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• Deysi Cruz

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Brocas de Conos Móviles Objetivos del Aprendizaje Al terminar este capítulo, usted podrá: � y de la excentricidad del cono � de conos móviles � móviles � conos móviles �

os tres procesos de tratamiento térmico básico

� conos móviles � �

dar de las brocas y las opciones complementarias

� móviles para los diferentes productos de la línea � IADC �

os códigos IADC apropiados para especificar los distintos tipos de brocas de Security DBS.

Introducción: Estructuras de Corte, Rodamientos y Sellos

Los diseñadores de brocas tienen que balancear intereses competitivos para desarrollar la mejor broca para una formación dada. Estos intereses son los requisitos de un contorno confiable de la estructura de corte, la capacidad de los rodamientos y la fortaleza del cono. El tamaño del agujero determina el espacio disponible.

Contorno del Cono La primera preocupación del diseñador de brocas es la tasa de penetración y durabilidad. El diseñador trabaja con el ángulo del muñón o “jornal”, ángulo del cono, ángulo sobremedida, excentricidad, engrane, proyección y espaciamiento para lograr un diseño exitoso. Estas variables definirán el contorno o perfil del cono, el cual es la línea externa del mismo. Los principios básicos del diseño de la broca de conos móviles son los mismo para ambos tipos de dientes de acero y de insertos de carburo de tungsteno.

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Journal Angle El elemento básico en el diseño del contorno del cono es determinado por el ángulo del muñón o “journal”. Este es el ángulo formado entre una línea perpendicular al eje de la broca y el eje del muñón. El ángulo del muñón o ángulo “journal” determina el contorno exterior del cono, ya que cada cono es designado para llenar su espacio adecuado. Las brocas para formaciones blandas tiene un ángulo del muñón pequeño (30 a 36 grados), mientras que las brocas para formaciones duras tiene un ángulo del muñón grande (36 a 39 grados).

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Ángulo del Cono Los conos diseñados para formaciones de blandas a medias tienen dos o más ángulos básicos de cono, creando una acción de rotación irregular en el fondo. La fila del talón gira alrededor de un punto central mientras la fila media gira alrededor de su centro teórico. Como los conos están colocados para rotar alrededor de la línea central de la broca, se deslizan mientras rotan y producen una acción efectiva de escopleo y raspado en la perforación de formaciones blandas. Los conos diseñados para formaciones más duras tienden hacia un ángulo sencillo y una mayor acción de rotación, lo cual es mejor para producir la acción de trituración necesaria.

Ángulo Sobremedida El ángulo sobremedida se usa en brocas para formaciones blandas para aumentar el diámetro del cono y así aumentar la longitud del diente. Este diseño requiere que la punta del calibre “gage” se mueva hacia el centro de la broca, para prevenir un ensanchamiento del hoyo.

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Excentricidad “Offset” La excentricidad de las líneas centrales de los conos lejos del centro de rotación de la broca, aumentan la tasa de penetración en las formaciones blandas. La clave es una mayor acción en el fondo. Las brocas para formaciones blandas están diseñadas con más excentricidad para aumentar la acción de escopleo y raspado. Los diseños de brocas para formaciones medianas tienen menos excentricidad, combinando la torsión y el desgarre con la trituración y el cincelado. Los diseños de brocas para formaciones duras usan poco o nada de excentricidad de los conos, rompiendo la roca principalmente por la acción de trituración. Vea el trabajo SPE 16696 “Roller Bit Modelo”, etc. (El modelo de broca de conos móviles) al final de este capítulo.

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Engrane Esta es la distancia a la que las crestas de los dientes de un cono pasan por las surcos de los conos adyacentes. El engrane previene el embolamiento de la formación entre las filas de dientes y ofrece un mejor uso del espacio para la estructura de corte. Esto permite más espacio para paredes de los conos más grandes y gruesas, dientes más largos y cojinetes mas grandes. En las brocas para formaciones medias y duras, el engrane disminuirá así como la proyección y separación de los dientes. Tolerancia Compacta

Proyección y Espaciamiento La “proyección” se refiere a la longitud de los dientes y el espaciamiento al numero y distancia relativa entre los mismos. Una broca con dientes largos y ampliamente espaciados perforará mejor en formaciones blandas. En formaciones más duras se necesitan dientes cortos y menos espaciados para añadir fuerza.

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Diseño del Diente de Acero Las brocas de dientes de acero se usan generalmente con velocidad de rotación relativamente alta en la parte alta de las formaciones, donde las brocas de insertos de carburo de tungsteno, por su más baja tasa de penetración, son antieconómicas.

Brocas con dientes de acero Clasificación de brocas para rocas

ACCIÓN CORTANTE CORTANDO APLASTAND O

FORMACIÓN

ESTRUCTUR A CORTANTE

DESPLAZAMIENT O & el Ángulo del ALFILER

Bearing size &cone Shell thickness

Formación suave

TIPOS DE BROCA S XS1 XN1

Formaciones suaves que tienen baja fuerza de comprensibilida d (suaves lutitas, arcillas, camas rojas, caliza suave, formaciones sin consolidar. etc.)

Los dientes largos extendidos para la penetración profunda; el uso de levantamiento e interrupción diseñado para la limpieza eficaz y menos acero en fondo que produce las proporciones de penetración rápidas.

El desplazamiento máximo; el ángulo diseñó para girar, romper, excavar, y poder penetrar rápidamente en las formaciones suaves.

Generalment LIGHT e los rumbos más pequeños, que tienen el armazón más delgado tienen dientes más largos que producen la perforación mas rápida.

Formación media suave

XS3 XN3

Formaciones de suave a media o suaves intercaladas con duras streaks( firme, arenosos esquitos,camas rojas, salt, suaves calizas.,

LIGHT

ACANALAND O RASPANDO

SUAVE

MEDIUM

formaciones de medio a medio dura ( esquitos mas duros,)

FORMACIÓ N MEDIA DURA

FORMACIÓ N DURA

XS5 XN5

De medio duro abrasivo a dura formación ( roca fuertemente comprensible ,dolomitica, calizas duras, lutitas duras)

Los dientes de longitud máximos, más cerca el espacio para la penetración del diente combinada, la fuerza mayor. Y resistencia a la rotura. Algunos tipos con los levantamientos e interuptions para menos acero en el fondo y las proporciones de penetración más rápidas Ponga en cortocircuito, los dientes cerdosos espaciaron estrechamente para la acción aplastante con la resistencia máxima a la rotura.

El desplazamiento elemento y ángulos del alfiler para la acción raspando y acanala combinada y la acción cortar-aplastante

Los rumbos elemento y espesor del cono-cáscara, para los pesos pesados elemento con los dientes de longitud elemento.

MEDIUM

LIGHT

El verdadero rodando para la acción cortaraplastante sin raspar en formación dura o formaciones con la fuerza del compressive alta.

Los rumbos grandes y el cono espeso descascara, para los pesos pesados, las formaciones más duras superadas necesarias

HEAVY

LIGHT

Tres clasificaciones básicas de formación blandas, medias, y duras se asocian con los diferentes tipos de brocas de dientes de acero. 1.- Blandas. 2.- Medias 3.- Duras Blandas Las brocas para formaciones blandas se caracterizan por sus dientes largos, ampliamente espaciados. Ellas penetran fácilmente la formación y mantienen una alta tasa de perforación debido a su acción de escopleado y raspado por el contorno del cono y la excentricidad. El diseño se basa en cojinetes pequeños, pero la agresiva estructura de corte asegura la más alta tasa de penetración. Generalmente, las cargas en las brocas se mantienen bajas mientras que las velocidades de rotación son altas. Se requiere el endurecimiento de los dientes para mejorar su resistencia al desgaste y prolongar la vida de la estructura de corte.

Media Para ser efectivas en rocas más firmes, las brocas para formaciones medias usan dientes más cortos, más numerosos y menos espaciados. El diente más corto ofrece más resistencia al aumento de fuerza, que es el resultado directo de mayor peso sobre la broca (WOB), en los ambientes más duros y abrasivos. El endurecimiento del diente mejora su resistencia al desgaste, pero reduce la resistencia de éste al astillamiento o quebradura, por la menor resistencia al impacto del endurecimiento en relación al diente de acero.

Dura Las formaciones duras requieren dientes aún más cortos y juntamente espaciados, por el aumento de la fuerza necesaria para triturar la roca dura. El endurecimiento del diente se ha minimizado para prevenir quebraduras, mientras que el endurecimiento del calibre “gage” se ha aumentado para prevenir su excesivo desgaste. Típicamente, la carga de la broca es grande, mientras que la velocidad de rotación es baja. Estos niveles de energía aseguran tiempo adecuado al diente para contactar y triturar la formación. La acción de rodaje verdadero de los conos no excéntricos minimiza el desgaste abrasivo a la estructura de corte

Diseño de Insertos de Carburo de Tungsteno Las brocas de insertos fueron diseñadas inicialmente para perforar pizarra y cuarcitas extremadamente duras, que habían sido muy costosas de perforar debido a la relativa corta vida de las brocas de dientes de acero. Hoy, sin embargo, con el desarrollo en la metalurgia del carburo de tungsteno y la forma de los insertos, las brocas de este tipo pueden perforar, económicamente, cualquier formación.

ACCIÓN CORTANTE

BROCAS DE INSERCIÓN DE CARBURO DE TUNGSTENO CLASIFICAIÓN TIPO FORMACIÓN DE LAS DE ROCSAS PARA BROCA ROCA FORMACIÓN SUAVE

XS 02 TO XS12

FORMACIÓN MEDIA A SUZVE

XS 13 TO XS38

ESTRUCTURA OFFSET & PIN CORTANTE ANGLE

Formaciones suaves que tienen baja fuerza de comprensibilidad (lutitas suaves, arcillas, camas rojas, caliza suave, formaciones sin consolidar. etc.)

La fuerza del compressive suave, sin consolidar, baja, drillability alto, arcillas, lutitas, sal, etc. de intervalo considerable.

inserción suave; La extensión máxima de inserciones dentadas suaves

CORTANDO BEARING APLASTANDO SIZE & CONE SHELL THICKNESS

GOUGING

CRAPING

S

El desplazamiento máximo; el ángulo del alfiler diseñó por torcer, mientras rasgando, acanalando acción y la penetración más rápida en las FORMACIONES suaves,

Generally smaller bearings, thinner cone shell to allow for longer teeth that result in faster penetration rates.

Acanalando principalmente, raspando.

La inserción suave proporciona raspando, la acción aplastante,

El tipo de la inserción suave proporciona sección de la cáscara más delgada y la presión más pequeña.

Acanalando principalmente, raspando con un cortar mínimo, el requisito aplastante.

FORMACIÓN MEDIA

XS 39 TO XS 48

Suaves segmentes a formaciones duras ( dolomita, lutitas duras )

FORMACION DE MEDIA A DURA

XS 49 TO XS59

Medium segment of hard formations (chert, granite, basalt, quartzitic formations)

FORMACIÓN DURA

XS61 TO XS 99

Hardest of hard abrasive formations (quartzite and hard quartzite sands)

Medium insert; Medium extension of Wedge Shaped insert. +

Medium insert slight scraping and crushing action.

Para formar los insertos, se colocan a presión compactos cilíndricos de carburo de tungsteno sinterizado con diversas formas en su extremo, en agujeros mecanizados con gran precisión, en conos forjados con aleaciones de acero. Esta combinación resulta en una estructura de corte con una alta resistencia al desgaste por abrasividad y cargas compresivas

Forma del Inserto La forma de diente afilado ha probado ser la más efectiva para penetración más rápida y profunda en formaciones relativamente blandas. Estos insertos de diámetro largo y larga extensión se acoplan a conos de máxima excentricidad para levantar el recorte mecánicamente y mejorar la tasa de penetración.

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El inserto en forma de cincel se usa en brocas para formaciones medias, diseñadas con una moderada acción de escopleado y raspado. Las formas específicas de dientes o cincel del inserto se seleccionan teniendo en cuenta la formación y las propiedades geométricas de la broca. Hay variedad de tamaños de insertos de forma cónica disponibles, para adaptarse mejor al tipo de formación. La forma cónica aumenta la capacidad de soporte de carga de los insertos y, por tanto, hace la estructura de corte cónica ideal para perforar formaciones fracturadas que contienen vetas duras. Los insertos de forma cónica doble de 90 y 120 grados han sido diseñados específicamente para la acción de cincelado y triturado requerida en la perforación de formaciones duras. Estas características de los insertos posicionan la punta de la herramienta, lo cual concentra la carga de la unidad sobre la formación y aumenta la tasa de penetración. Cuando la punta se desgasta, los insertos toman una forma esférica. La forma esférica es la forma más durable y es utilizada en los insertos del calibre “gage” de escalón para incrementar la protección del mismo.

Brocas de Conos Móviles Calibre “Gage” de Escalón La característica de calibre “gage” de escalón es el medio más efectivo para el desarrollo y mantenimiento del calibre “gage” total del agujero. Los insertos del calibre “gage” de escalón están diseñados con menos extensión que los más largos de la fila interior de insertos. Esta fortaleza añadida se necesita en el calibre “gage” o en talón para prevenir problemas que pueden resultar en un estrechamiento del agujero.

Esquina Cuadrada El diseño de calibre “gage” en escalón asegura un balance propio de soporte de fuerzas en la dirección y magnitud dictadas por los buenos principios de diseño. Vea el artículo “Selecting The Proper Rotary Rock Bit” (Selección de la broca rotatoria apropiada) al final de este capítulo

Rodamientos Dos tipos básicos de rodamientos son usados con las brocas de conos móviles: de rodillos y de fricción (journal). Rodamientos de Rodillos A causa de la tremenda fuerza involucrada, los rodamientos están diseñados para óptima resistencia en espacios limitados. El número y tamaño de los rodillos debe permitir una pista de rodaje de tamaño suficiente para prevenir fallos prematuros por fatiga. El máximo número de rodillos es usado para reducir la unidad de carga y limitar una eventual astillado. Adicionalmente, el diámetro de cada rodillo debe ser suficientemente grande para prevenir

quebraduras. Esta preocupación compite con la longitud de los dientes y el grosor del cono por razón del espacio. La porción mayor de carga radial del cortador es soportada por la carrera del rodillo. La nariz del rodamiento y el piñón guía estabilizan el rodamiento y llevan una menor cantidad de carga radial. La superficie de empuje adyacente al piñón guía y el botón de empuje están diseñados para soportar el empuje externo. Los rodamientos de bolas mantienen el cono en posición y soportan el empuje interno. Rodamientos no Sellados Por muchos años las brocas de conos móviles fueron fabricadas sólo con rodamientos no sellados. El fluido de perforación proporcionaba la lubricación del rodamiento. Este tipo de rodamiento tiene una vida relativamente corta, debido a que el fluido de perforación abrasivo penetra en su interior y causa escamación y desgaste abrasivo de los elementos del rodamiento, especialmente la pista de rodaje. Los rodamientos de rodillos no sellados, no lubricados, son usados hoy día principalmente en brocas para la parte alta de los agujeros donde el tiempo de viaje es corto y en situaciones donde se desea alta velocidad de rotación. Las brocas no selladas también se usan con aire, gas o vapor como fluido de perforación.

Rodamientos Sellados La primera broca de rodamientos sellados fue presentada en los campos petroleros al principio de la década de 1960. La tecnología de los rodamientos sellados permite a éstos operar en un ambiente limpio y lubricado. Además del rodamiento en si, los componentes primarios de un rodamiento sellado incluyen el sello, el depósito de grasa y el compensador de presiones. El sello mantiene al lubricante dentro y al lodo fuera del rodamiento, mientras que el depósito de grasa provee de lubricante el interior del rodamiento y reemplaza el lubricante usado. El compensador de presiones mantiene igual presión tanto dentro como fuera del rodamiento. La ventilación del fluido de perforación es a través de la tapa del depósito de grasa, la cual permite actuar a la presión hidrostática sobre el diafragma flexible. El movimiento del diafragma resulta en una igualación de presiones de todo el sistema y asegura que el lubricante alimente los rodamientos. Se han desarrollado lubricantes especiales para usar tanto con brocas de rodamientos de rodillos como de rodamientos de bujes (journal). Esta grasa es un lubricantes de múltiples propósitos, para servicio severo, con propiedades de baja degradación en temperaturas aún por sobre los 300 grados Fahrenheit.

Rodamientos de Bujes (Journal) En vez de los rodamientos estándar de rodillos, el sistema de rodamientos de bujes (journal) usa sólidos bujes o conos de fricción directa. El rodamiento de fricción ofrece una ventaja mecánica distinta, sobre los rodamientos de rodillos, y es que presenta un área de contacto más grande en el punto de carga del rodamiento. El aumento de la capacidad de carga de los rodamientos de fricción ha aumentado grandemente su vida. El uso de los rodamientos

de buje ha balanceado ahora la vida del sistema de rodamientos de las estructuras de corte de carburo de tungsteno. Los rodamientos de fricción han encontrado aplicación aún en diseños brocas de dientes de acero. El rodamiento de fricción tiene una característica patentada que es la infiltración de polvo de plata en el metal del buje, el cual ha sido ajustado a presión en el cono. La superficie del buje contacta una superficie de metal endurecido, que se ha aplicada muñón. La plata infiltrada actúa como un lubricante sólido para resistencia máxima al desgaste por rozamiento bajo condiciones de alta energía. Las superficies de empuje o bujes de empuje, son utilizados en el área de la nariz del muñón y opera eficientemente bajo condiciones de alta carga. El buje de empuje ayuda a prevenir el desgaste interno del rodamiento, que puede ser causado por el desgaste y redondeo del calibre “gage”. El sello esta diseñado para prevenir que los recortes abrasivos penetren en el rodamiento y para mantener el lubricante dentro de la broca. El diseño del sello y su efectividad es de primera importancia para el éxito de los diseños de rodamientos de fricción.

Metalurgia de las Brocas En adición a las características de diseño, el principal requisito para un buen desempeño de una broca son sus propiedades metalúrgicas. Las severas condiciones a que están sometidas las brocas requieren que todas sus partes sean resistentes al desgaste y al choque de carga. El material y el tratamiento térmico tienen la mayor importancia metalúrgica. El endurecimiento y composición del inserto también son importantes. Materiales

Los fabricantes de acero producen un número básico de tipos de acero, variando grandemente en composición. Cada tipo es designado para una aplicación específica. En la fabricación de brocas, los requisitos de material para los diferentes componentes son verdaderamente importantes.

COMPONENT TIPO MATERIAL PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN PROPIEDADES MATERIALES DEL ACERO USADO EN COMPONENTES DE BROCAS Cortador dientes Acero AISI 4715H Carbón-nickel-cromo-molibdeno Cortadores insertos Acero AISI 9315 Carbón-nickel-cromo Brazos Acero AISI 4716H Carbón-nickel-cromo-molibdeno Bolas Acero solar de herramienta Carbón-silicón-molibdeno Rodillos Acero solar de herramienta Carbón-silicón-molibdeno Botón empuje Acero herramienta Carbón-cromo-vanadio-molibdeno-WG alta velocidad Buje PM 464D AG impregnado Carbón-nickel-molibdeno-plata-Mn Endurecimiento diente Endurecimiento XXX WG-WC-diamante Insertos Carburo tungsteno WC-cobalto sinterizado Boquillas Carburo tungsteno WC-cobalto sinterizado

RANGO DE TEMPERATURA PARA CARBURIZACIÓN Y TRATAMIENTO TÉRMICO Carburización 1650 F- 1750 F Templado 1425 F- 1480 F Atemperado 300 F- 500 F (Aliviado de tensiones)

La selección de aleaciones de acero de la tabla anterior en combinación con el proceso de tratamiento térmico satisface los requisitos para los usos específicos de los componentes de las brocas. Con respecto al material del cono, las propiedades del acero deben incluir buena resistencia a la fatiga y dureza para la pared del cono y los dientes. Los brazos y el muñón deben ofrecer buena resistencia a la escamación y abrasión así como a la alta fuerza de impacto. Los cojinetes de bolas y rodillos deben tener una alta resistencia a la fatiga y a la fuerza de impacto.

Tratamiento Térmico Una vez que los materiales apropiados han sido seleccionados, el forjado de acero y los componentes mecanizados deben pasar por tres procesos de tratamiento térmico distintos: carburización, templado y atemperado.

Carburización Este es un proceso en el cual el contenido de carbón de la superficie del acero se aumenta para proporcionar una corteza dura, resistente al desgaste. La pieza es calentada en una atmósfera de carbón y éste es absorbido por el acero. La profundidad y cantidad de penetración depende del tiempo del proceso. Templado Templado sigue a la carburización e incluye someter las piezas a un proceso de calentamiento y enfriamiento, que aumenta su dureza al máximo. Otra vez, el tiempo del proceso controla las características deseadas. Atemperado Esta es la operación final y consiste en recalentar el acero endurecido para liberar cualquier residuo de alta tensión. Sin el templado una pieza endurecida será extremadamente quebradiza y tendrá una baja resistencia al impacto. Endurecimiento Para alargar más la vida de la estructura de corte, se aplican partículas de carburo de tungsteno a determinadas áreas de los dientes, calibre “gage” y faldón. Estas zonas endurecidas son mucho más resistentes al desgaste por abrasividad que el acero al cual son aplicadas.

Endurecimiento del Diente El endurecimiento de la estructura de corte reduce el desgaste del diente y aumenta su vida. Como resultado se aumenta la tasa general de penetración. Las aplicaciones de endurecimiento a toda el área del diente en las brocas para formaciones blandas, ayuda a mantener el filo y la longitud del mismo, ofreciendo una acción cortadora más rápida, durante un periodo mayor de tiempo. En brocas para formaciones medias o duras, la aplicación del endurecedeor se reduce para prevenir que el excesivo rebarbado del diente lo quiebre en las rocas duras. Endurecimiento del Calibre “Gage” El área del calibre “gage

” de la estructura de corte presenta usualmente el mayor desgaste debido a la mayor velocidad y escariación. Como resultado, las superficies del calibre “gage” se diseñan para ofrecer la mayor área de endurecimiento posibles. (Otro método para proteger el área del

calibre “gage” es incrustando compactos planos en la cara posterior del cono. Estos compactos de carburo de tungsteno son extremadamente resistentes al desgaste). Endurecimiento del Faldón Esta área puede ser endurecida para prevenir el desgaste abrasivo por la exposición y posiblemente el daño del sello. Las aplicaciones de endurecimiento al calibre “gage” y al faldón, ha resultado extremadamente importante en las brocas usadas en pozos horizontales y direccionales, donde puede ser grande el desgaste del calibre “gage” por el ángulo del hoyo o la alta velocidad de operaciones. Carburo de Tungsteno Este material, en la forma de un granulado para endurecimiento o como insertos, es objeto de especificaciones muy rígidas y estándares de calidad. Los insertos de carburo de tungsteno están formados por polvo de tungsteno carburizado mezclado con un aglomerante de cobalto y luego sinterizado a la forma y tamaño deseado. Básicamente, mientras más alto es el contenido de cobalto, más tenaz y menos quebradizo resultará el inserto. Mientras más bajo es su contenido más resistente al desgaste es el inserto. Hay una disyuntiva entre resistencia al choque y resistencia al desgaste cuando se diseñan insertos para brocas para formaciones blandas y duras. El aumento de extensión en los insertos para formaciones blandas requiere resistencia al choque, con más alto contenido de cobalto; los insertos más cortos para formaciones duras requieren resistencia al desgaste, más que tenacidad. Circulación del Fluido La principal función del fluido de perforación ya sea líquido (a base de agua o de aceite), aire o gas natural, es mantener limpia la estructura de corte y remover los recortes del área de perforación, cuando estos se producen. El fluido de perforación también enfría la broca y estabiliza la pared del pozo.

Ejemplos de fluidos de circulación Circulación Regular La circulación regular en conductos de agua de los primitivos conceptos de las brocas de conos móviles tiene todavía limitada demanda hoy día. El agua es dirigida a los cortadores para mantenerlos limpios; luego el fluido se dirige a limpiar el hoyo. Las brocas de circulación regular pueden tener un pasaje sencillo o múltiples pasajes de fluido. La pérdida depresión hidráulica a través de estos pasajes es usualmente relativamente baja y el fluido hace muy poco para aumentar la tasa de penetración. Circulación por Chorros El sistema regular de circulación ha sido ampliamente reemplazado por el de chorros, usando boquillas de carburo de tungsteno resistentes a la erosión. Con alta presión aplicada a través de las boquillas, el fluido de alta velocidad fluye a los conos e impacta la formación, limpiando de recortes el hoyo. El chorro de fluido puede controlarse cambiando el tamaño de la boquilla. La acción de los chorros también aumenta la tasa de penetración en formaciones blandas horadando la roca. Adicionalmente, el chorro central puede aumentar la limpieza del cono en formaciones blandas. El chorro central ayuda a prevenir problemas de embolamiento de la broca cuando se perfora con alta tasa de penetración. Las brocas de boquillas largas son usadas típicamente para colocar la boquilla más cerca del fondo de hoyo. Hacer eso usualmente resulta en aumento de la tasa de penetración. Circulación con Aire Los sistemas especiales de circulación con aire, se han incorporado a los diseños de las brocas usadas específicamente para perforar con aire o gas como medio de circulación. Estos diseños se caracterizan por tener pasajes para el aire que conducen una porción de éste a través de los rodamientos para ayudar a mantener el área de rodamientos fresca y libre de recortes. Vea el trabajo titulado “Full-Scale Experiments on Jets in Impermeable Rock Drilling” (Amplios experimentos con chorros en perforación de roca impermeable), al final de este capítulo. Tecnología Innovativa La industria ha visto cambios significantes en prácticas y procedimientos durante la pasada década. Por ejemplo, las mejoras en los métodos de perforación ha permitido a los operadores perforar en ambientes más remotos y hostiles, tales como el mar y en zonas del Ártico. Se ha logrado la técnica para perforar direccional y aún horizontalmente, en longitudes extensas y esto ha llegado a ser una práctica común. Ha crecido el interés en proyectos con rocas duras profundas para geotermia o con propósitos estrictamente científico. Mejoras en “lo último en tecnología en brocas” ha ido paralelas a estas prácticas

y en muchos casos estas mejoras han sido grandemente responsables del continuo éxito de estos proyectos. Los fabricantes de brocas han sido forzados a mejorar, modificar e introducir nueva tecnología en forma continua. Esta tecnología es relativa a todos los aspectos de las típicas brocas de diseños de conos móviles, tales como las estructuras de corte, rodamientos, sistemas hidráulicos, protección del calibre “gage”/faldón y aplicaciones especiales. Estructuras de Corte Los recientes desarrollos aplicados a las estructuras de corte de las brocas de dientes, se centran alrededor de la forma y endurecimiento del diente. En brocas para formaciones blandas, la longitud del diente y durabilidad del material endurecedor son de primordial importancia. Materiales nuevos y más resistentes al desgaste se aplican ahora sobre toda la superficie del diente, incluyendo la cresta, para mantener el diente afilado y más largo y mantener una ación de corte más rápida. HF161 El nuevo HF161 de Security DBS es el objetivo de todas las brocas de dientes, excepto la “premium” PSF y MPSF. Este nuevo endurecimiento está probando ofrecer un mejor y más grueso depósito, usando la aplicación de hidrógeno atómico estándar; y ha mejorado la resistencia al desgaste y las mejores propiedades metalúrgicas como ninguna otra aplicación hidrogena atómica previa. Este endurecimiento incluye una combinación de pastilla de carburo de tungsteno cementado, carburo triturado sinterizado y partículas de carburo aleado. Revestimiento TECH2000 de Diamante La broca de fricción “premium” con endurecimiento TECH2000 de diamantes, es la nueva revolución en la tecnología de revestimiento que ha surgido del programa de desarrollo de brocas de Security DBS. Este nuevo endurecimiento TECH2000 de diamantes (patente pendiente) consiste en unas “nuggets” o pepitas de carburo de tungsteno puro sinterizado, con grandes propiedades para una excepcional resistencia al desgaste de dicho aglomerado. Los “nuggets” de Security DBS producen una significante mejora en el desgaste, medido por el Método de Prueba de Desgaste ASTM G65. Esta prueba consiste en colocar arena estufada entre la parte sometida a prueba y una rueda de caucho rotatoria. El resultado ofrece la comparación de peso y volumen perdido.

Incrustaciones de bolillas de alto grado, de diamantes naturales, se combinan con los nuevos aglomerados de carburo de tungsteno puro sinterizado, formando el componente del Revestimiento TECH2000 de Diamantes. Las pruebas de laboratorio hechas para evaluar el desgaste y la resistencia al choque, han demostrado que el mejoramiento de este nuevo revestimiento está respaldado por los resultados obtenidos en las corridas de las brocas. Las líneas de brocas PSF y MPSF están diseñadas con un 50% más de revestimiento en el flanco de la cresta, y la excelente protección al calibre “gage” ha producido brocas con significantes beneficios en las operaciones de perforación, manteniendo la configuración apropiada de los dientes a través de la mayor parte de la vida de la broca. Filas de Doble Rompiente Las filas de rompientes de insertos ayudan al mantenimiento del calibre “gage” de la broca, previniendo el desgaste y fallo prematuro del rodamiento. Security DBS está suministrando específicos tipos de brocas con doble fila de insertos rompientes, aumentado así sustancialmente la resistencia al desgaste en el área del calibre “gage” y la integridad de toda la estructura de corte.

Garras de Diamantes en Rompientes de Insertos Con la incorporación de los rompientes de insertos con garras de diamantes, Security DBS está desarrollando una nueva línea de productos, con mejoras que ayudan al mantenimiento del calibre “gage” de las brocas en la mayor parte de su vida útil, mediante la acción cortadora de sus afilados bordes y garras. Para operaciones donde el mantenimiento del calibre “gage” es un problema, esta característica ayudará a mejorar la durabilidad de la vida de la broca. Rodamientos/Diseños del Sello La mejora de los sistemas de rodamientos y sellos de las brocas ha sido constante, tanto para los rodamientos de rodillos como para los de fricción. Varios diseños que pueden ser usados con efectividad en aplicaciones de alta velocidad o con aumento de peso se encuentran ahora en el mercado. Las brocas de insertos con rodamientos de bujes “premium” de Security DBS ofrecen la característica del buje patentado de PM (metal pulverizado), que ofrece contacto directo cono-muñón, permitiendo a los rodamientos soportar el aumento de peso. Estos bujes están infiltrados con polvo de plata, sirviendo la plata como un lubricante sólido para prevenir el agarrotamiento del muñón dentro del cono. La plata tiene un bajo coeficiente de fricción, lo cual ayuda a prevenir el agarrotamiento y a disminuir la cantidad de fricción inducida por el calor. Doble Sello El uso de brocas de conos móviles para trabajos direccionales y con motores de fondo y turbinas ha tenido como resultado el desarrollo y mejoras de los diseños de rodamientos. Las brocas de Security DBS utilizan rodamientos de dos sellos en vez de uno, para asegurar la protección de los mismos. El sello exterior previene que el material abrasivo pueda penetrar en el sello interior, el cual está colocado en una ranura de protección en el cono,

para mantener eficazmente el lubricante dentro de la broca. El sello exterior está colocado para sellar axialmente, mientras que el interior lo está para sellar radialmente. El Sello Hidrodinámico (HDS) es usado para el sello interior. Las características de este sello es un diseño patentado en forma de onda que lubrica la interfase entre el sello y el buje. Las fuerzas de configuración fuerzan el lubricante a través de la superficie del sello a una tasa controlada, permitiendo a éste correr suavemente y más frío y durar más. El lado exterior del sello presenta la característica de una rampa de exclusión, para Proteger las áreas de sellaje. Esta posibilidad de doble sellaje asegura que se mantenga en todo tiempo un sellaje efectivo, aún cuando la broca se esté corriendo en un hoyo de gran ángulo con un motor de fondo.

Sistema Hidráulico Con la introducción de la primera broca con boquillas de chorro al final de la década de 1940, se reconoció el tremendo efecto que la hidráulica tiene en el rendimiento de las brocas. Desde entonces la hidráulica de brocas ha llegado a ser una ciencia en sí misma. Ha habido varios hechos importantes en el diseño hidráulico de las brocas los cuales han aumentado su rendimiento. Chorros Centrales

Estos están instalados en el área de la cúpula de la broca para ayudar a prevenir problemas de embolamiento en las formaciones blandas o a altas tasas de penetración. Las boquillas de chorro central se instalan mayormente en brocas estándar o de rodamientos sellados, con dientes de acero para formaciones blandas, y también se recomiendan en todos las brocas de boquillas largas o extendidas. Chorro Central Difusor Esta característica enfatiza la limpieza de la estructura de corte sin perder el contraflujo hidráulico, lo que reduce drásticamente el derrumbe y erosión de la punta de lanza del cono. La boquilla de chorro central, debido uso al de una salida cónica, permite que el flujo del caudal pase a través del orificio y se esparza a toda la nariz de la estructura de corte. Nueva ERA (New ERA “Enhanced Return Area”) Este producto ofrece un área de retorno mejorada para la remoción del recorte. El área abierta entre los conos y el área de la cúpula en combinación con un cuerpo de broca apropiado, aumenta significativamente las áreas de circulación de los fluidos, reduciendo así el estancamiento de los mismos. Las rampas del faldón facilitan el levante del recorte del fondo del pozo. Una excelente geometría del fluido se logra con huecos de boquillas más grandes y pasajes directos de flujo. Mini Boquillas Alargadas Estas boquillas tienen los oficios más cerca del fondo del pozo. El efecto hidráulico: velocidad de chorro mejorada y caballaje hidráulico. El resultado es una limpieza mejorada del fondo del hoyo. Diseño para Aplicaciones Especiales Muchas brocas de conos móviles para aplicaciones especiales se han desarrollado y mejorado con el paso de los años. Por ejemplo, los siguientes diseños son usados corrientemente en variedad de aplicaciones especiales. Bloque Estabilizador Los bloques estabilizadores para los brazos fueron creados para proporcionar estabilidad adicional a las brocas y protección al faldón, en todas las aplicaciones de perforación. Los bloques estabilizadores son más efectivos en hoyos direccionales u horizontales, donde las fuerzas de carga lateral sobre la broca pueden resultar en un prematuro fallo, debido al desgaste incrementado del faldón. Brocas para Perforación Horizontal Security DBS ha creado diseños de estructuras de corte y de protección de los brazos que ofrecen soluciones mediante la estabilización de las cargas laterales de la broca, cuando se

perforan hoyos direccionales u horizontales. La combinación de endurecimiento del área de rompiente del cono, la protección de insertos en los brazos y el faldón, más la adición de bloques estabilizadores de protección en unión con una mejor relación de contacto hoyo/ broca hacen que estas brocas sean muy propias para perforaciones direccionales/horizontales.

References: 1. Trabajo SPE 16696, “Roller Bit Model With Rock Ductility and Cone Offset”, (Modelo de broca de conos móviles con ductibilidad de roca y conos Exentricos),1987, Dallas, TX, W.J. Winters, T.M. Warren, y E.C. Onyia, Amoco Production Co. 2. Trabajo SPE/AIME 3717, “Selecting the Proper Rotary Rock Bit” (Selección de la broca rotatoria adecuada),1971, Jack C. Estes, Amoco Production Co. 3. Trabajo SPE, “Full-Scale Experiments on Jets in Impermeable Rock Drilling” (Amplio estudio de experimentos sobre chorros en la perforación rocas impermeables), 1963, New Orleans, LA., R. Feebsttra y J.J.M. Van Leeuwen. 4. Trabajo ASME “Enhanced Return Areas Improve Dynamics and Rock Bit Performance” (Aumento de áreas de retorno mejora la dinámica y el desempeño de las brocas), 1995, Dallas, TX, Alan Huffstuler. Introducción: Sistema de Código IADC, Nomenclatura, Características y Beneficios En 1987 la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) adoptó un nuevo sistema de clasificación para brocas de conos móviles basado en el sistema del código existente. Esta nueva clasificación usa una letra que se añade al código estándar IADC de tres dígitos. El código de cuatro caracteres que resulta describe mejor la broca y cualquier característica opcional que se le añada. Sistema de Código IADC para Brocas de Conos Móviles En el código estándar IADC, los primeros tres caracteres son numéricos y se usan para designar o identificar el tipo de broca por fabricante en el cuadro de clasificación. Estos tres primeros caracteres representan la serie de la broca, tipo y diseño de los rodamientos/calibre “gage”. Por ejemplo, para el primer carácter de las series 1-3 las brocas son de dientes de acero, mientras que para las series 4-8 son de insertos. El segundo carácter del código es el tipo y va del 1-4, indicando aumento de la dureza dentro de la serie. El tercer carácter del código denota el diseño del rodamiento/calibre “gage” y se codifican del 1-7 basados en lo siguiente: 1 - Rodamiento no sellado de rodillos estándar 2 - Rodamiento de rodillos enfriado por aire 3 - Rodamiento no sellado de rodillos con calibre“gage” protegido 4 - Rodamiento sellado de rodillos 5 - Rodamiento sellado de rodillos con calibre “gage” protegido 6 - Rodamiento sellado de fricción 7 - Rodamiento sellado de fricción con calibre “gage” protegido El siguiente código de letras es usado como el cuarto carácter para indicar características adicionales de diseño. Si la broca tiene más de una característica adicional, entonces se usa

la letra del código para designar la característica principal o se usan dos o más letras del código. A - Aplicación con aire B - Sello especial del rodamiento C - Chorro central D - Control de desviación E - Boquillas con tubos alargados G - Protección extra calibre “gage”/cuerpo H - Aplicación horizontal/direccional J - Deflexión de Chorro L - Asiento estabilizador M - Aplicaciones con motor S - Modelo estándar de dientes de acero T - Broca de dos conos W - Estructura de corte aumentada X - Inserto en forma de cincel Y - Inserto en forma cónica Z - Insertos de otras formas Ejemplos de Código IADC Una broca de Security DBS de dientes de acero sellada, diseñada para formaciones blandas, es la S33SF. El código IADC para esta broca es el 116S. 1 - Serie 1 1 - Tipo 1 6 - Rodamiento de fricción sellado S - Modelo de dientes de acero estándar Si esta broca S33SF está equipada con boquillas extendidas, entonces el código IADC sería 116E. Una broca de Security DBS para formaciones blandas de insertos y rodamientos de fricción con los insertos en forma de dientes es la S82F. El código IADC para la S82F es 437X. 4 - Serie 4 3 - Tipo 3 7 - Rodamiento de fricción con calibre “gage” protegido X - Insertos en forma de cincel Si esta S82F está equipada con boquillas de tubos alargados y bloques estabilizadores en el calibre “gage”, entonces el código IADC sería 437E o 437EL. Las boquillas alargadas son la principal característica. Disponibilidad de Brocas

No todos los tipos de brocas están disponibles necesariamente en todos los tamaños. El siguiente cuadro de clasificación ofrece una comparación general entre los cuatro principales fabricantes de brocas

Seguridad

DBS

nomenclatura

Normas de Seguridad de DBS nomenclatura poco de rock consta de cuatro categorías diferentes:

XN - representa brocas de diente no selladas XT - representa el sello de doble rodillo de dientes que lleven o insertar la broca con marcos convencionales, superior a 12-1/4 "de diámetro XS - representa sellado diente fricción en los cojinetes o insertar las brocas con marcos convencionales, menos o igual a 12-1/4 "de diámetro Brocas de acero del diente Brocas de acero del diente se designan numéricamente del 1 al 5, siendo 1 el más suave y 5 siendo la más difícil. Por ejemplo, un XS1 sería un poco la formación del diente muy suave, 117 del código CID. Un XT4 sería un poco la formación delDescripción diente medio, 125S código CID. Característica Ejemplo Insertar Brocas

Corte Variante Estructura

C Uña de dientes XSC1 Insertar brocas se designan numéricamente 00 a 99, siendo 00 el más blando y 99 siendo el que terminan en números Dmás difícil. Además, la nomenclatura Corte de estructura de diamante activopares (por ejemplo, XSD20 24) designaría un cincel de inserción y los que terminan en números impares (por ejemplo, 45) Alfa característica (s) designaría un inserto de forma cónica o semiesférica. A Aire aplicación XT55A Por ejemplo, una XS32 sería una formación suave a medio, cincel broca de inserción, Dmientras que una XS73 sería una Línea de superficie diamante XS20D formación dura, de broca de inserción cónica. C Centro de reacción en el marco estructural Características adicionales

XT22C

L Levar almohadillas en el marco estructural XS33L La siguiente lista de prefijos y sufijos significa otra norma y características especiales de la LD Insertar Diamante estirón de almohadillas XS71LD broca G

La línea del calibrador no es estándar

S

Soldadura del faldón de recarga mejorado

SS No S or SS

Soldadura del faldón de recarga mejorado con inserciones faldón estandarizado

XT63G XS45S XS71SS XS24

Características y Beneficios de las Brocas de Conos Móviles de SecurityDBS La línea completa de brocas de conos móviles de Security DBS ofrece una amplia variedad de características y beneficios, los cuales se detallan a continuación: Insertar una broca estándar de carburo de tungsteno

Formas únicos para insertar , aprovechar al máximo la acción de perforación en las brocas y el medidor explotación capacidad de lograr intervalos más largos de perforación. Grado especial de carburo para una erosión óptima y resistencia al impacto para extender la vida de perforación de cada inserto

Mejoración de diamantes opcional para la protección de un calibre mayor. Soldadura de faldón completa para maximizar la resistencia a la erosión para proteger el sello de cono.

Sistema de lubricación sellado con presióncompensación para una vida mas larga del sello. Carburo de tungsteno boquillas de chorro en su lugar por el sistema de retención de clavos de bloqueo para la optimización de la potencia hidráulica y ROP ..

Precisa alineación del brazo junto con la soldadura electrónica de cabeza para la fuerza máxima y la integridad.

Características de la Serie X de productos Contenedor de rodaje del rodillo Reduce el movimiento lateral del cono manteniendo Los rodillos dentro del canal de rodaje. Esto disminuye los fallos por desalineación de los rodillos. Los rodillos que no están ubicados debidamente en la ranura de rodaje o son demasiado largos, tienen mayores posibilidades de falla por sesgado o flexión.

Total encapsulado con revestimiento Todas las brocas SS/MM de dientes de acero tienen revestimiento en las cuatro caras y en la cresta del diente. Para máxima resistencia al desgaste, el revestimiento está compuesto por una mezcla especial que combina tamaño, forma y composición del carburo de tungsteno. Hay insertos prensados en la cara de la fila exterior de la estructura de corte, minimizando el desgaste en esta crítica zona. La protección al calibre “gage” G es estándar en todas las brocas para motores de Security DBS.

Exclusivas formas de insertos significa mayor resistencia al desgaste

Las estructuras de corte de insertos usan las formas adecuadas de los insertos y el grado de carburo de tungsteno, para asegurar una mayor resistencia al desgaste y a la fuerza compresiva. En todas las brocas para motores, Security DBS evalúa la relación entre número de insertos, extensión y forma, para una vida más larga de la broca y mayor velocidad de penetración (ROP). El diseño de insertos ultra blandos ha reemplazado marginalmente las aplicaciones de brocas con dientes de acero.

La durabilidad del faldón mejorado aumenta la protección del sello Todas las brocas de las series SS/MM tienen reforzado el faldón con un revestimiento de carburo de tungsteno e insertos prensados. Una aplicación más amplia y gruesa de revestimiento exclusivo se aplica al borde y cara exterior del faldón . Esto le proporciona máxima protección contra desgaste por abrasividad de las formaciones duras, aumentando la vida del sello. Estabilizador de almohadillas Almohadillas brazo estabilizador fueron desarrollados para proporcionar la estabilidad y la protección bit adicional faldón de la camisa en todas las aplicaciones de perforación. Las almohadillas de los estabilizadores más eficaz en los pozos direccionales y horizontales, donde las fuerzas de carga lateral en la broca puede ocasionar insuficiencia poco prematuro debido al desgaste mayor faldón de la camisa. Cualquiera de carburo de tungsteno o de diamante pactos se puede añadir a la superficie de la almohadilla usar retrasar aún más.

Características Especiales Diseño de aplicaciones Hay muchas características en las brocas de conos móviles que se han desarrollado y mejorado con los años. Algunas de ellas se relacionan a continuación: Capa de revestimiento en los conos Estos están colocados dentro del área de la bóveda de la broca para ayudar a prevenir los problemas de embolamiento en formaciones blandas o a altas tasas de penetración. Capa de revestimiento en los conos Una capa de revestimiento por el proceso de gas caliente ionizado se aplica para endurecer la concha del cono contra la erosión. Las brocas con esta capa en sus conos soportan tasas de penetración más rápidas e intervalos de perforación más prolongados. Configuración de la fila rompiente del cono Numerosas variaciones para colocar filas de rompientes de compactos planos de carburo de tungsteno o de diamante mejorado en la cara posterior del cono, se han hecho para mejorar la resistencia del calibre “gage”. Esto mantiene la integridad del diámetro del hoyo y el sello por períodos prolongados. En formaciones muy duras los tipos de brocas de doble fila de rompientes, han sido utilizadas para disminuir el efecto de redondeo del calibre “gage” que se experimenta en muchos intervalos abrasivos.

Referencias: 1. Trabajo IADC/SP 23937, “The IADC Roller Cone Bit Classification Systems” (Sistema de clasificación del IADC para brocas de conos móviles) 2. Tabla Comparativa IADC, Marketing Service Group, Dallas, TX. Código de Pedido No. 6332-6 3. Catálogo de Security DBS (Productos de la Compañía y Características), Marketing Services Group, Dallas, TX, Código de Pedido No. 10M/4/95 4. Folleto Security DBS “PSF/MPSF with Diamond Tech2000 Harfacing” (PSF/MPSF con revestimiento Tech2000), Marketing Service Group, Dallas, TX, Código de Pedido No. 7.5 JE1008-WL 5. Folleto Security DBS “New Era Bits” (Brocas de la Nueva ERA), Marketing Service Group, Dallas, TX, Código de Pedido AF 1010-WM 6. Trabajo ASME “Enhanced Return Areas Improve Dynamics and Rock Bits Performance”, 1995, Dallas, TX, Alan Huffstutler 7. Folleto Security DBS “Motors Bits” (Brocas para motores), Marketing Service Group, Dallas, TX, Código de Pedido No. 5M/2/95-WM