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• Mario Sarmiento

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PRINCIPIOS BASICOS BARRENAS DE PERFORACION REEDHYCALOG

AGENDA • PRESENTACION. • CONCEPTOS BASICOS BARRENAS PDC. • CONCEPTOS BASICOS BARRENAS BICENTRICAS • CONCEPTOS BASICOS BARRENAS IMPREGNADAS • CONCEPTOS BASICOS BARRENAS TRICONICAS. • CONCEPTOS BASICOS DE AMPLIACIÓN DE AGUJERO: ING. SOFIA REYES. • EXAMEN.

TERMINOLOGÍA PARA ESTA PRESENTACIÓN

EN INGLÉS

: BIT

EN CASTELLANO : TREPANO : BARRENA : BROCA : MECHA

?

TIPOS DE BARRENAS

Barrenas PDC (Cortadores Fijo)

Barrenas Triconicas (Partes Móviles)

Otras Herramientas ReedHycalog.

Ampliadores Excentricos

Bicenter ó Bicéntricas

Ampliadores Hidraúlicos Concéntricos (AnderReamer)

Impregnadas (Motor y Turbina)

V-Stab

Black Box

PARTES BARRENA PDC ALETA BOQUILLA O TOBERA

AREA DE DESALOJO DE RIPIOS

TIPOS DE BARRENAS PDC

• BARRENAS CON CUERPO DE MATRIX O CARBURO DE TUNGSTENO. • BARRENAS CON CUERPO DE ACERO.

BARRENAS CON CUERPO DE MATRIX O CARBURO DE TUNGSTENO. BOQUILLA INTERCAMBIABLE

CONO

BOQUILLA FIJA

NARIZ O TROMPA

NUCLEO DE ACERO

FLANCO HOMBRO

CORTADOR • DE LA CARA • DEL CALIBRE • RIMAR SALIENDO RANURA PARA SOLDAR

DIAMANTES DE PROTECCION DEL CALIBRE

RANURA PARA PLACA DE SUJECION RECINTO DEL VASTAGO BISEL

MATRIZ DE CARBURO DE TUNGSTENO

CARA DE ENROSQUE ESPIGA API

VASTAGO

BARRENAS CON CUERPO DE ACERO. BOQUILLA INTERCAMBIABLE

CONO NARIZ O TROMPA

CORTADOR • DE LA CARA • DEL CALIBRE

FLANCO

BOQUILLA FIJA

HOMBRO

INSERTOS DEL CALIBRE

RANURA PARA PLACA DE SUJECION

CALIBRE

CUERPO DE ACERO

RECINTO DEL VASTAGO BISEL

CARA DE ENROSQUE ESPIGA API

VASTAGO

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Tipo de Perfil

Tamaño Cortador Estructura de Corte

Numero de Aletas

Material del Cuerpo

Cuerpo

Hidráulica

Calibre Barrena

Estabilidad

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

• Perfil de la Barrena. – Cono • Cono Profundo, Mayor Estabilidad.

– Nariz. • Densa, Mayor Durabilidad.

– Hombro.

CONO NARIZ O TROMPA FLANCO

• Hombro Largo, Mayor cantidad de cortadores

– Perfil Recto, Mayor Estabilidad.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Características del Cono Deep Cone - Greater Stability

Shallow Cone - Greater Steerability

• Steerability/ROP/Stability Profile A B C D E F

Anisotropy Index 1 1.31 1.44 1.56 1.59 1.69

Description Long Taper Medium Taper Short-medium Taper Short Taper Short-flat Taper Flat

PERFILES COLA DE PESCADO

CORTO

LARGO MEDIO

SELECCION DE CORTADORES • OBJETIVOS DE DISEÑO • PERFORAR AMPLIA GAMA DE FORMACIONES. • BRINDAR CONSISTENTEMENTE ALTA ROP. •NORMALMENTE SE REQUIERE UN BALANCE • LARGA VIDA PARA LA BARRENA. • BAJO COSTO.

CANTIDAD DE CORTADORES Vs. DUREZA DE LA ROCA +

ROP

+

+ No of Cutters

Cost

-

-

Bit Life

+

CANTIDAD DE CORTADORES Vs. DUREZA DE LA ROCA Fewer Cutters

More Cutters

Larger Cutters

Smaller Cutters

Fewer Blades

More Blades

Soft

Hard

TAMAÑO DE CORTADORES 19 mm 19 mm 19 mm

19 mm

16 mm 16 mm

13 mm

13 mm 13 13 mm mm

11 mm 11 mm

mm 8 8mm 8 mm

TIPOS DE CORTADORES CILINDRO

POSTE O BASTON

Manufactura de Diamante Sintético y PDC.

Diamante y Grafito Estructuras Atómicas

• • Grafito

• •

Diamante

Las dos formas sólidas del Carbono son Grafito y Diamante La diferencia principal entre estas dos formas es la estructura cristalina El Grafito es eslanzado en dos dimensiones, haciéndolo débil y suave El Diamante es firmemente enlazado en tres dimensiones y es duro y quebradizo

Diamante y Grafito • El diagrama de equilibrio del

carbono muestra que el diamante es estable a altas presiones y temperaturas. • El grafito es estable a presión y temperatura ambiente. • El diamante no es estable a temperatura ambiente y se convertirá en Grafito si se calienta • Por lo tanto, para hacer diamante sintético (y PDC), se requieren altas temperaturas, donde el diamante es estable.

Diamante Monocristalino Sintético • 1954 – Primer proceso repetible – Material logrado a relativa baja presión y temperatura

Fundamentos de la Manufactura de PDC • • •

Cobalto proveniente del subestrato de carburo se funde y se infiltra en en el polvo de diamante Esto hace que las partículas de diamante se unan entre sí. De esta forma, partículas de diamante monocristalino se aglomeran en una única masa policristalina (PDC)

Fundamentos de la Manufactura de PDC Carburo de Tungsteno cementado con Cobalto

Mezcla de Cobalto/Diamante en la interfaz Capa de Diamante Policristalino

• •

El cobalto tambien forma un enlace con el subestrato de carburo de tungsteno, dando como resultado un componente integral Despues del ciclo de prensado, se deja enfriar el cubo y entonces se abre

Fundamentos de PDC

• • •

PDC significa Compacto de Diamante Policristalino Los components del PDC consisten en una capa de diamante policristalino unido a un subestrato de carburo de tungsteno cementado con cobalto

La estructra completa se conoce como „Compacto‟

Manufactura de PDC en ReedHycalog • • • • •

ReedHycalog se distingue actualmente en que somos los únicos que diseñamos y fabricamos todos los cortadores PDC usados en nuestras brocas.

El Grupo de Producción de ReedHycalog cuenta con más de 50 especialistas Este enfoque estratégico representa una enorme inversión en gente y equipo Las prensas utilizadas cuestan más de 1,5 MM $ cada una

ReedHycalog actualmente tiene 3 prensas

Prensa de PDC

El proceso de “enlatado” • • •

Polvo de diamante, teniendo una mezcla específica de cierto tamaño de partículas, se coloca en una “lata” de metal refractario Se coloca dentro de una caja especial en una atmósfera inerte Un subestrato de carburo de tungsteno es entonces colocado en el tope del polvo de diamante

El proceso de “enlatado” • •

Una segunda lata externa es colocada sobre el subestrato

Seguidamente el ensamblaje de la lata es sellado mecánicamente para extraer todo el aire

Ensamblaje del cubo Cilindro calentador de Grafito Anillos de Sal Ensamblaje de la caja

• • •

Dos ensamblajes de latas se colocan dentro del cilindro calentador de grafito con anillos de sal La sal se usa para aislar las latas y sus contenidos de la corriente eléctrica que pasará a través del calentador de grafito El ensamblaje del calentador se coloca dentro de un cubo de Pirofilita (Pyrophillite)

Ensamblaje del cubo • Una termocupla se inserta dentro

del ensamblaje para supervisar la temperatura.

• El cubo ensamblado se pinta con un material de alta fricción antes de ser colocado en la prensa

Proceso de prensado del PDC • • •

El cubo conteniendo el ensamblaje con las latas se coloca dentro de la prensa La prensa comprime el cubo hasta alcanzar una presión interna de 70 Kbar (1.000.000 psi)

Se hace pasar corriente Electrica a través del calentador para obtener una temperatura de 1400ºC (2500ºF)

Proceso de esmerilado y pulido • • • • •

El compacto PDC se le somete a un chorro de arenisca (grit blasted) para remover las rebabas El diámetro del componente es esmerilado y la cara de diamante es pulida Los cortadores PDC se colocan en un equipo para pulido El proceso de pulido le da una cara lisa y suave a los cortadores Esto también asegura que las superficies estén planas para facilitar una inspección de calidad detallada

Proceso de esmerilado del bisel • Cada cortador se coloca en un equipo especial • Se mecaniza un micro-bisel muy preciso alrededor del borde del PDC

Control de Calidad • • • •

100% Visual 100% Ultrasónico 100% Tinte penetrante 100% Dimensional – Diámetro – “Planura” de la cara del PDC – Uniformidad y redondez

CORTADORES PDC • Un cortador PDC se hace mediante la de Diamante Policristalino fusión de micro-Capa partículas de diamante de Carburo de tungsteno sintético (polvo Subestrato de diamante) a una presión de 1 millón de lbs/plg2 y 1400ºC (2.500 °F) sobre1.400°C un subestrato Diamante de carburo ENFRIAMIENTO de tungsteno. A alta temperatura y presión

Carburo de Tungsteno

Capa de Diamante Policristalino INTERFAZ Subestrato Carbide Substrate de Carburo de tungsteno

1 MM lbs/plg2

A temperatura y presión ambiental

PDC de Interfaz plana (NPI) Esfuerzos Inherentes al proceso son mayores mientras más gruesa es la capa de PDC

Menores esfuerzos compresivos mientras más distante de la interfaz en el diamante más ancho. Menor resistencia al impacto

• Interfaz No plana (“NPI”) reduce los esfuerzos esfuerzos de enesfuerzos la interfaz entreAltos el subestrato de carburo de Altos compresivos tensión en la interfaz en el diamante. Hace al diatungsteno (C.T.) y entre el diamante policristalino mante más duro. materiales

Interfaz No Plana (NPI) • Interfaz No-Plana – Distribuye los esfuerzos de la interfaz – Reduce los esfuerzos máximos puntuales – Incrementa La Resistencia al impacto – Paso de avance hacia “TRC”. Diseño de Subestrato “Iris”

•

Análisis de Elementos Finitos (FEA), pruebas de laboratorio y de campo han demostrado que el diseño NPI “Iris” reduce los esfuerzos entre el C.T. y el PDC

– Por lo tanto mejora la resistancia al impacto

Cortadores TReX 2

Dureza Relativa

1.5

Right Corner NPITop Premium (Esquina Superior Derecha) Capa Ultra-Resitente al desgaste NPI

1

MultiModal

0.5

• Capa Ultra Resistente al desgaste es 0 térmicamente estable 0 0.5 1 1.5 2 • 400% más resistente a la abrasión el PDC Resistencia Relativaque al Desgaste multimodal.

T-REX TReX vs. PDC

100

Top Right Corner

90

(Esquina Superior Derecha)

80

Capa de Diamante PolicristalinoTReX

70 ROP

60 50

PDC NPI

40 30 Subestrato de 20 Carburo de Tungsteno

PDC Plano

10 0 0

10

20

Pies 30

Capa Termoestable 40 Ultra Resistente al50 desgaste

T-REX Capa Ultra Resistente a la Abrasión • 400% más vida abrasiva • Termo estable 40% más vida Labio o borde aumenta el esfuerzo sobre la roca en el borde de corte

40% más ROP

Ventajas de TReX • Perfora formaciones que previamente no ran perforables con PDC • La inversión de la perforación se ha modificado debido al 40% más vida y ROP • Menos viajes • Reduce costos de perforación

• Lleva la tecnología TReX al nivel superior. • Para formaciones muy abrasivas • Mantiene ROP por mayor tiempo

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

ANGULO DE ATAQUE (“BACK RAKE”)

El ángulo de ataque es el ángulo generado entre la cara del cortador y la formación, medido en la vertical. •Pequeños ángulos de ataque generan grandes profundidades de corte por lo cual se dice que el cortador es agresivo, ocasionando generalmente alto torque, un desgaste acelerado y grandes riesgos de daño por impacto.

•Altos ángulos de ataque generan profundidades de cortes pequeñas, torque reactivos relativamente bajas, buena ROP, y reduce el riesgo de daño por impacto.

ALETA PDC

g

ANGULO LATERAL

El ángulo lateral es la medida equivalente de la orientación del cortador de izquierda a derecha, siendo usualmente medidas relativmente pequeños.

BROCAS HÍBRIDAS FUNCION DE LOSDE HÍBRIDOS CONSIDERACIONES DISEÑO CUERPO DE ACERO

• • • • •

CUERPO DE MATRIZ

AUMENTAR ESTABILIDAD. ALETA ALETA DISMINUIR TORQUE. PROTECCION DE CORTADORES. PROTECCION DEL CALIBRE. AUMENTAR VIDA DE LA BROCA. HÍBRIDOS

BROCAS HÍBRIDAS

SECUENCIA DE PERFORACION

ETAPA 1

ETAPA 2

ETAPA 3

CUERPO DE LA BROCA FUNCIONES DEL CUERPO • • • • • • • • •

SOSTENER CORTADORES Y BOQUILLAS RESISTENCIA A ESFUERZOS EN EL HOYO CONTROL DEL FLUJO UNION A LA SARTA DE PERFORACION VIDA DE LA BROCA RESISTENCIA A ESFUERZOS EN EL HOYO EXACTITUD DE CONSTRUCCION CAPACIDAD DE REPARACION LONGITUD DE LA BROCA

FUNCIONES DE LAS ALETAS • SOSTENER LOS CORTADORES E HIBRIDOS • AUMENTAR EXPOSICION DE CORTADORES • SOPORTAR CARGAS AXIALES/LATERALES • DEFINIR DIRECCION DE FLUJO

PROTECCION DEL CALIBRE: CUERPO

DE ACERO

CUERPO DE MATRIZ

LONGITUD DE LA BARRENA CUANDO ES IMPORTANTE • PERFORACION DIRECCIONAL RADIO CORTO • ACERCAR EL MOTOR A LA BROCA • ESTABILIZACION MUY CERCA DE LA BROCA • PERFORACION HORIZONTAL

Sistema “Rotary Steerable” • Modelo “Push the Bit” (Empujando la broca)

• Herramienta de fuerza lateral o empuje de la broca • Los “pads” se extienden dinámicamente • Aplica Fuerza direccional Lateral

• Curvatura definida por 3 puntos de contacto

Point The Bit (Apuntando la broca) •“PowerDrive Exceed”

– Desvío de un eje impulsor contínuamente rotando dentro de una carcasa no rotatoria – Se mantiene el eje de la broca en una posición inclinada con respecto a la dirección del hoyo – Curvatura definida por 3 puntos de contacto

Sistema “Rotary Steerable” – Rotación Contínua – Independiente del torque de la broca –Tool face –Back rake – Mejora la transferencia de peso – Control Direccional 3D – Cambios mientras se perfora –Hoyo más limpio y liso –Eficiencia de perforación mejorada

Aplicaciones – Pozos Direccionales – Secciones Tangenciales – Pozos tipo “Extended Reach”

Diseños de barrenas para RSS – Perfil de la barrena, longitud del calibre

• Direccionabilidad – Muy alta capacidad de Corte Lateral (Steerability) • Estabilidad

• Durabilidad

– Lateral – Torsional – Desde el zapato hasta TD

– Extender La vida útil de la barrena

Conceptos Básicos

Zona 4:Calibre

Zona 3:Hombro

Zona 1:Cono

Zona 2:Nariz

Características de Diseño “Backrake” de los cortadores

– Para estas barrenas: – “Backrake” muy agresivos – Eficiencia de perforación mejorada – Aumento de “ROP”

– Areas clave: – “Backrake” en la nariz para mejorar “ROP” – “Backrake del hombro y calibre para maximizar la capacidad de corte lateral.

Características de Diseño Cortadores Secundarios – Cantidad de cortadores secundarios optimizada – Permite el uso de perfiles muy cortos y direccionables, manteniendo la densidad de cortadores Actual Desgaste Wear Graph - Bit A v Bit B B) Gráfica Real (broca A vs. 30

Poly. (Bit A) % Wear % Desgaste

25

– Estudios de campo muestran 50% menor desgaste

Poly. (Bit B)

20 15 10 5 0 0

20

40

60 Radius

80

Radio (mm)

100

120

– Prolonga la vida útil de la barrena

Características de Diseño Híbridos – Mejoran la Estabilidad – Colocados en el calibre – Absorben parte de la carga – Protegen a los cortadores PDC – Elementos activos y no pasivos – Controlan y no limitan

Aleta

Características de Diseño Barrenas convencionales – La colocación de cortadores en el área del calibre es “No Agresiva”. – Limitación de capacidad de motores

Cortadores en Calibre Activo: – Alta densidad – Angulos de ataque (“backrake”) bajos

Pasiva

• 15º Cono-Nariz • 20º Hombro-Calibre

– Alta exposición (3 mm) – Capacidad de corte lateral mejorada

Activa

Principio de Direccionamiento Del “Power Drive”

•“Carga y Arrastre” Movimiento de la barrena

Centro del hoyo Angulo de Inclinación

Centro del sistema de direccionamiento

Fuerza de los bloques de empuje

–El Centro del sistema de direccionamiento siempre está “retrasado” con respecto al centro del hoyo –Afecta la geometría del calibre y la durabilidad del hombro

¿Qué es el Calibre Activo? • Diámetro del cuerpo reducido

• Cortadores pre-aplanados del calibre reemplazados con cortadores normales • Protección del calibre se ha eliminado • Cortadores protegidos por híbridos • Concentración Máxima de PDC.

„Calibre activo‟ RS130B1 de 12 ¼”

Calibre Activo – Condiciones de desgaste El uso de cortadores cilíndricos completos en el área del calibre para reemplazar la protección convencional no ha afectado la resistencia a la abrasión de dicha área.

RS130B1 Nueva

Después de 7.640‟ (2.330m) DLS = 8.5•/100‟

Después de 13.205‟ (4.026m) DLS = 4,5•/100‟

Ventajas del Calibre activo • El incremento de PDC en el calibre aumenta la Durabilidad • La región del calibre más agresiva = capacidad mejorada de corte lateral

• Baja resistencia a la fricción en los puntos de contacto de los híbridos potencialmente puede contribuir a aumentar la ROP. • Flujo adicional alrededor de los cortadores e híbridos ayudará con el enfriamiento y limpieza.

„Calibre Activo‟

en RS163 de 8 1/2”

Desventajas del “Calibre Activo” • “Potencial” para tumbar ángulo (“drop”) en intervalos tangenciales y “horizontales”. • Configuración Agresiva del calibre pudiera incrementar ligeramente las vibraciones laterales (“Whirl”) como torsionales (“Stick-Slip”)? “Calibre Activo” en RS163 de 8 ½”

Calibre Activo – Sección Tangencial

Fuerza de corte lateral Masa + gravedad

Calibre Activo

Calibre de Doble Acción “Dual Action Gauge (DAG)”

Diámetro reducido del área del calibre

Cortador completo

Calibre de Doble Acción “Dual Action Gauge (DAG)” Diámetro reducido del bloque del calibre

Cortador completo

DAG - Durante la construcción

Elemento cortante (Expuesto) toca el hoyo

Cortadores de la cara en esta posición no tocan formación

0,4º

Cortador posterior no toca la formación

Cortadores de la cara todavía tocan el hoyo

DAG - Tangente

Cortador expuesto no toca el hoyo

Bloques del calibre en contacto para resistir caída del ángulo

Recomendaciones Calibre doble acción (Dual Action Gauge)

Calibre activo (Active Gauge)

• Calibre activo ayuda a construir – Puede ser ligeramente perjudicial en secciones tangentes por la tendencia a tumbar ángulo • La variante “calibre doble acción” es una arreglo opcional

Características de diseño • Perfil – Direccionable (“Steerable”): Flanco corto y redondeado, cono poco profundo – Corte lateral: Maximización de cortadores en hombro y calibre – Estable: Estabilidad mejorada por el incremento de contacto con las paredes del hoyo via bloques de calibre espiralados. Perfiles planos son mas estables (Warren) – Longitud muy corta

Consideraciones de diseño • Longitud corta – Las tasas de construcción y giro se pueden definir mediante tres puntos de contacto.

P1 = Estabilizador superior

P2 = Bloques del RS broca corta

– La barrena tiene que estar lo más cercana posible a los bloques de direcciona-miento broca (“Bias”) de la he-rramienta larga “RS”.

P3a = Radio corto

Consideraciones de diseño • Direccionabilidad - Perfil Cono Profundo – Menor Direccionabilidad

Cono Poco Profundo – Mayor

Direccionabilidad

Consideraciones de diseño • Direccionabilidad – Longitud del calibre Angulo de construcción

Eje del hoyo

Eje de la broca Longitud del calibre (y)

Eje de la broca

Desplazamiento Lateral (x)

Diámetro del hoyo

Perfil de la broca

Inicio del calibre

Longitud del perfil (z)

Eje del hoyo

Angulo de construcción

Diámetro del hoyo

Perfil de la broca

Sistema de Clasificación IADC Barrenas PDC IADC / SPE 23940

IADC Codigo de Clasificacion Barrenas de Cortadores FIjos

M332 Código

de cuatro dígitos.

Diferentes

Códigos para

barrenas PDC, TSP y Diamante Natural.

IADC Código de Estructura de Corte Barrenas PDC  Primer

Dígito: Material del Cuerpo M : Matrix S : Acero



Segundo Dígito: Densidad de Cortadores 1 : 30 (Densidad de Cortadores Baja) 2 : 30 a 40 (MEdianamente baja Densidad de cortadores) 3 : 40 a 50 (Medium alta densidad de cortadores) 4 : 50 o más (Alta densidad de cortadores)

IADC Código de Estructura de Corte Barrenas PDC  Tercer Dígito:

Tamaño del Cortador (Diametro) 1: Mayor a 24 mm. 2: Desde 14 a 24 mm. 3: Desde 8 a 14 mm. 4: 8 mm. Diametro PDC

Cuarto

Dígito: PERFIL

1. RECTO

2. CORTO

3. MEDIANO

4. LARGO

BARRENAS IMPREGNADAS APLICACIÓN

•

Tipo de Barrenas de perforación diseñadas para trabajar en condiciones extremas perforando formaciones con compresibilidades de Medianamente altas a Altas. (35-60Kpsi).

•

Los diseños existentes para aplicaciones de barrenas inician en diseños para aplicaciones con Motores de fondo de Altas Revoluciones, hasta barrenas diseñadas para trabajar con Turbinas.

•

Líderes Mundiales en Tecnología de Barrenas Impregnadas con Records Mundiales en ROP en Intervalos Perforado atravesando formaciones con compresibilidades entre (45-55Kpsi)

MOTOR

TURBINA

MECANISMOS DE CORTE FORMACIONES DURAS • Trituración – Abrasión Controlada – Autoafilante • Duración Efectiva – Aletas altas en vez, cortadores expuestos de diamantes o de PDC. – Los conductos de fluido profundos permiten poner Aletas más altas.

Mecanismo de Corte Formaciones Blandas CIZALLA las lutitas para perforarlas •El borde de ataque de las aletas cizalla la formación •Produce cortes muy poco profundos

•Es posible que se tapen los conductos del fluido •Los diseños de cara más despejada, proporcionan regímenes de penetración (RDP) más altos

DUREZA EN LA MEZCLA DE DIAMANTE-mm

DIÁMETROS EXITENTES EN BARRENAS IMPREGNADAS

BARRENAS TRICÓNICAS

BARRENAS TRICONICASPARTES.

IADC Nomenclature Cutting Element

Formación

Series / Tipo

Blanda a

11to 34-

Dientes Fresados

41to 84-

Inserto de Carburo de Tungsteno

Medianamente Dura

Medianamente Dura a Dura

IADC Nomenclature

5 3 7 Series Type

Bearing Special Gauge Features

1 1 5

M

IADC – Barrenas de Dientes. Type Suave

1

1 2

1-1

Series

3 1 2 2

1-3

3 1 Medianamente Dura

3 2 3

2-1

IADC – Insert Bits 4

Series

5 6 7 8

Type 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

4-1

8-3

CLASIFICACIÓN DE LAS BARRENAS TRICONICAS

PARTES DE LOS COJINETES

MECANISMO DE CORTE

ESTRUCTURA DE CORTE

TIPOS DE CONO

ESTRUCTURA DE CORTE

HIDRAULICA PRINCIPIOS BÁSICOS

¿Es de Nuestro Interés el Análisis de Vibración?

¿Por qué Es de Nuestro Interés el Análisis de Vibración? Las vibraciones pueden ser perjudiciales a causa de:



  

Desgaste y Falla Prematura de Estructura de Corte en Barrenas Daño en todos los componentes del BHA. Deficiente calidad en el agujero perforado. Efectos adversos en pozos direccionales.

La Vibración es probablemente el mayor problema encontrado día a día en la Perforación de Pozos a Nivel mundial

Abrasive Wear vs Mechanical Damage

Desgaste (Normal)

Daño Mecánico (Anormal)

Cutting Structure Inner

Outer

1

Dull Char.

Location

3

4

2

3 - Broken Cone *BC

Bearings/ Seals

5

Gauge

Other Dull Char.

Reason Pulled

6

7

8

FC - Flat Crested Wear

*RG - Rounded Gauge

BF - LS Bond Failure

HC - Heat Checking

RO - Ring Out

BT - Broken Teeth/Cutters

*LC - Lost Cone

*SD - Shirrtail Damage

BU - Balled Up Bit

LN - Lost Nozzle

*SS - Self Sharpening Wear

*CC - Cracked Cone

LT - Lost Teeth/Cutters

*CD - Cone Dragged

OC - Off Center Wear

CI - Cone Interference

*PB - Pinched Bit

CR - Cored

PN - Plugged Nozzle/Flow Passage

CT - Chipped Teeth/Cutters ER - Erosion

Items con color Rojo Inducidos a causa de Vibración

*TR - Tracking WO - Washed Out Bit WT - Worn Teeth/Cutters NO - No Dull

Cutting Structure Inner Outer

1

Dull Char. Location

2

3

BHA - Change Bottom Hole Assembly DMF - Downhole Motor

4

Bearings/ Seals

5

Gauge

Other Dull Char.

Reason Pulled

6

7

8

CM - Condition Mud CP - Core Point

DTF - Downhole Tool Failure

DP - Drill Plug FM - Formation Change

DSF - Drill String Failure

HP - Hole Problems

DST - Drill Stem Test

HR - Hours on Bit

LOG - Run Logs

PP - Pump Pressure

LIH - Left in Hole

PR - Penetration Rate

Failure

RIG - Rig Repair

Items con color Rojo Inducidos a causa de Vibración

TD - Total Depth Casing Depth TQ - Torque TW - Twist Off WC - Weather Conditions

Daño de Barrenas por Vibración.  Impacto y daño en los Cortadores. (chipping/breaking)

 Daños por movimientos hacia atrás de la Sarta. (delamination)

 Rompimiento de AletasBlade por movimientos hacia atrás de la Sarta.

Irregular/Desgaste Prematuro. Result – Alto costo/pie y problemas con el cliente

Direct Damage to Bit from Bit Whirl

Broken Blade – Whirl??

Bit Whirl and Roller Cone Bits - Cracking Failure

Stick-Slip Dull (1) Accelerated Shoulder Wear

Stick-Slip (2)

Nose Flattened on Large Diameter Bits

Daño del BHA por Vibración.  Choques y Daño a las herramientas MWD/LWD.  Fallas prematuras en el PDM.  Excesivo e irregular desgaste en los Estabilizadores  Falla torsional en subs  Fallas repetitivas por Strees en la Sarta  Desgaste Excesivo en el Casing

BAT-2 Downhole Dynamics

Pobre Calidad del hueco por Vibración  Pobre transeferencia de WOB (reduciendo la

eficiencia en la perforación)  Incremento en los tiempos de viaje por aumento de Reaming.  Dificultad al Correr Casing  Pobre Calidad en Registros Eléctricos.

BAT-2 Downhole Dynamics

Problemas DIreccionales con Vibración.

 Comportamiento inpredecible de la Sarta  Pobre trasnferencia de WOB haciendo mas dificil los trabajos de Sliding.

 ReducReduce la eficiencia de las herramientas RSS.

 Genera Interferencia con la señal del MWD.

BAT-2 Downhole Dynamics

¿Que es la Vibración? ¿Que puede Generar Vibración? • Tipo de Barrena • Parámetros Operacionales (Superficie/Fondo), WOB. • Diseño de BHA

Basicamente nosotros proveemos Energía a la barrena. La Vibración es la transformación de ésta energía y la manera como ella es transmitida a lo largo del conjunto, siendo algunas veces estática pero destructiva.

Types of Vibration

 Axial Movimiento arriba y abajo de la sarta formando un eje central Torsional Twisting (Retuerce) la Sarta.

Lateral 3D Pendulo como columpio O combinación de las tres

IADC 1992 Dull Bit Grading Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Estructura de Corte Interna.

2 Estructura de corte Externa. 3 Principal Característica de Desgaste (Use Codigo Solo Estructura de Corte) 4 Localización (Donde Ocurre la Principal Característica de Desgaste ).

5 Cojinetes/Sellos (Condition of Roller Cone) ó X= Barrenas PDC. 6 Gage (Cual es el diametro final del Calibre de Barrena) 7 Otra característica de Desgaste (Use Codes) 8 Razon de Salida (Use Codes)

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

1

Estructura de Corte Interna.

2

Estructura de corte Externa.

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

3 Principal Característica de Desgaste *BC - Broken Cone

FC - Flat Crested Wear

RG - Rounded Gage

BF –Bond Failure

HC - Heat Checking

RR –Re-Runnable

BT - Broken Teeth/Cutters

*LC - Lost Cone

SD - Shirrtail Damage

BU - Balled Up Bit

LN - Lost Nozzle

SS - Self Sharpening Wear

*CC - Cracked Cone

LT - Lost Teeth/Cutters

*CD - Cone Dragged

NR – Not-Rerunnable

CI - Cone Interface

OC - Off Center Wear

CR - Cored

PB - Pinched Bit

WT - Worn Teeth/Cutters

CT - Chipped Teeth/Cutters

PN - Plugged Nozzle/Flow Passage

NO - No Dull Characteristics

ER - Erosion

* Show Cone #‟s under Location (4)

TR - Tracking WO - Washed Out Bit

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

4 LOCALIZACION Roller Cone N – Nose row M – Middle row G – Gage row A – All rows 1 – Cone #1 2 – Cone #2 3 – Cone #3

Fixed Cutter C – Cone N – Nose T – Taper S – Shoulder G – Gage A – All areas

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

5 COJINETES/SELLOS Cojinete no Sellado 0 - No Life Used 8 - All Life Used

Cojinete Sellado E - Sellos Efectivos F - Sellos Fallados

X - Fixed Cutter Bit

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

GAGE Medida en Fracciones de 1/16”

6

I

-

1/16 -

In Gage

2/16 - 1/8” Out of Gage

1/16” Out of Gage

4/16 - 1/4” Out of Gage

Two Thirds Rule

Measured distance

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

7 Other Dull Characteristics (Use all Related Codes) *BC - Broken Cone

FC - Flat Crested Wear

RG - Rounded Gage

BF –Bond Failure

HC - Heat Checking

RR –Re-Runnable

BT - Broken Teeth/Cutters

*LC - Lost Cone

SD - Shirrtail Damage

BU - Balled Up Bit

LN - Lost Nozzle

SS - Self Sharpening Wear

*CC - Cracked Cone

LT - Lost Teeth/Cutters

*CD - Cone Dragged

NR – Not-Rerunnable

CI - Cone Interface

OC - Off Center Wear

TR - Tracking WO - Washed Out Bit

CR - Cored

PB - Pinched Bit

WT - Worn Teeth/Cutters

CT - Chipped Teeth/Cutters

PN - Plugged Nozzle/Flow Passage

NO - No Dull Characteristics

ER - Erosion

* Show Cone #‟s under Location (4)

Cutting Structure Bearings/ Other Reason Gage Seals Dull Char. Pulled Inner Outer Dull Char. Location 1 2 3 4 5 6 7 8

8 Reason Pulled Or Run Terminated BHA - Change Bottom Hole Assembly

DMF - Downhole Motor

CM - Condition Mud

CP - Core Point

DTF - Downhole Tool Failure

DP - Drill Plug FM - Formation Change

DSF - Drill String Failure

HP - Hole Problems

DST - Drill Stem Test

HR - Hours on Bit

LOG - Run Logs

PP - Pump Pressure

LIH - Left in Hole

PR - Penetration Rate

Failure

RIG - Rig Repair

TD - Total Depth Casing Depth

TQ - Torque TW - Twist Off WC - Weather Conditions

Identifying Cones On A Roller Cone Bit To identify the cones on a roller cone bit: - Find the cone that has the insert or tooth that is closest to the direct center-line of the axis of rotation of the bit - That is Cone #1

- Count in a clockwise rotation to find Cone #2 and then Cone #3

132

Identificación de Conos en Barrena Tricónica. Cone #1

Cone #3 133

Cone #2

Cone #3

Cone #2

BC - Broken Cone

BROKEN CONE BC]

[IADC

Possible Causes:

• Cutter Shell Thickness (Too Thin) • Excessive Impact Load (Dropping, Spudding, Hitting, Junk)

• Cracked Cone • Cone Interference • Drilling Environment (H2S, Corrosion)

BT - Broken Teeth

BROKEN TEETH BT]

[IADC

Possible Causes:

• Excessive RPM or WOB • Improper Bit Selection • Interbedded Formations • Improper Break-in Of The Bit • Excessive Impact Load • Heat Checking • Cone Interference • Axial Vibration

BU – Balled Up

BALLED UP

[IADC BU]

Possible Causes:

• Inadequate Hydraulics • Poor Drilling Fluid • Reactive Formations • Improper Bit Selection • Inadequate Cleaning on Connections • Forcing Bit To Bottom With The Pumps Off

CC - Cracked Cone

CRACKED CONE CC]

[IADC

Possible Causes:

• • • • • • • •

Cutter Shell Thickness (Too Thin) Excessive Impact Load Excessive WOB Excessive Hours Broken, Lost, or Worn Teeth Overheating / Heat Checking Erosion Cone Interference

CD - Cone Dragged

CONE DRAGGED CD] Possible Causes:

• • • • • •

Bit Balling

Bearing Failure Running On Junk Cone Interference Pinched Bit Insufficient WOB

[IADC

CI – Cone Interference

CONE INTERFERENCE [IADC CI] Possible Causes:

• Bearing Failures • Forced Into An Under Gauge Hole • Reaming An Under Gauge Hole With Excessive WOB

• Forced Into Casing That Does Not Drift To The Bit Size Used

• Bit Pinched In The Bit Breaker

CR - Cored

CORED

[IADC CR]

Possible Causes:

• Excessive WOB • Excessive Hours • Off-Center Wear • Improper Bit Selection • Erosion • Junk Damage • Improper Break-In Of The Bit

CT – Chipped Teeth

CHIPPED TEETH

[IADC CT]

Possible Causes:

•

Commonly a result of Heat Checking on TCI bits

•

Similar causes to BT

•

If tooth hardmetal is chipped, this is classed as CT

•

Location can help determine the cause

ER - Erosion

EROSION

[IADC ER]

Possible Causes:

• Inadequate Hydraulics • Excessive Hydraulics • Abrasive Formations • Poor Solids Control • Abrasive Drilling Fluids

FC - Flat Crested Wear

FLAT CRESTED WEAR [IADC FC] Possible Causes:

• Low WOB • High RPM • Tracking

HC - Heat Checking

HEAT CHECKING HC] Possible Causes:

• High RPM • Reaming At High RPM • Formation • Insufficient WOB

[IADC

JD - Junk Damage

JUNK DAMAGE JD]

[IADC

Possible Causes:

• Junk From The Surface • Junk From The Drill String • Junk From The Previous Bit • Junk From The Bit Being Run • Damage Due To Contact With Casing

LC - Lost Cone

LOST CONE

[IADC LC]

Possible Causes:

•

• • • • • •

Excessive Hours After Bearing Failure Excessive WOB Excessive Impact Load Broken Cone Cracked Cone Broken, Worn, or Lost Teeth Coring

LN - Lost Nozzle

LOST NOZZLE LN]

[IADC

Possible Causes:

• Improper Nozzle Installation • Mechanical Damage To The Nozzle • Mechanical Damage To the Nozzle Retention System

• Erosion • Wrong Nozzle Type

LT - Lost Teeth

LOST TEETH LN] Possible Causes:

• Erosion • Excessive WOB • Excessive Hours • Cracked Cone • Broken Cone • Drilling Environment (H2S, Corrosion)

[IADC

OC – Off-Center Wear

OFF-CENTER WEAR OC]

[IADC

Possible Causes:

• Inadequate WOB • Slow ROP • Inadequate Stabilization • Formation Change From Brittle To Plastic

• Motors or Steerable Systems • Overbalanced Drilling Conditions

PB – Pinched Bit

PINCHED BIT

[IADC PB]

Possible Causes:

• Forced Into An Under Gauge Hole • Forced Into An Undersized BOP Stack

• Forced Into Casing That Does Not Drift To The Bit Size Used

• Bit Pinched In The Bit Breaker

PN - Plugged Nozzle

PLUGGED NOZZLE PN]

[IADC

Possible Causes:

• Pumped Foreign Material • Lost Circulation Material • Formation Plugging • Jamming Bit Into The Bottom Of The Hole With The Pumps Off

RG - Rounded Gauge

ROUNDED GAUGE RG]

[IADC

Possible Causes:

• Reaming An Under Gauge Hole • Improper Bit Selection • Excessive RPM • Off-Centre Wear • Formation

SD - Shirttail Damage

SHIRTTAIL DAMAGE SD] Possible Causes:

• • • • • • • •

Run On Junk Reaming An Under Gauge Hole High-Angle Deviated Holes Off-Center Wear Inadequate Hydraulics

Inadequate Stabilization Pinched Bit Rounded Gauge

[IADC

SS - Self Sharpening Wear

SELF-SHARPENING WEAR [IADC SS] Possible Causes:

• Normal Dull Condition For Tooth Bits Without Full Tooth Coverage

• Leading Flank Hardmetal Wears Off Faster Than The Trailing Flank Resulting In A Sharp Cutting Edge

TR - Tracking

TRACKING

[IADC TR]

Possible Causes:

• Formation Changes From Brittle To Plastic

• Uneven Weight Transfer • Overbalanced Drilling Condition

WO - Washed Out Bit

WASHED OUT (BIT) WO] Possible Causes:

• Welder • Welding Material

• Fatigue On The Weld

[IADC

WT – Worn Teeth

180

WORN TEETH WT] Possible Causes:

• • • • • • • •

Inadequate WOB Improper Bit Selection Excessive RPM Excessive Hours Inadequate Hydraulics Tracking Flat-Crested Wear Self Sharpening Wear

[IADC

NO WEAR OR DAMAGE [IADC NO] • Cutting Structure Not Graded Higher Than “0”

• No Signs Of Any Other Dulling Characteristics

SEAL EFFECTIVENESS All dynamic seals leak.

Elastomer Design Constituents • Shape • Interface • Material • Hardness • Lubricity • Abrasion Resistance • Reactivity

• Squeeze

SEAL FAILURE Possible Causes:

• Excessive Hours • Excessive RPM or WOB • Uneven Loading • Gauge Loading • High Temperatures • Inadequate Hydraulics

Journal Angle Offset

Weight on Bit

Depth

Tooth Placement

Flow

Formation (Torque)

Bearing Life Hole Condition

Sliding & Rotating

BHA Dynamics

Cut. Str. Condition

Abrasives

RPM

Seal Wear

• Contact Stress  Magnitude  Concentration • Sliding Speed • Temperature • Contamination

Bit Size

Bearing Failure

186

BEARING FAILURE Possible Causes:

• Excessive Hours • Excessive RPM or WOB • Uneven Loading • Gauge Loading • Inadequate Hydraulics • Seal Failure

Identificación de las Aletas en Barrenas PDC Para Identificar: - Buscar el cortador que se encuentre hacia el eje central de la barrena.

- Entonces ésta sera la aleta número 1. - Se continua numerando las aletas de las barrenas en direccion a las manecillas del reloj

189

Identificación de las Aletas en Barrenas PDC

Blade #1

Blade #6

Blade #2

Blade #5 Blade #3

Blade #4

PARTES BARRENA PDC

BOND FAILURE

[IADC BF]

The assembly has failed at the surface where the PDC was bonded to the long substrate. This leaves a clean, smooth surface.

Note: Applies only to PDC bits

BOND FAILURE

[IADC BF]

Possible Causes:

•

Manufacturing Problem (L.S. Bonding)

•

Vibration may initiate damage, but inherent defect

•

Overheating (fluid starvation, low flow, large wear flats)

BROKEN POST

[IADC BT]

The post has suffered an irregular break.

BROKEN POST

[IADC BT]

Possible Causes:

•

Bit / BHA Whirl

•

Other vibration

•

Junk

•

Drilling into an ultrahard rock (e.g. chert)

BROKEN SUBSTRATE

[IADC BT] A significant part of the cylinder or post is missing.

BROKEN SUBSTRATE

[IADC BT]

Possible causes:

•

Whirl and/or Stick-Slip

•

RPM too high

•

Flow Rate too low

•

Formation too hard and/or abrasive for the bit design

•

Bit kept in hole too long

BROKEN CUTTER

[IADC BT]

The assembly exhibits a break which passes through the diamond table and into the support.

BROKEN CUTTER

[IADC BT]

Possible Causes:

•

Severe vibration, most commonly whirl

•

Anything which can inflict massive impact loading

DELAMINATION

[IADC BT/CT] All or part of the diamond layer has come clean away from the TC substrate.

DELAMINATION

[IADC BT]

Caused by the difference in thermal expansion rates of the Polycrystalline Diamond Layer and the Tungsten carbide support.

In order to understand this fully, you have to know the basics on how a Polycrystalline Diamond Compact (PDC) is made

BALLED UP

[IADC BU] The waterways and or junk slots are locally or totally plugged . This is usually Formation, but may be cement, plug debris or even junk.

BALLED UP

[IADC BU]

Possible causes:

•

Poor bit hydraulics when drilling reactive clays with WBM

•

Poor mud characteristics

•

Flow Rate too low

•

Too much WOB / Bit “spudded” after connection/trip

•

Improper Bit selection for application– Volume too small

CORED

[IADC CR]

The cutting structure in the center of the bit has been removed.

CORED

[IADC CR]

Possible causes:

•

Junk

•

Conglomerate, Chert or Pyrite

•

Formation too hard and/or abrasive for the bit design

•

Impregs – insufficient WOB when run on motor

CHIPPED CUTTER

[IADC CT]

Part of the diamond table and/or the TC substrate, away from the wear flat, exhibits a sharp and irregular fragmentation.

CHIPPED CUTTER Possible Causes:

• • •

VIBRATION!!!!! VIBRATION!!!!!

VIBRATION!!!!!

[IADC CT]

EROSION

[IADC ER]

The erosion may be the steel bit body or may even be the tungsten carbide substrates of the cutters.

EROSION

[IADC ER]

Possible causes:

•

Flowrate too high

•

Too much solids/sand in mud

•

Lot of sand in interval drilled–poor solids control equipment

•

Hydraulic energy at bit too high

•

Can be associated with plugged nozzles/waterways

HEAT CHECKING

[IADC HC]

The Tungsten Carbide of the cutter substrate or the Matrix bit body exhibits very fine microfractures.

HEAT CHECKING

[IADC HC]

Possible causes:

•

Whirl and/or Stick-Slip

•

RPM too high

•

Flow Rate too low

•

Formation too hard and/or abrasive for the bit design

•

Bit kept in hole too long

JUNK DAMAGE

[IADC JD] Massive catastrophic damage to the cutting structure and/or gauge pads and/or bit body. Check for rust marks on Matrix bodied bits.

JUNK DAMAGE

[IADC JD]

Possible causes:

•

What are the common sources of “junk” downhole?

LOST NOZZLE

[IADC LN]

The Bit is pulled with 1 or more of the nozzles missing.

LOST NOZZLE

[IADC LN]

Possible causes:

•

Severe downhole vibrations

•

Poor initial installation – improperly seated

•

Poor initial installation – not tight enough

•

Poor initial installation – too tight, retainer cracked

•

O-ring failure / no or incorrect O-ring installed.

BRAZE FAILURE

[IADC LT]

The cutter assembly has gone, leaving an empty pocket

BRAZE FAILURE

[IADC LT]

Possible Causes:

•

Manufacturing / Repair Problem

•

Bit / BHA Whirl

•

Other vibration

PLUGGED NOZZLE

The port or nozzle is plugged with extraneous material.

[IADC PN]

PLUGGED NOZZLE

[IADC PN]

Possible Causes:

•

Poor mud properties / mixing at surface

•

Bit “spudded” on-bottom

•

Reverse circulation / “U-Tubing” effect

•

Nozzles or ports too small to handle mud additives

•

Downhole tool failure – motor “chunking”

RING OUT

[IADC RO] All or most of the assembly is missing. This could be, for example, due to wear, mechanical damage or even erosion.

RING OUT

[IADC RO]

Possible Causes:

•

Formation

•

Incorrect Operating Parameters (WOB, RPM, Flow)

•

Excessive Bit Hydraulics / Mud properties

•

The “V” word (again)

WASHED OUT (BIT)

[IADC WO]

The bit has suffered a failure so that fluid can pass from the inside to the outside bypassing the nozzles/ports..

WASH OUT (BIT) Possible Causes:

•

Manufacturing defect

•

Jarring on stuck bit?

[IADC WO]

WORN TEETH

[IADC WT]

Cutter exhibits normal wear.

WORN TEETH

•

•

[IADC WT]

This is how a PDC cutter should look – this is abrasive wear

No mechanical damage to the Diamond Layer or TC substrate

NO WEAR OR DAMAGE [IADC NO]

Cutter exhibits no wear or damage.

NO WEAR OR DAMAGE [IADC NO]

•

The cutter shows no evidence of wear or damage

CT

BT

BT & LT

RO

WT

No Code – Broken Blade

PN

CR

ER and LT