y diámetro de cortadores y del número de aletas utilizando la velocidad de transmisión de la onda compresiva en la roca con confinamiento. 1. Con la información del registro de barrenas (Tabla 1) y los tiempos de tránsito compresional y de cizallamiento para cada intervalo, calcular la velocidad de cizallamiento (∆vs).

Página once

(11)

2. Calcular la CCV utilizando una de las siguientes ecuaciones: Si la cima del intervalo a perforar está a una profundidad vertical real mayor a 610 m (2000 pies) HCIMA > 610 m, entonces:

(12)

Si la cima del intervalo a perforar está a una profundidad vertical real menor a 610 m (2000 pies) HCIMA < 610 m, entonces: (13)

3. Calcular el número de cortadores (CR ). (14)

4. Calcular el diámetro de cortadores a partir de la CCV y el tamaño de grano de la formación (α), (Considerar α=1).

(15)

5. Calcular el número de aletas (), en función del número de cortadores.

(16)

Esta metodología deja fuera el cálculo de otras características de la barrena, como la longitud del cuerpo “gauge” (de primordial importancia en perforación direccional) y el área libre al flujo en la barrena. Para ello se sugiere consultar la referencia citada. Con la metodología aquí detallada, es posible indicar al proveedor las características mínimas de barrena de cortador requeridas para la sección de pozo programada. Esta metodología tampoco incluye la posición (ángulo de ataque) de los cortadores en las aletas. Se requieren modelos más complejos para un diseño completo de una barrena de cortadores, por lo que se recomienda el uso de software especializado para la optimización del programa de barrenas.

4. Determinación de la vida útil de la barrena

En el punto 3 de esta guía se mencionó la ventaja de utilizar el criterio de la energía

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

0

0

500

Es (pg-lb/pg3)

1000

1500

100

Avance acumulado (m)

200 300 400 500 600

b) a)

700 800 900

c)

■ Figura 5. Gráfica típica para decidir la vida útil de la barrena en términos de la energía mecánica específica (Es).

Torque (lb-pie)

7000

6500 0

7500

8000

100

200

Avance acumulado (m)

mecánica específica para la selección de la barrena. Con base en este argumento, este mismo criterio es importante para decidir, una vez que la barrena está perforando, el tiempo óptimo para sacarla; por lo tanto, se sugiere su uso. La metodología es similar a la ya expuesta en el punto tres y se detalla a continuación. 1. Se ordena la información del registro de la barrena en uso como en la Tabla 1. 2. Se calcula la energía mecánica específica (Es) con la ecuación 1 para los intervalos perforados.

300 400 500 600

b) a)

700 800 900

c)

■ Figura 6. Registro de torque en superficie.

3. Se grafican los datos obtenidos de Es en una gráfica de avance acumulado vs Es. La Figura 5 muestra un caso típico. 4. Se analiza el comportamiento de la barrena tomando en cuenta al menos los siguientes aspectos: gráfica de Es, gráfica de torque en superficie y las características de los recortes en superficie. A continuación se presentan tres casos típicos. El primer caso corresponde a incrementos suaves de Es; esto indica que la barrena está perforando a través de formaciones con mayor dureza. La figura 5 ilustra este caso en la sección denominada a). La misma Figura 5 ilustra los casos b) y c) donde se observa un

Página trece

0

20

30

40

Costo ($/m) 50 60

70

80

100

Avance acumulado (m)

200 300 400 500 600 700 800 900

■ Figura 7. Gráfica típica para decidir la vida útil de la barrena en términos del costo por metro ($/m).

60 50

Ritmo de perforació (m/hr)

significativo incremento de la Es. En el caso b), se detecta un incremento de la Es y el registro de torque (ver Figura 6) se mantiene dentro de un comportamiento normal. Esto indica que se está perforando una formación con mayor dureza, lo cual debe ser corroborado con el cambio de formación observado en la recuperación de recortes en superficie. En el caso c), Es incrementa significativamente y el torque muestra un incremento anormal; adicionalmente, la recuperación de recortes comprueba que no hay cambio de litología. Este comportamiento indica el punto donde la barrena debe ser reemplazada.

d=8.5 pg WOB=20 Ton N=140 rpm

40 30 20 10 0 -200

0

200

400

600

800

Presión diferencial (psi)

1000

■ Figura 8. Efecto de la presión diferencial sobre el ritmo de penetración.

En general, el incremento de Es asociado al incremento anormal en el torque es indicativo de desgaste excesivo de la barrena. La figura 7 ilustra el análisis del comportamiento de esta misma barrena con base en el criterio de costo por metro. Se observa que, de acuerdo con este criterio, la barrena aún tiene vida útil, mientras que el criterio de Es indica lo contrario. La explicación de esta diferencia es que la Es toma en cuenta parámetros de operación y, por lo tanto, permite detectar más rápidamente cambios en el desempeño de la barrena. Una limitación de este método es que no evalúa el desgaste de la barrena. Con el propósito de tomar en cuenta este importante parámetro, se sugiere que, de acuerdo al desgaste exhibido por la barre-

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

na, se establezcan valores máximos de energía específica (Es) para el intervalo analizado.

5. Recomendaciones

En formaciones someras donde la toma de información de registros es limitada, los registros de barrenas de pozos de correlación son la mejor herramienta para seleccionar barrenas. La metodología aquí propuesta es aplicable para etapas de perforación intermedias y profundas, en donde se dispone de la información de registros requerida. Cuando no se tenga la información, la aplicación de criterios prácticos de campo es trascendental. Así como una roca dura no puede ser perforada con una barrena cuyos elementos de ataque son de menor dureza que la roca, una roca suave no puede ser perforada con eficiencia si los elementos de ataque de la barrena son para alta dureza. Se recomienda mantener una diferencial de presión mínima entre la densidad equivalente de circulación y la presión de poro de la formación (mínimo sobrebalance). Estudios realizados por diversos investigadores1 comprueban que esta práctica mejora el ritmo de penetración. La

Figura 8 ilustra el comportamiento típico del efecto de sobrebalance en el ritmo de penetración. Es necesario optimizar la hidráulica del sistema de tal modo que la potencia hidráulica sea transmitida de manera óptima al fondo del pozo. El uso de fluidos de perforación limpios de sólidos es de vital importancia para el correcto desempeño de la barrena. Esto implica un adecuado mantenimiento de los fluidos en superficie. La ventaja de la utilización del criterio de energía específica es que proporciona la información oportuna acerca de la eficiencia de la barrena para cada intervalo perforado en función de condiciones de operación. Sin embargo, su uso en planeación está limitado para pozos de desarrollo. En pozos exploratorios o con poca información de correlación, sólo es aplicable como criterio para decidir sacar oportunamente la barrena. Mantenerse informado acerca de innovaciones tecnológicas en todo tipo de barrenas, particularmente las PDC de vanguardia, que permiten un mejor control de la dirección en perforación direccional. Fomentar la cultura de toma de información rutinaria de la roca y sus fluidos para la caracterización de nuestros campos.

Página quince Los resultados de la aplicación de esta metodología deben ser entendidos como un soporte para tomar decisiones correctas y no como un criterio de validez absoluta.

Nomenclatura

C =Costo por metro de la barrena [$/m] Cb =Módulo de compresibilidad [psi-1] CCV =Velocidad compresional con confinamiento [pie/mseg] Cn =Número de cortadores. Cs =Diámetro de cortadores [mm]. Bn =Número de aletas. d =Diámetro de la barrena [pg] E =Módulo de Young [psi] Es =Energía mecánica específica [pg-lbf/pg3] G =Módulo de cizallamiento [psi] HCIMA =Cima del intervalo a perforar [m] K =Módulo volumétrico [psi] N =Velocidad de la rotaria [rpm] =Ritmo de penetración [m/hr] Rp UCS =Esfuerzo compresivo de la roca sin confinamiento [psi] Volumen de arcilla leido del Vs W =Peso sobre la barrena [Ton] α =Factor de corrección por tamaño de grano. ∆tC =Tiempo de tránsito de la onda compresional [µmseg/pie] ∆tma Tiempo de tránsito a través de la

matriz de la roca [µmseg/pie] ∆tS =Tiempo de tránsito de la onda de cizallamiento [µmseg/pie] ∆Vs =Velocidad de cizallamiento [pie/mµseg] φ =Porosidad [fracción] ρR =Densidad obtenida del registro de litodensidad gr/cm3] υ =Relación de Poisson [adimensional]

Referencias: ➔ Perrin, V.P., Mensa-Wilmot, G., and

Alexander, W.L.: Drilling Index-A New Approach to Bit Performance Evaluation, SPE/IADC paper 37595, presented at the SPE/IADC Drilling Conference, The Netherlands, March 1997. ➔ Burgoyne, A.T. y asociados: Applied Drilling Engineering, Society of Petroluem Engineers, textbooks series, second printing, Texas 1991. ➔ Rabia, H.: Specific Energy as a Criterion for Bit Selection, SPE paper 12355, Journal of Petroleum Technology, July 1985.100 años de la industria petrolera en México. ➔ Procedimiento para la selección de barrenas, Gerencia de Tecnología, Unidad de Perforación y Mantenimiento de

GUÍA PRÁCTICA DE DISEÑO DE SELECCIÓN DE BARRENAS

Apéndice A. Cálculo de UCS mediante el Modelo de Smorodinov

Smorodinov y asociados4 determinaron dos relaciones entre el esfuerzo compresivo de la roca para un grupo de rocas carbonatadas: uno en función de la densidad de la formación y el otro en función de la porosidad. Ellos propusieron que la resistencia a la compresión de la roca (UCS) puede relacionarse con la densidad y porosidad de la siguiente forma: (A1)

Apéndice B. Clasificación IADC para barrenas de cortadores fijos. TIPO

1 muy suave 2 suave 3 medio suave 4 medio 5 sin código

6 medio duro

2PDC, 19mm

3PDC, 13mm 4PDC, 8mm

2PDC, 19 mm

3 PDC, 13 mm 4PDC, 8mm

2PDC, 19 mm

3 PDC, 13 mm 4PDC, 8mm

2PDC, 19 mm

3 PDC, 13 mm 4PDC, 8mm

1 diamante natural 2 TSP

3 híbrido

7 duro

1 diamante natural 2 TSP

8 extremadamente duro

3 híbrido

1 diamante natural 4 diamante

impregnado

Cuerpo

(A2)

Donde ρR es la densidad y φ es la porosidad de la formación.

CORTADOR

M Matriz S acero

D diamante

1.corto cola pescado 2. Perfil corto 3. perfil medio 4. perfil largo

Perfil

Pozos. ➔ Mason, K.L.: Three-Cone Bit Selection with Sonic Logs, SPE paper 13256, SPE Drilling Engineering, June 1987. ➔ O´Hare J. and Aigbekaen, O.A.: Design Index: A Systematic Method of PDC Drill-Bit Selection, IADC/SPE paper 59112, presented at the IADC/SPE Drilling Conference, Louisiana, February 2000.