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Perforación II

VII Feria Academica TRÉPANOS

1. INTRODUCCIÓN Es la herramienta clave para el ingeniero de perforación: su correcta selección y las condiciones óptimas son las dos premisas esenciales para lograr éxito en el proceso. 2. DEFINICIÓN El trépano es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotatoria. Su función es la de perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión y de la rotación del trepano. En el sistema rotario de perforación, el agujero se hace bajando la sarta de perforación, el agujero se hace bajando la sarta de perforación hasta que el trepano toca o se acerque al fondo del agujero.

3. TIPOS DE TREPANOS Los diferentes tipos de trépanos dependen del tipo de formación que perforará el trepano. Por ejemplo, las barrenas para formaciones blandas, que requieren poco peso, tienen los cojinetes más pequeños, menor espesor de conos y la sección de las patas más delgadas que el de las barrenas para formaciones duras. Eso permite más espacio para dientes largos. Las barrenas para formaciones duras, que deben perforar bajo grandes pesos, tienen elementos de corte más robustos, cojinetes más grandes y cuerpos más vigorosos. Los tipos de barrenas más utilizados para la perforación de pozos petroleros, así como el empleo de barrenas para operaciones especiales, se clasifican genéricamente de la siguiente manera:

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Trépanos triconicos Trépanos de cortadores fijos Trépanos especiales

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Perforación II 3.1.

VII Feria Academica Trépanos Tricónicos Los trépanos triconicos tienen tres conos cortadores que giran sobre su eje, por su estructura de corte se fabrican de dientes de acero y de inserto de carburo de tungsteno.

Trepano de dientes de Acero

Trépanos de Inserto

Actualmente los trépanos triconicos solo son usadas en las primeras etapas de la perforación.

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VII Feria Academica Unas de las situaciones que deben tomarse en cuenta para una correcta instalación de los trépanos triconicos, es su apriete, ya que un apriete excesivo, puede fracturar el piñón, por otro lado un apriete deficiente, puede ocasionar la pérdida del trepano en el fondo del pozo.

3.1.1. Partes del Trépano Triconico

Estos trépanos tienen tres elementos: los cortadores (o sea los conos), los cojinetes y el cuerpo. 

Los Cortadores Los elementos cortadores de las mechas tricónicas son hileras circunferenciales de dientes que sobresalen en cada cono y que entrelazan con las hileras de dientes de los conos adyacentes. Estos se maquinan a partir de forjas de acero o se prefabrican de material más duro de carburo de tungsteno. Los dientes pueden ser de gran variedad de formas y 70 tamaños, según sea la aplicación a la cual se destine la barrena. Su función es la de moler y/o excavar la roca a medida que gira la mecha.

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VII Feria Academica La acción de moler se debe al alto peso que se aplica sobre la barrena y que hace penetrar los dientes en la formación a medida que giran los conos de la mecha. Las fuerzas predominantes hacen que los conos giren alrededor de un eje que no sea el suyo propio, o sea alrededor del eje geométrico de rotación, ocasionalmente los conos de la mecha resbalan o arrastran en el fondo del pozo generando así un mecanismo de corte por arrastre, el cual se suma al efecto moler. 

Los Cojinetes Los cojinetes le permiten a los conos girar alrededor del cuerpo del trepano, son sellados y lubricados para asegurar su más larga duración efectiva bajo condiciones adversas pozo abajo. Los elementos de los cojinetes reciben la carga uniformemente, cosa que permite usar altas velocidades de rotación y aplicar altos pesos sobre el trepano. Dentro del cuerpo del trepano hay un depósito sellado de grasa, desde el cual se lubrican los cojinetes.

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El Cuerpo Al cuerpo del trepano (de acero, de tres forjas separadas), se le puede poner un revestimiento más resistente a la erosión. En el extremo de la mecha está la espiga de 71 norma API para conectarla con la sarta de perforación. El cuerpo tiene también boquillas situadas entre cono y cono, las cuales descargan el lodo de perforación que limpia y enfría la barrena.

3.1.2. Aplicaciones de los Trépanos Triconicos En muchos casos, las trépanos tricónicas y las de PDC se pueden usar en las mismas aplicaciones especialmente las de tamaño más grande tipo de dientes fresados, para perforar con motor pozo abajo, así como las barrenas e insertos y de alta velocidad. Generalmente, las barrenas de conos de rodillos perforan más lentamente que las de PDC y duran menos. Sin embargo, su costo es más bajo que el de las de PDC. La decisión acerca del tipo de trepano que debe usarse frecuentemente se hace a base del análisis del costo por pie de perforación, tal como se produce para comparar un trepano de PDC con otra.

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VII Feria Academica Los factores de aplicación tendientes a favorecer el uso de trépanos de conos de rodillos por sobre las de PDC son: 

Pozos exploratorios En los que no hay suficiente información para determinar si las formaciones por perforarse son demasiado duras para trepanos de PDC. Otro factor que las hace preferibles a las de PDC en este tipo de pozos es el tamaño de los recortes (ripio). A veces los geólogos prefieren que no se usen trepanos de PDC en formaciones potencialmente productoras porque las partículas del ripio suelen ser mucho más pequeñas de las que generan las de conos de rodillos.



Situaciones de alto riesgo En las que se corre el peligro de que se dañe la barrena (por ejemplo, cuando se perforan a través de equipo de cementación que puede contener piezas de metal).



Áreas de bajo costo de perforación Donde el costo del tiempo que se ahorra perforando con barrenas más rápidas de PDC no es suficiente para justificar su alto costo.

3.2.

TRÉPANOS DE CORTADORES FIJOS Los trépanos de cortadores fijos son cuerpo compactos sin partes móviles, con diamantes naturales o sintéticos incrustados parcialmente en su superficie inferior y lateral que trituran la formación por fricción o arrastre. Los trépanos de diamantes son mucho mas sensibles a la naturaleza del fluido de perforación que los trepanos cortantes, sin embargo, una desventaja de esta es su fragilidad. Si se quedan en el fondo del agujero recortes, astillos o rebadas de los dientes de un trepano de rodillos y caen debajo de ella al girarla causaran un falla rápidamente. Por eso es indispensable lavar el fondo del agujero con circulación de lodos, todos y cada una de las veces que el trepano de diamante se coloca en el fondo.

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VII Feria Academica Los trépanos de cortadores fijos se clasifican en: -

Trépanos de Diamante Natural

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Trépanos de diamante térmicamente estable (TSP)

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Trépanos compactas de diamante Policristalino. (PDC)

3.2.1. Trépanos de Diamante Natural

Las barrenas de diamante natural, tienen un cuerpo fijo cuyo material puede ser de matriz o de acero.

El tipo de cortadores es de diamante natural incrustado en el cuerpo del trepano, con diferentes densidades y diseños como se clasifican en el código IADC.

El uso de estas barrenas es de limitado en la actualidad salvo en casos especiales para perforar formaciones muy duras, y cortar núcleos de formación con coronas de diamante natural; otro uso práctico es la aplicación de barrenas desviadoras (Sidetrack), para desviar pozos en formaciones muy duras y abrasivas.

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3.2.2. Trépanos de Diamantes Térmicamente Estable (TSP) El diseño de las barrenas de diamante térmicamente estable (TSP), al igual que las de diamante natural es de un solo cuerpo sin partes móviles. Son usadas para perforación de rocas duras como caliza dura, basalto y arenas finas duras, entre otras. Son un poco más usadas para la perforación convencional que las barrenas de diamante natural. El uso de las barrenas TSP también es restringido porque, al igual que las de diamante natural, presentan dificultad en su uso por restricciones de hidráulica. Así las vías de circulación están prácticamente en contacto directo con la formación y, además, se generan altas torsiones en la tubería de perforación por la rotación de las sartas, aunque en la actualidad se pueden usar con motores de fondo. Estas barrenas también tienen aplicación para cortar núcleos y desviar pozos cuando así lo amerite el tipo de formación.

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3.2.3. Trépanos Compactos de Diamante Policristalino Su diseño de cortadores está hecho con diamante sintético en forma de pastillas (compacto de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la barrena, pero a diferencia de las barrenas de diamante natural y las TSP, su diseño hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas tricónicas. El mecanismo de corte de las barrenas PDC es por arrastre. Por su diseño hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda y, además, por los buenos resultados en la perforación rotatoria, este tipo de barrena es la más usada en la actualidad para la perforación de pozos petroleros. Estas barrenas pueden ser rotadas a altas velocidades, utilizadas con turbinas o motores de fondo, con diferentes pesos sobre barrena, tienen alta resistencia, así como fácil manejo según las condiciones hidráulicas.

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Perforación II 3.3.

VII Feria Academica TRÉPANOS ESPECIALES Las Trépanos de chorro desviadoras a veces se emplean en la perforación direccional de formaciones blandas durante operaciones de desviación del agujero. La tubería de perforación y el trepano especial son bajadas dentro del agujero; y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión a las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en una dirección específica. Una barrena considerada para trabajar en condiciones especiales es el trepano para perforar con aire. Los trépanos de chorro de aire están diseñadas para las perforaciones con aire, gas o neblina, como medio de circulación. Estas barrenas están provistas de conductos para circular parte del aire, gas o neblina a través de los cojinetes no sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios. Los filtros de tela metálica colocados sobre la abertura de la entrada de aire evitan que los ripios u otras materias extrañas obstruyan los cojinetes. Además, existen otros tipos de trepanos especiales que, como su clasificación lo indica, se usan para operaciones muy específicas y, por lo tanto, no se considera su análisis económico comparativo para su aplicación directa. Entre estas se pueden mencionar los trepanos ampliadoras, las trepanos para cortar tuberías de revestimiento, trepanos para perforar diámetros demasiado grandes o pequeños, con aplicación de tubería flexible, etc.

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4. SELECCIÓN DE TREPANOS

4.1.

Criterios de selección de Trepanos • Rendimiento • Direccional. • Economía. • Fluidos de perforación. • Energía Hidráulica • Pozos Profundos • Aplicaciones con Motores • Tipo de roca

4.2.

Selección Por Medio De Registros Geofísicos Los registros geofísicos de los pozos son una importante fuente de información sobre las características de las formaciones que se perforan en un pozo. Existe una gran variedad de registros, cada uno diseñado para medir diferentes propiedades de las rocas. Los registros necesarios son: • Registro de Neutrones • Registros de Rayos Gama • Registro Sonico • Registro de Densidad

4.3.

Selección En Función De La Formación Que Se Va A Perforar La primera y más importante tarea para seleccionar y utilizar un trepano en una aplicación específica a realizar la completa descripción de las formaciones que se han de perforar. El conocimiento de sus propiedades físicas puede demostrar algunos indicativos sobre el tipo de barrena que se debe seleccionar en intervalos determinados. Si la formación es muy elástica, tiende a deformarse cuando se comprime en lugar de fracturarse. Aunque la roca tenga resistencia a la compresión relativamente baja, es posible que la barrena no genere recortes fácilmente. En estas situaciones cuando se perfora con barrenas PDC se recomienda cortadores grandes. Los trepanos PDC se desarrollaron primordialmente para perforar formaciones sedimentarías blandas a medianas que antes se perforaban con barrenas de dientes fresados y con barrenas con inserto de carburo de tungsteno. En estas formaciones blandas, los trepanos PDC, han logrado ritmos de penetración hasta tres veces mas altos que con barrenas de rodillos.

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VII Feria Academica La siguiente lista resume los principales tipos de formaciones, en orden decreciente de dificultad para perforarlas. Las formaciones que se consideran aptas para perforarse con barrenas PDC son las de tipo 1 a 7, si bien en ciertas aplicaciones se pueden usar para perforar areniscas blandas (tipo 8) y algunas evaporizas (tipos 9, 10 y 11). Las formaciones de tipo 12 o de números más altos aun no se pueden perforar con barrenas PDC.

1. Arcilla 2. Barro compacto ( mudstone) 3. Marla 4. Evaporita 5. Yeso 6. Lutita 7. Limo 8. Arenisca 9. Anhidrita 10. Caliza 11. Dolomita 12. Conglomerado 13. Horsteno 14. Rocas volcánicas.

4.4.

Factores Que Afectan El Desgaste De Las Barrenas

Los factores que afectan el desgaste de las barrenas se pueden dividir en: geológicos, operativos de manejo y de transporte. Los dos últimos parámetros pueden obviarse; pero el primero debe ser bien estudiado antes de definir el tipo de barrena que se va utilizar. Esto permitirá minimizar el desgaste y determinar su rendimiento de operación sobre las formaciones que se van a perforar. 

Factores Geologicos

El factor más importante para la selección y operación de una barrena es el conocimiento de geología del sitio que se va a perforar; es decir las propiedades físicas de la formación, entre las que se pueden mencionar: • Abrasividad • Resistencia a la Comprensión • Pegajosidad • Elasticidad Página 11

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Factores Operativos

Estos factores deben ser diseñados de acuerdo con la geología por atravesar y con la geometría del aguajero. Pero ser modificadores en el campo en función del desempeño. A continuación se mencionan los principales factores operativos así como las consecuencias inherentes a una inadecuada selección. • Peso sobre barrera (WOB) • Velocidad de Rotación • Limpieza en el fondo del pozo 

Factores Por Manejo – Transporte

Sin importar el tipo de trepano, de conos o de diamante, debe tratarse bajo ciertos cuidados, se debe remover de su embalaje y colocarse sobre madera o alguna alfombra de caucho, nunca se debe rodar una barrena sobre la cubierta metálica del piso de perforación porque en el caso de las barrenas de diamante los cortadores son muy frágiles y pueden astillarse fácilmente. Si la barrena se deja caer por descuido y se rompen algunos dientes o cortadores es posible que se acorte drásticamente su duración.

4.5.

Determinación Del Costo Por Pie (Aspecto Económico)

Aunque representan apenas una fracción del costo total del equipo, las barrenas pueden ser uno de los elementos más críticos para calcular el aspecto económico de la perforación. El método aceptado para evaluar el rendimiento económico de una barrena consiste en calcular el costo por pie de perforación. Puesto que el trepano de PDC es mucho más cara que la de rodillos cónicos, la de PCD debe justificar su costo más alto, ya sea perforando más rápidamente y/o perforando más pies.

4.6.

Problemas Comunes De La Barrena Al No Perforar

Varias son las situaciones que requieren sacar la barrena del pozo, aunque no sea para cambiarla inmediatamente. Página 12

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Boquillas Taponadas

El repentino aumento de presión del tubo vertical (standpipe) y de las bombas del lodo durante la perforación se debe ocasionalmente al bloqueo de una boquilla de la mecha. Siempre que eso no ocasione otro problema y que la mecha siga perforando sin que varíe su régimen de penetración bajo los mismos parámetros, anote el incidente pero siga perforando. Si más de una boquilla se tapa, el problema suele ser más serio y tal vez sea necesario sacar la mecha para limpiar. Antes de sacar la sarta, levántela ligeramente del fondo y siga circulando al máximo durante unos 5 minutos. Seguidamente suba la Top Drive y luego déjela bajar rápidamente para destapar las boquillas. 

Embolamiento De La Barrena

Las mechas se embolan generalmente cuando se perforan formaciones blandas y pegajosas (hidratarlas) con lodo de base de agua. Algunas formaciones, tales como ciertas lutitas, reaccionan con el agua que contienen el lodo se hinchan considerablemente y se tornan pegajosas. Los recortes (ripio) resultantes de la perforación de las formaciones hidratables se adhieren a la barrena y acaban por tapar completamente todos los orificios de descarga del fluido de perforación e incluso llegan a cubrir los cortadores PDC, inutilizando temporalmente la mecha. Este fenómeno suele caracterizarse generalmente por la disminución de la torción de rotación, la baja del régimen de penetración y frecuentemente el aumento de presión del tubo vertical (standpipe). A veces es posible limpiar (destapar) la mecha circulando el lodo a regimenes altos con el fin de “sacudir” los ripios que se pegaron. Desafortunadamente, estos incidentes tienden a repetirse. Una alternativa para mantener limpia la barrena consiste en reducir el régimen de penetración para que la barrena genere menos ripio (recortes) en un tiempo dado de perforación y reducir de ese modo el riesgo de que se obstruya. Si tal alternativa reduce el promedio del régimen de penetración a un nivel inaceptable es necesario sacar la mecha. En aplicaciones como ésta, lo probable es que se requiera una barrena especial, específicamente diseñada para perforar en esas condiciones.

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Perforaciones De Formaciones Duras

Cuando la mecha encuentra una formación más dura, la velocidad de rotación se debe reducir substancialmente pero manteniendo adecuado peso sobre la mecha para que ésta permanezca estable y evitar el “bit whirl” (efecto de remolino). Una vez establecido el adecuado patrón de corte en el intervalo de roca dura, optimice el peso sobre la barrena y la velocidad rotatoria para aumentar el régimen de penetración. 

Pérdida(S) De Boquillas(S)

La disminución de repente de la presión de bombeo, seguida por pequeña pero continua disminución indica que la erosión ha ocasionado la pérdida de por lo menos una boquilla. Suponiendo que no haya problemas en las bombas y demás equipo de la superficie relacionados con ellas, la mecha se tiene que sacar del pozo. Nunca trate de reparar una barrena de PDC en el sitio de obra. 

Desgaste De Los Cortadores

A la larga, los cortadores de PDC se desgastan. El desgaste, principalmente alrededor del radio de las boquillas, se detecta cuando bajan el régimen de penetración y la torsión en el fondo del pozo, a tiempo que aumenta la presión del tubo vertical (standpipe). El aumento de presión se debe al contacto de la cara de la barrena con la formación, con la consiguiente restricción del fluido de perforación.

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