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• León Alejandro Saucedo Flores

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Universidad Autónoma del Carmen DES DE CIENCIAS QUÍMICA Y PETROLERA Facultad de Ciencias Química y Petrolera

TEMA IV HERRAMIENTAS ELEMENTOS DE PERFORACIÓN

Definición: Barrena es la herramienta de corte que se localiza en el extremo inferior de la sarta

de perforación y se utiliza para cortar o triturar la

formación durante el proceso de

perforación rotatoria.

Principio de operación: Para realizar la perforación, las barrenas funcionan con base en dos principios

esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y

de compresión. De acuerdo a su mecanismo de ataque las barrenas • clasifican Barrenasen: tricónica: El mecanismo principal de ataque de esta barrenas se (de dientes maquinados o insertos) es de trituración por impacto fallando la roca por compresión. •

De cortadores fijos: El mecanismo de ataque es por raspado de la roca fallando por esfuerzo de corte. Barrenas tricónica Fallan la roca por compresión Barrenas cortadores fijos Fallan la roca por esfuerzo de corte

BARRENAS TRICÓNICAS PRINCIPIOS DE DISEÑO Como su nombre lo indica, estas barrenas tienen tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Varían de acuerdo con su estructura de corte ya que pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno y constan de tres importantes componentes: La estructura cortadora (diente).- La estructura de corte esta montada sobre los cojinetes, los cuales corren sobre pernos y constituyen una parte integral del cuerpo de la barrena. Sistema de rodamiento.- Existen tres diseños: rodillos y balines, auto lubricados con rodillos y balines, de fricción auto lubricados y los de chumacera. Cuerpo de la barrena.- El cuerpo de la barrena consta de: • Una conexión roscada que une la barrena con la tubería. • Tres ejes de cojinetes donde van montados los conos. •

Los depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes.

•

Toberas u orificios por donde sale el fluido de perforación para la limpie del pozo.

CÓDIGO IADC PARA BARRENAS TRICÓNICAS La asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las barrenas tricónica de rodillos de acuerdo con: •El tipo de diente (acero o inserto) •El tipo de formación (en términos de serie y tipo) •Las características mecánicas •Función del fabricante El sistema de clasificación permite hacer comparaciones entre los tipos de barrenas ofrecenIdentifica los fabricantes. El sistema de de clasificación consta de El primerque dígito.el tipo de estructura corte y también el tres dígitos: diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación, como se relaciona continuación: 1. a Dientes fresados para formación blanda. 2. Dientes fresados para formación media. 3. Dientes fresados para formación dura. 4. Dientes de inserto de tungsteno para formación muy blanda. 5. Dientes de inserto de tungsteno para formación blanda. 6. Dientes de inserto de tungsteno para formación media. 7. Dientes de inserto de tungsteno para formación dura. 8. Dientes de inserto de tungsteno para formación extra dura.

El segundo dígito.- Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usará la barrena y varía de suave a dura como se indica: 1. Para formación suave. 2. Para formación media suave. 3. Para formación media dura. 4. Para formación dura. El tercer dígito.- Identifica el sistema de rodamiento y lubricación de la barrena. 1. Con toberas para lodo y balero estándar. 2. Toberas para aire t/o lodo con dientes diseño en T y balero estándar. 3. Balero estándar con protección en el calibre 4. Balero estándar sellado autolubricable. 5. Balero sellado y protección al calibre. 6. Chumacera sellada. 7. Chumacera sellada y protección al calibre. 8. Para perforación direccional. 9. Otras.

Barrena dientes de acero 111

Barrena dientes de insertos 527

Barrena dientes de acero 346

Barrena dientes de insertos 847

BARRENAS DE CORTADORES FIJOS Las barrenas de diamante tienen un diseño muy elemental, a diferencia de las tricónica carecen de partes móviles. Normalmente el cuerpo puede ser de acero o carburo de tungsteno (matriz) o una combinación. El diamante utilizado puede ser 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 y semiduras. Las barrenas de diamante, a excepción de las barrenas PDC, no usan toberas para circular el fluido de perforación, su diseño es tal que, el fluido de perforación puede 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. Las vías de circulación en una barrena de diamante no son tan variadas como en una barrena tricónica donde las toberas son intercambiables.

CÓDIGO IADC PARA BARRENAS DE CORTADORES FIJOS La IADC desarrollo el código para las barrenas de cortadores fijos que consta de cuatro caracteres (una letra y tres números) que describen siete características básicas: 1. Tipo de cortador 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. BARRENAS DE DIAMANTE NATURAL El uso de estas barrenas es limitado salvo

en

casos

especiales

para

formaciones duras, cortar núcleos de formación y como barrenas desviadoras en pozos con formaciones muy duras y abrasivas,

BARRENAS DE DIAMANTE TÉRMICAMENTE ESTABLE (TSP) Son utilizadas para perforar rocas duras como caliza dura, basalto y arenas finas. Son más usadas que las de diamante natural. Se caracteriza por usar diamante sintético de forma triangular, la densidad, el tamaño y forma del grano son características de cada fabricante. BARRENAS

DE

COMPACTO

DE

DIAMANTE

POLICRISTALINO (PDC) El diseño de los cortadores esta hecho con diamante sintético

en

forma

de

pastillas

(compacto

de

diamante). A diferencia de las barrenas de diamante natural y TSP, su diseño hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas tricónica. Este tipo de barrena es la más usada para la perforación de pozos petroleros Por su diseño y características, las barrenas PDC cuentan con una gran gama de tipos y fabricantes, especiales para cada formación: desde muy suaves hasta

muy

duras.

Pueden

ser

rotadas

a

altas

velocidades, utilizadas con turbinas y motores de

Barrena M426

Barrena D182

BARRENAS ESPECIALES Las barrenas especiales, como su nombre lo indica se usan para condiciones muy especificas y así tenemos la siguiente clasificación: •

Barrenas desviadoras.

•

Barrenas ampliadoras.

•

Barrenas monocónicas.

•

Barrenas nucleadoras.

SELECCIÓN DE BARRENAS Para el proceso de selección de barrenas es fundamental conocer el objetivo de la perforación. La primera disyuntiva que el ingeniero de diseño enfrenta es la de elegir una barrena tricónica o una de cortadores fijos. No existe un criterio normalizado sobre como seleccionar el tipo de barrena, por lo que generalmente se hace a partir de experiencias del comportamiento de cada tipo de barrena. Inicialmente, es necesario recopilar la siguiente información de los pozos vecinos: • Registro de barrenas (ver tabla adjunta). • Registros geofísicos (sónico, densidad, rayos gamma, etc.). • Litología. $/m 18

22

Para seleccionar el tipo de barrena (tricónica o de cortadores fijos) se propone el método de energía especifica (Es). Debido a que la energía mecánica especifica no es solo una propiedad intrínseca de la roca, si no que esta íntimamente ligada con las condiciones de operación de la barrena de acuerdo con la siguiente ecuación: Es =

13415 *W*N d*Rp

Donde: W = es el peso sobre la barrena (ton) N = es la velocidad de rotación (rpm) d = es el diámetro de la barrena (pg) Método a seguir Rp la = es ritmo de intervalo y 1. Calcular Es el para cada penetración (min/m) para cada barrena. 2. Graficar los resultados Es vs Prof. 3. Seleccionar

la

o

las

barrenas

(tricónica o de cortadores fijos).

Un procedimiento práctico y sencillo para optimizar la perforación es elegir los parámetros de perforación tales como: tipo de barrena, peso sobre la barrena y velocidad de rotación, más que obtener la velocidad de perforación promedio del área. El procedimiento consiste en: 1. Seleccionar los pozos de correlación. 2. Recopilar la información sobre los registros de las barreas utilizadas en los pozos. 3. Calcular el costo de cada corrida de barrena. 4. Realizar una gráfica de Costo/metro vs. Profundidad 5. A partir de la gráfica seleccionar las condiciones que den el costo mínimo El costo por metro perforado se obtiene con la siguiente ecuación: CM =

CB + CE (TR+TV)

CM = costo por metro perforado, dólares/metro

M

CB = costo de la barrena, dólares TV = tiempo de viaje, horas

TV = 0.0020 Profundidad (m) TR = tiempo de rotación, horas CE = costo de operación del equipo, dólares/hora M = metros perforados

1.- POZOS DE CORRELACIÓN

B 12

C 8 3

D 6

5

4

Pozo perforado

9 2

7 1

A

Pozo en perforac

Pozo programado

Pozo No. 1

No. Barrena 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Diámetro pg 17 1/2 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2

Tipo barrena 111 114 114 114 126 126 517 517 517 517 517 517 517 517 517

Costo dólares 5,062 2,500 2,500 2,500 3,050 3,050 8,400 4,400 4,400 4,400 4,400 1,100 4,400 4,400 4,400

Prof. Inicial m 0 1,352 1,788 2,105 2,363 2,758 2,899 3,355 3,892 3,958 4,033 4,144 4,181 4,426 4,511

Prof. Final m 1,352 1,788 2,105 2,363 2,758 2,899 3,355 3,892 3,958 4,033 4,144 4,181 4,426 4,511 4,756

58,962

Metros perforados 1,352 436 317 258 395 141 456 537 66 75 111 37 245 85 245

Tiempo rotación hrs 78 37 18 27 46 22 88 104 33 30 32 11 75 21 63

4,756

685

Metros perforados 1,067 554 435 27 224 160 410 353 240 6 258 143 117 111 60 24 83 137 205 263

Tiempo rotación hrs 36 26 28 6 32 30 80 82 78 10 95 45 45 40 20 18 30 150 160 98

4,877

1,109

Costo / m 22 36 32 51 50 92 85 74 288 242 170 253 130 189 117

Costo por intervalo 29744 15696 10144 13158 19750 12972 38760 39738 19008 18150 18870 9361 31850 16065 28665

321,931

Pozo No. 2

No. Barrena 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Diámetro pg 17 1/2 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 12 1/4 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2 8 1/2

Tipo barrena 114 114 114 114 114 114 517 517 517 517 517 537 537 537 537 627 537 Diamante Diamante 517

Costo dólares 7,400 2,500 2,500 2,500 2,500 2,500 8,400 8,400 4,400 4,400 4,400 4,400 4,400 4,400 4,400 4,400 4,400 14,875 14,875 4,400

110,450

Prof. Inicial m 0 1,067 1,622 2,057 2,048 2,308 2,468 2,878 3,231 3,471 3,471 3,735 3,878 3,995 4,106 4,166 4,190 4,273 4,410 4,615

Prof. Final m 1,067 1,622 2,057 2,048 2,308 2,468 2,878 3,231 3,471 3,471 3,735 3,878 3,995 4,106 4,166 4,190 4,273 4,410 4,615 4,878

Costo / m 18 21 30 251 66 90 87 104 133 400 144 157 193 192 256 500 222 475 333 150

Costo por intervalo 19206 11634 13050 6777 14784 14400 35670 36712 31920 2400 37152 22451 22581 21312 15360 12000 18426 65075 68265 39450

508,625

EJEMPLO: Se desea realizar el programa de barrenas para un pozo nuevo y se cuenta con la

información de dos pozos vecinos. 0

Profundidad (m)

500

Pozo 1 Pozo 2

1000 2000 3000 4000 Pozo 2 5000

5 10 15 20 25 30 35 40 Costo 1000 dlls

De la gráfica se observa que hasta 2000 m aproximadamente, se deben usar las condiciones de operación del pozo 2 y de 2,000 a 4,800 m las condiciones

Existe el concepto erróneo de que una barrena que perfora más metros o que dure más tiempo perforando es la que da el mínimo costo por metro perforado. Para ilustrar el concepto anterior se presenta el siguiente ejemplo: Peso sobre barrena (ton)

Velocidad de rotación (rpm)

Metros Horas de perforados rotación

Caso 1

38

80

150

6

Caso 2

32

85

200

10

Caso 3

30

85

250

15

El costo del equipo es de: 500 dólares la hora. El costo de la barrena es de: 1,500 dólares. El tiempo promedio de viaje es de 6 horas. Caso 1 CM = (1,500 + 500(6+6)) / 150 = 50 dll/m Caso 2 CM = (1,500 + 500 (10 + 6)) / 200 = 47.5 dll/m Caso 1 Vel Perf = 150 / 6 = Caso 3 CM = (1,500 + 500(15 + 16)) / 250 = 48 25 dll/m Caso 2 Vel Perf = 200 / 10 =

Velocidad perforación (m/h)

Horas de rotación

Costo por metro Dll/m

Caso 1

25

6

50.0

Caso 2

20

10

47.5

Caso 3

16

15

48.0

Como se puede observar de la tabla anterior, la barrena que da como resultado el mínimo costo por metro es la del caso 2 y es importante notar que no fue la que más metros perforó (caso 3), ni la que más horas de rotación trabajó (caso 3), ni la que mayor velocidad de perforación obtuvo (caso 1).

Selección del diámetro de la barrena El programa de diámetros de barrenas depende de los diámetros de las tuberías de revestimiento. Las barrenas están disponibles en casi cualquier diámetro deseado, salvo las barrenas no estándar o fuera de lo común. La siguiente figura puede usarse para seleccionar los diámetros de las barrenas y tuberías de revestimiento para casi todos los programas de perforación. EJEMPLO: Usando la figura (de la diapositiva siguiente) realizar la selección de diámetros de

barrenas y tuberías de revestimiento para un pozo que

terminara en TR de 4 ½ pg y se

requerirán instalar 5 tuberías adicionales.

Primer arreglo

Segundo arreglo

Tubería pg

Barrena pg

Tubería pg

Barrena pg

4 1/2 7 9 5/8 13 3/8 20

6 - 5 7/8 8 1/2 12 1/2 17 1/2 - 18 1/2 26

4 1/2 7 5/8 10 3/4 16 24

6 1/8 - 6 1/2 9 1/2 14 3/4 20 - 22 30

TUBERIA DE REVESTIMIENTO

BARRENA

TUBERIA DE REVESTIMIENTO

BARRENA

TUBERIA DE REVESTIMIENTO

BARRENA

4½

4

5 7/8

4¾

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 ¾

5

5½

6 1/8

6½

7 5/8 7¾

7

8½

8¾

9 5/8 9 7/8

12 ¼

8 5/8

7 7/8

9 5/8

9½

10 5/8

12 ¼

10 ¾

11 ¾ 11 7/8

13 3/8 14

14 ¾

17 ½

16

20

TUBERIA DE REVESTIMIENTO

11 ¾ 11 7/8

13 3/8 14

BARRENA

14 ¾

17 ½

20

26

TUBERIA DE REVESTIMIENTO

16

20

24

30

FACTORES QUE AFECTAN EL DESGASTE DE LAS BARRENAS Los factores que afectan el desgaste de las barrenas se puede dividir en: •Factores geológicos.- El factor más importante para la selección y operación de una barrena es el conocimiento geológico; la composición y la resistencia específica de la roca, ya que materiales abrasivos en la roca son la causa del desgaste prematuro en toda la estructura de la barrena. •Factores operativos.- Estos factores deben ser diseñados de acuerdo con la geología por atravesar y la geometría del agujero. Los principales factores son: Peso sobre la barrena.- A medida que la barrena perfora los cortadores se van

desgastando por lo que se requiere de mas peso,

si el peso aplicado no es el

correcto, la barrena tendrá un desgaste

prematuro. Limpieza en el fondo del pozo.- Una limpieza eficiente evita embolamiento de

la

barrena y desgaste prematuro por exceso

de temperatura. •Manejo – transporte.- Sin importar el tipo de barrena, debe moverse de su embalaje y colocarse sobre madera, nunca se debe rodar sobre la cubierta

EVALUACIÓN DEL DESGATE DE LAS BARRENAS El análisis y evaluación de cada barrena gastada puede ser de gran 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. El análisis del record de la barrena es de gran importancia debido a que en el se registran datos como: inicio y termina de la perforación, condiciones de operación, toberas, tiempos, etc. y observaciones especiales como: inicio de desviación, variaciones en el ángulo, perforación controlada por pérdidas de circulación, utilización de motores de fondo, utilización de martillo, perfora con gases amargos, etc. Con estas observaciones se tendrá un mejor criterio para evaluar el desgaste y no sacrificar el uso de un tipo de barrena que ha sido seleccionado correctamente. Esto podría suceder en el caso de una barrena que se ha utilizado para iniciar a desviar, y al evaluarla tenga un excesivo desgaste y los metros perforados sean pocos. A simple inspección se supondría que tuvo un bajo rendimiento, pero la realidad es que se utilizó con operaciones drásticas con un fin

DETERMINACIÓN ÓPTIMO

DEL

PARA

EL

MOMENTO CAMBIO

DE

BARRENA Un

método

determinar

el

experimentado momento

para

preciso

para

suspender la perforación y efectuar un cambio de barrena consiste en graficar los Es Vs.caso Avance acumulado como se En el b) se detecta un incremento muestra la siguiente gráfica. de E y elen torque tiene un comportamiento s

normal.

Esto

indica

que

se

esta

perforando una formación con mayor dureza

lo

cual

se

corrobora

con

la

recuperación de recortes. En

el

caso

c)

Es

se

incrementa

significativamente y el torque muestra un aumento normal y la recuperación de recortes muestra que no hay cambio de litología. Este comportamiento indica el punto

donde

la

barrena

debe

ser