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30/09/2018

ANÁLISIS, HISTORIA Y EVOLUCIÓN

CAPITULO IV

• Un trepano es 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. • Su función es perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión y de la rotación de la barrena.

TECNOLOGIA DE TREPANOS

ANÁLISIS, HISTORIA Y EVOLUCIÓN

CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE TREPANOS Los tipos de Trepanos más utilizados para la perforación de pozos petroleros, así como el empleo de estos para operaciones especiales, se clasifican genéricamente de la siguiente manera:    

Trépanos Triconos Trépanos Compactos o de Cortadores Fijos Trépanos de Diamantes Trépanos Especiales – Ensanchadores – Bicéntricos

TREPANOS A COJINETES O TRICONOS

Descripción y Nomenclatura

Descripción y Nomenclatura

Las tres secciones o piernas maquinados a partir de forjas de acero, son ensamblados por separado y al final se unen mediante procedimientos de soldadura. El conjunto conformado por cada cono con el pin de la sección, recibe el nombre de cojinete.

Los trépanos tricono, cuentan con tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Varían de acuerdo con su estructura de corte, y pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno.

Tricono de Dientes (TCT)

Tricono de Insertos (TCI)

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Descripción y Nomenclatura

Descripción y Nomenclatura

Descripción y Nomenclatura

Tipos de Cortadores DIENTES DE ACERO La estructura de corte está constituida por dientes maquinados en el cono de acero forjado. Para mayor resistencia los dientes son recubiertos con soldadura de partículas de carburo de tungsteno. APLICACIÓN Y MECANISMO DE CORTE Acción de corte agresiva. Alta ROP en formaciones blandas a medias. El corte es por paleo de la formación.

Tipos de Cortadores INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO La estructura de corte está constituida por elementos de carburo de tungsteno insertados a presión en orificios calibrados sobre el cono forjado.

Tipos de Cortadores INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO

APLICACIÓN Y MECANISMO DE CORTE Acción de corte menos agresiva. Baja ROP en formaciones duras a muy duras. El corte es por impacto y fractura de la formación.

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Tipo de Cojinete

Tipo de Cojinete

NO SELLADAS:

SELLADAS: Son aquellas que poseen sellos que impiden el paso del fluido de perforación y su lubricación es a través de un sistema de compensación de grasa.

Carece de sellos entre el cono y la sección (pierna) y se lubrican mediante el lodo de perforación. Formaciones blandas no consolidadas como arcillas, conglomerados.

Boquillas

Boquillas

La boquilla juega un papel muy importante en la perforación de un pozo, ya que por medio de estas se nota el avance del trepano. Existen 3 tipos de toberas: • Roscables (hexagonal y cuadrado). • De clavo o seguro • De candado

Refuerzos al Calibre

Otras características Efecto del Angulo del Cojinete Es el ángulo entre el eje del cojinete y el plano horizontal. Valores mas comunes de Ángulos de Cojinete  33º para formaciones blandas  36º para formaciones medias a duras  39º para aplicaciones especiales

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Otras características

Otras características

Excentricidad (Mecanismo de Corte) Esta relacionada con el grado de dureza que tiene el diseño de una mecha de acuerdo al tipo de formación a perforar, y se define como el ángulo de desviación entre el eje del cojinete con respecto al eje principal de la mecha. A mayor excentricidad – Menor dureza de la formación  Dientes mas largos A menor excentricidad – Mayor dureza de la formación  Dientes mas cortos

Clasificación IADC

Menor Excentricidad – – – – –

0º Reduced Gage Scraping More Durable Slower Drilling Abrasive Formations

Mayor Excentricidad – – – – –

3º Increased Gage Scraping Less Durable Faster Drilling Soft / Sticky Formations

TREPANOS A COJINETES O TRICONOS 4to Alfabético Características Disponibles

IADC: Asociación Internacional de Contratistas de Perforación El sistema de clasificación consta de tres dígitos y uno alfabético.

A – Aplicación de Aire B – Cojinete / Sello Especial C – Chorro Central D – Control de Desviación E – Boquillas extendidas G – Protección al Calibre / Cuerpo H – Aplicación Horizontal J – Deflexión del Chorro L – Adaptador de Anillo M – Aplicación de Motor S – Dientes Fresados Estándar T- Barrena de Dos Conos W – C/S Mejorado X – Insertos de Dientes de Cincel Y – Insertos de Dientes Cónicos Z – Otras Formas de Insertos

4-1-5-S Primer digito: Identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación. Segundo digito: Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usará la barrena. Tercer digito: Identifica el sistema de rodamiento y lubricación del trepano. Cuarto alfabético: Características disponibles.

TREPANOS DE CORTADORES FIJOS O POLICRISTALINOS

TREPANOS DE CORTADORES FIJOS O POLICRISTALINOS

Descripción y nomenclatura

Descripción y nomenclatura

•

Natural

TSP

PDC (Polycrystalline Diamond Compact)

Impregnado

• PDC quiere decir Compacto de Diamante Policristalino (Polycrystalline Diamond Compact) • El componente del PDC consiste de un bloque sólido (cuerpo de acero o matriz) e insertos (una capa de diamante policristalino pegado al sustrato de carburo de tungsteno). A la estructura completa se la refiere como “Compacto”.

Diamante

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Descripción y Nomenclatura

Descripción y Nomenclatura

El Trepano PDC consiste de un bloque sólido (cuerpo de acero o matriz) y cortadores (diamante policristalino pegado al sustrato de carburo de tungsteno, a la estructura completa se la refiere como “Compacto”).

Descripción y Nomenclatura

Descripción y Nomenclatura

Tipos de Cortadores

Tipos de Cortadores

Trépanos PDC

Trépanos PDC

19 mm

16 mm

13 mm

11 mm 8 mm

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Tipos de Cortadores

Tipos de Cortadores

Trépanos Diamante Natural

Trépanos TSP (Diamante Sintético Térmicamente Estable)

Tipos de Cortadores

Tipos de Cortadores

Trépanos Diamante Impregnado

Trépanos Diamante

Boquillas

Boquillas

La boquilla juega un papel muy importante en la perforación de un pozo, ya que por medio de estas se nota el avance del trepano. Existen 3 tipos de toberas: • Roscables (hexagonal y cuadrado). • De clavo o seguro • De candado

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Refuerzos al Calibre Cuerpo de Acero

Otras características Matriz

Angulo del Cono Apice – Centro geométrico de la barrena Cono – Se define por su ángulo

Otras características

Clasificación IADC

Clasificación IADC

Clasificación IADC

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TREPANOS ESPECIALES

VARIABLES Y PARÁMETROS QUE AFECTAN EN LA PERFORACIÓN

Entre estos tenemos a: • Variables y parámetros que afectan al rendimiento de trépanos • Factores geológicos • Selección de trépanos • Parámetros de perforación • Equipo de perforación y automatización

Variables y Parámetros que afectan al Rendimiento del Trepano

Variables y Parámetros que afectan al Rendimiento del Trepano

Estas variables y parámetros deben de ser diseñados de acuerdo con la geología por atravesar y con la geometría del agujero.

VELOCIDAD DE ROTACIÓN (RPM) • La alta velocidad de rotación, por sí sola, no limita el funcionamiento de los trépanos, principalmente a las de diamante, ya que por su diseño pueden ser usadas con motor de fondo o turbina. • Hay algunos trépanos de conos especiales para altas velocidades de rotación. Las causas de la limitación de RPM son la sarta de perforación y el mecanismo impulsor. La velocidad de rotación más adecuada es aquella que produzca un máximo ROP, pero sin causar problemas. En formaciones blandas el aumento de RPM resulta en un aumento proporcional al la ROP. 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.

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.

Variables y Parámetros que afectan al Rendimiento del Trepano

Variables y Parámetros que afectan al Rendimiento del Trepano

• 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.

LIMPIEZA EN EL FONDO DEL POZO. • La limpieza de fondo es también uno de los puntos que afectan el rendimiento 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.

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Variables y Parámetros que afectan al Rendimiento del Trepano

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.

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: • Permeabilidad • Presión de formación • Porosidad • Temperatura • Abrasividad (pirita pedernal, magnetita, etc.) La presión de confinamiento, dureza, resistencia a la compresión, plasticidad, compactación, temperatura, etc, se incrementan con la profundidad y de esta manera se reduce la velocidad de penetración.

Factores Geológicos

Selección de Trépanos

Resistencia específica de la roca

Objetivos de perforación

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.

Para este proceso, es importante conocer los objetivos de perforación, que incluyen todo tipo de requisitos especiales del operador para perforar el pozo.  Rendimiento  Direccional  Economía  Análisis histórico  Fluidos de perforación  Energía hidráulica

Selección de Trépanos

Selección de Trépanos

Por medio de registros geofísicos

En función de la formación que se va a perforar

Estos registros son una importante fuente de información sobre las características de las formaciones que se perforan en un pozo.  Registro de Neutrones  Porosidad  Registro de Rayos Gamma  Intervalos de lutita  Registro Sónico  Densidad de la formación  Registro de Densidad  Densidad en masa de la formación

Uno de los primeros y mas importantes factores para seleccionar y utilizar un trepano es describir las formaciones que se han de perforar. Por las características que cada formación presentan.

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Parámetros de Perforación

Parámetros de Perforación

TORQUE El torque rotativo es un indicador de lo que está pasando al nivel del trepano de perforación. • En trepano PDC, alto torque implica que se esta perforando o si hay baja ROP el BHA podría estar generando el torque y no el trepano. Bajo torque indica que el PDC podría estar patinando en una formación dura y la estructura de corte podría estar embotada. • En trepano Tricono, alto torque podría significar que los conos están bloqueados, por lo tanto el torque se reduce a medida que los insertos o dientes se desgastan. Toque medio implicaría que puede estar perforando. Torque bajo indica que la estructura de corte podría estar sin filo o embotada.

El torque se podría considerar demasiado alto cuando la velocidad de rotación en superficie empieza a bajar, así también cuando el motor, la mesa rotaria o el top-drive empiezan a perder velocidad.

Parámetros de Perforación

Parámetros de Perforación

PESO SOBRE EL TREPANO (WOB)

TASA DE PENETRACIÓN (ROP)

Conforme la estructura de corte del trepano se desgasta, se requerirá más peso para mantener la tasa de penetración. En general, se debe aplicar peso, antes de que se supere la velocidad rotaria, de manera que la estructura de corte se mantenga en profundidad para estabilizar el trepano y evitar remolino.

Este parámetro indica si se debe continuar perforando con el trepano o si es necesario cambiarlo debido a que su valor no se encuentra dentro del rango adecuado de operación y además del modo en que se está trabajando (rotando o deslizando).

Parámetros de Perforación

Parámetros de Perforación

VELOCIDAD ROTARIA (RMP)

TASA DE FLUJO (CAUDAL)

La velocidad de rotación del trepano es igual a la velocidad de rotación en superficie mas la velocidad de rotación del motor en profundidad y no es limitada por el uso de trépanos PDC. Se debe evitar una alta velocidad de rotación en formaciones abrasivas para que no exista un rápido desgaste por abrasión; mientas que rpm altas en formaciones duras pueden reducir la tasa de penetración, porque los cortadores no penetran en la formación para seguir cortándola. Cuando el trepano empieza a crear remolino no se debe tener una alta velocidad de rotación porque puede iniciar resonancia (altos niveles de vibración) de la sarta.

Afecta la limpieza del hueco y de la broca. Altos caudales ofrecen mejor limpieza que las bajas, porque transportan mejor los cortes a la superficie debido a una mayor velocidad anular y aumentan la energía hidráulica en el trapano.

Las formaciones homogéneas deben producir una señal de torque constante y parejo. Las formaciones interestratificadas que tienen diferentes resistencias producirán cambios en el torque a medida que la broca y/o el BHA entran y salen de mas mismas.

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COSTO DE LA PERFORACIÓN

COSTO METRICO

El mejor medio de determinar cuál es la broca ideal a utilizar es hacer una evaluación de los aspectos económicos. Las dos maneras más comunes de calcular el costo de perforación son:

Carrera del trépano Es la entrada y salida del trepano en un BHA, luego de que este realizo la perforación planificada (perforación del pozo, rotar cemento, acondicionamiento del pozo, limpieza, fresado, etc.

• PDC (Partial Drilling Cost = costo parcial de perforación) Costo del Trepano • TDC (Total Drilling Cost= costo total de perforación). Es el costo que tiene el adquirir un trepano, sea este tricono, PDC o de diamantes, el costo generalmente se expresa en USD. También se tienen costos de alquiler de trépanos.

COSTO METRICO

COSTO METRICO

Costo de operación del equipo

Tiempo de rotación

Es el costo asignado a las operaciones de equipo de perforación (alquiler), este costo estará en función a la potencia del equipo, profundidad que se perfora y al ángulo de perforación. Es expresado en USD/día, USD/hora.

Es el tiempo que el trepano rota en el BHA, este puede ser cuando está perforando, cuando se realiza repasos, etc.

Tiempo de maniobra

Es la longitud que perfora cuando se baja el trepano en un BHA, esta longitud puede ser expresada en metros o pies

Avance en la carrera

Es el tiempo empleado para realizar algunas actividades en el equipo de perforación, estas pueden ser: Bajada del BHA a fondo pozo, salida de BHA, repasos, etc.

COSTO METRICO

ANALISIS DE LA RENTABILIDAD DE LOS TREPANOS

Costo métrico durante la perforación

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OPTIMIZACIÓN DE LOS PARAMETROS DE PERFORACIÓN

OPTIMIZACIÓN DE LOS PARAMETROS DE PERFORACIÓN

Experiencia de campo

Diferentes métodos para la Optimización de los parámetros

Son parámetros como WOB, RPM, caudal, etc que se aplicaron en otros pozos al perforar las mismas formaciones o formaciones con características similares y que tienen buenos ROP.

Entre estos métodos tenemos a:

Parámetros del fabricante

Métodos matemáticos de perforación • Simulan el comportamiento de la perforación del pozos. Estos están orientados a obtener el menor costo de la perforación.

Son los valores de los parámetros que el fabricante recomienda, generalmente esta en función a la formación que se desea perforar.

VIDA ÚTIL Y DESGASTE DE LOS TREPANOS

VIDA ÚTIL Y DESGASTE DE LOS TREPANOS

La vida útil de los trépanos esta en función a los valores de perforación que se tienen (costo métrico) y al desgaste que tienen, esto indicara si pueden bajar nuevamente al pozo o ya no se los utilizará. Para los triconos se tiene un parámetro adicional que son las Revoluciones (Krevs). • Da una idea mas acertada de la vida del cojinete • Representa ciclos de fatiga • Krevs = Hrs Perf x 60 x RPM / 1000

El análisis y evaluación de cada trepano desgastado puede ser de mucha utilidad para decidir el tipo de trepano que se utilizará después y si, en su caso, la práctica de operación debe ser modificada.

Estructura de Corte Hileras Hileras Caract. Internas Externas Desgaste

(I)

VIDA ÚTIL Y DESGASTE DE LOS TREPANOS

(O)

(D)

Ubicación

B Sellos

(L)

(B)

G

Observaciones

Calibre Otra 1/16” Caract. (G)

(O)

Razón de Salida

(R)

REGISTRO DE TRÉPANOS En la perforación de un pozo se debe registrar todas las operaciones realizadas con los trépanos a fin de obtener datos de rendimiento de las mismas en las diferentes formaciones atravesadas. Entre estos datos tenemos: – WOB – RPM – Caudal – Torque – Avance

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PROGRAMA DE TRÉPANOS En función a los parámetros analizados de los pozos perforados y la geología a atravesar es que se realiza el programa de trépanos para los diferentes BHA que se bajaran al pozo. • Tipo: identificación según la empresa. (V519SDGHX) • Diámetro: 12 ¼”, 8 ½”, etc. • Clasificación IADC: S222 • Conexión: 6 5/8” REG (40,800 ft-lb), BTC, etc. • Nº de Boquillas: 4, 6, etc. • Otros datos: tamaño de cortadores, Nº de aletas, etc.

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