Post on 21-Nov-2015
description
INGENIERIA PETROLERA Pgina 1
1 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
CAPITULO # 4 DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION
4.1. INTRODUCCION
La seleccin correcta de las brocas es un factor muy importante en el
planeamiento y en la ejecucin de un plan de perforacin. Una seleccin precisa y
acertada va a ayudar para lograr una perforacin (libre de problemas. AI efectuar
la seleccin se debern tener en cuenta los siguientes factores:
Costo de la broca.
Tipo de formacin a perforar
Costo diario de operacin
Sistema de lodos en uso
Una perforacin de costo mnimo depender de tres factores principales:
Seleccin del tipo adecuado de broca.
Un control certero y continuo de las condiciones de perforacin.
Seleccin de la combinacin ms adecuada de peso sobre la broca y RPM.
Las brocas de perforacin comenzaron a usarse y evolucionar a partir de los
comienzos del siglo presente.
Las primeras utilizadas eran de tipo de arrastre o tambin conocidos como de
"cola de pescado". Las primeras brocas rotatorias fueron desarrolladas y utilizadas
en 1920. La tecnologa de las brocas rotatorias se desarroll de una manera
explosiva a partir de entonces. En adicin las brocas de diamante y las de
diamante policristalino se desarrollaron tcnicamente de una manera rpida y
tienen un uso ms variado e intensivo.
Las brocas de diamante poseen un uso especializado y limitado en casos cuando
las brocas rotarias no resultan econmicas. Debido a (a gran dureza de los
diamantes y a su alta resistencia a la erosin, se pueden utilizar con xito para
perforar formaciones duras y abrasivas. En una adicin a este captulo se ver con
detalles el proceso de manufacturacin y seleccin de las brocas de diamante.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 2
2 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Las brocas de diamante policristalino o "stratapax" o PCD son la adicin ms
reciente a las brocas de perforacin. Se utilizan con gran xito en formaciones
blandas a semiblandas no muy abrasivas.
4.2. ANGULO DE LAS ESTRUCTURAS DE CORTE O OFFSET.
En este caso con un ngulo que se incrementa el eje del rodamiento se aleja de la lnea
central de la broca. AI aumentar este ngulo se busca que !os conos no rueden sobre el
mismo centro, buscndose un arrastre de los mismos para optimizar su efecto. Este
efecto es mximo en brocas de formaciones blandas y no existentes en brocas para
formaciones duras.
4.3. ESPECIFICACIONES METALRGICAS DE LOS COMPONENTES DE UNA
BROCA
Las brocas perforan al romper a la formacin generando cargas mayores a la fuerza
compresiva de la formacin. Por lo tanto todos los componentes de la broca deben ser
manufacturados con acero de alta calidad, resistente a la abrasin pero dctil al mismo
tiempo. Para lograr este propsito el acero se trata con carbn. Este proceso se denomina
carburizacin Mediante este proceso el acero se calienta a altas temperaturas, tratando a
la superficie con carbn, enfriando de inmediato al acero bruscamente. El procedimiento
va a endurecer a la superficie del acero de manera considerable. El acero que no ha sido
tratado, ya que el procedimiento es superficial, va a retener a la ductilidad original.
4.4. ESTRUCTURA DE CORTE DE LA BROCAS
Las tres piernas y los rodamientos poseen las mismas caractersticas en todo tipo
de brocas pero la estructura de corte, es decir el diseo de los conos y de los
dientes va a cambiar de acuerdo al tipo de formaciones que se debern perforar.
De acuerdo a ello podemos clasificar a las brocas en dos amplias categora:
Brocas con dientes de acero.
Brocas con dientes de insertos.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 3
3 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
4.5. BROCAS DE DIENTES DE ACERO
Los dientes se fabrican del mismo material que los conos en la fundicin y son una
sola unidad. Se disea la broca de una forma que exista un cierto balance entre
los tres conos, y las cargas aplicadas a la broca, se distribuyen de una manera
uniforme sobre los tres conos.
4.6. FORMACIONES BLANDAS
Requerirn un diseo de dientes largos, reducidos en nmero, y agudos. La hilera
interna tendr un tratamiento de carburo para endurecerlos para mayor resistencia
a la abrasin.
E1 dimetro y tamao de los rodamientos es reducido ya que estas brocas no
requieren la aplicacin de altos pesos sobre la broca. En este diseo se maximiza
la accin de pala que ya fuera mencionado.
4.7. FORMACIONES MEDIAS
El dimetro de los rodamientos se ve incrementado ya que se aplicarn mayores
pesos sobre la broca. El offset de los conos se reduce un poco para minimizar el
efecto del arrastre de los conos sobra la formacin. Los dientes aumentan en
nmero y se disminuyen en tamao para incrementar a la fuerza de los mismos.
4.8. FORMACIONES DURAS
Para perforar este tipo de formaciones se requiere el uso de pesos elevados sobre
la broca. Los dientes no penetran a la formacin sino que van a fracturarlos
mediante accin mecnica. Los dientes son numerosos, pequeos y robustos para
aceptar las altas cargas que se deben aplicar. Los dimetros de los rodamientos
son ms elevados y no hay offset de los conos.
1. Brocas de insertos
Originalmente fueron desarrolladas para formaciones duras y abrasivas. En estas
brocas los dientes son de carburo de tungsteno insertados a presin en agujeros
perforados para este propsito en los conos. Estos dientes perforan con mucho
INGENIERIA PETROLERA Pgina 4
4 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
xito formaciones duras y fracturables. No poseen la misma efectividad en
formaciones duras pero plsticas.
De acuerdo al diseo los rodamientos de las brocas pueden ser sellados o no
sellados. Los no sellados son aquellos donde se utiliza al fluido de perforacin
para lubricar a los rodamientos. Obviamente al no ser el lodo el lubricante ideal la
vida util de estas brocas es reducida.
Los rodamientos sellados se hallan protegidos del lodo y se hallan lubricados por
aceite. En este tipo de brocas hay un reservorio de lubricante en la pierna, son un
sistema de balance de la presin externa e interna.
4.9. LOS DIAGRAMAS ILUSTRAN ESTO:
El desarrollo del rodamiento tipo jornal y de las brocas de dientes con insertos
revolucion a la industria. Se mejorarn las penetraciones en una forma notable, al
poder aplicarse mayores pesos sobre la broca., Tambin se aument
considerablemente la vida til de las brocas reducindose de una forma dramtica
el nmero de trpanos a utilizar por pozo. Como consecuencia los costos de
perforacin han sido drsticamente reducidos.
4.10. SELECCIN DE BROCAS DE PERFORACIN
A pesar de ser uno de los elementos ms baratos se utilizan en una operacin
una seleccin inapropiada de la broca puede incrementar los costos de
perforacin de una forma notable. Para facilitar el procedimiento de la seleccin y
para unificar el criterio para la clasificacin de las brocas el IADC adapto un
standard para la clasificacin. Esta clasificacin elimin la confusin reinante en
diferentes reas referente a la seleccin de brocas. El IADC considera un nmero
de tres dgitos para clasificar a las brocas. Siendo:
1. Dientes de acero o de insertos.
2. Tipo de formacin.
3. Caractersticas mecnicas especiales.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 5
5 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
El primer dgito clasifica a la estructura de corte de la broca. De 1 a 3 corresponde
a brocas de dientes de acero y de 5 a 8 describe a brocas de insertos. El segundo
dgito que se denomina tambin como tipo, va de 1 a 4 y describe la dureza de la
broca dentro de los grupos establecidos por el primer dgito. El tercer dgito
establece las caractersticas especiales de las brocas. Un resumen de esta
clasificacin se halla en la tabla adjunta. De acuerdo a esta clasificacin una broca
5-1-7 sera una broca de insertos diseada para perforar formaciones blandas, es
sellada y tiene insertos para proteger al calibre.
4.11. CORRELACIN DE FORMACIONES DE CLASIFICACION IADC
A . Formaciones blandas de baja fuerza compresiva
1. Lutitas muy blanda y de alta permeabilidad.
2. Lutitas blandas
3. Lutitas Limoliticas
4. Lutitas Limoliticas
B. Formaciones mdias a media dras,
1. Limolitas lutiticas con alta fuerza compresiva.
2. Limolitas luititcas.
3. Limolitas medias
C .Formaciones duras semi abrasivas
1. Limolitas duras o abrasivas.
2. Limolitas y dolomitas.
3. Dolomitas duras
D. Para usos futuros
1. Limolitas duras.
2. Limolitas y dolomitas.
3. Dolomitas duras Brocas de Insertos
INGENIERIA PETROLERA Pgina 6
6 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
E. Formaciones blandas a medias de
1. Lutitas muy blandasalta fuerza compresiva.
2. Lutitas y arenas blandas.
3. Lutitas medias
F. Formaciones medias a durs de alta
1. Limolitas y lutitas fuerza compresiva medias
2. Arenas medias
3. Arenas y lutitas duras
G. Formaciones duras y abrasivas
1. Lutitas y dolomitas duras.
2. Arenas duras.
3. Dolomitas duras
H. Formaciones muy duras y abrasivas
1. Chert duro.
2. Chert muy duro.
3. Granito.
2. Brocas de Dientes de Acero (Mill Tooth Bits)
4.12. FORMACIN BLANDA
Corresponde a los rangos IADC 111 al 149, son caracterizados por dientes largos,
ampliamente espaciados. Los dientes penetran con facilidad en las formaciones
blandas, debido a su longitud y esbeltez. El espaciamiento amplio va a evitar que
la broca se llene de recortes y pierda de esta manera la eficiencia d su estructura
de corte. Estas brocas perforan por el efecto de pala mencionado. Penetran la
formacin profundamente y la remueven en pedazos grandes. Los conos como lo
ilustra el diagrama poseen un offset mximo.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 7
7 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Formaciones Medias
Correspondiente a los rangos IADC 211 al 249, tienen los dientes ms robustos,
ms numerosos y menos espaciados. El offset de los conos es ms reducido.
Rangos IADC 611 al 649, poseen insertos ms pequeos, y con menos espaciamiento.
Los insertos son cnicos, y robustos. Los requerimientos de RPM y WO a son mayores
que para formaciones blandas.
4.13. FORMACIONES DURAS
Rangos IADC 711 al 749. Los insertos son cortos, fuertes y redondeados. Los conos
tienen poco o nada de offset, y se requieren altos pesos y reducidos RPM para este tipo
de brocas. Las brocas para formaciones muy duras corresponden a (os rangos 811 al 849
y requieren bajos RPM y altos W0B.
Como regla general las brocas de dientes de acero se utilizan para perforar
formaciones blandas y poco consolidadas que se encuentran a profundidades
reducidas. Se operan a altos RPM y bajo WOB. Los RPM aplicados oscilan entre
60 - 180. Si estas brocas se aplican con motores hidrulicos las revoluciones
pueden llegar a 300 mientras (os valores de peso sobre la mecha son reducidos.
Las brocas de insertos por lo general requieren bajos RPM, 40 - 60 con elevados valores
de peso sobre la broca o WOB. Los ltimos avances en la tecnologa permiten la
utilizacin de brocas de insertos para formaciones blandas con valores de RPM que son
comparables a las brocas de dientes.
4.14. ANLISIS DE COSTO
Como consecuencia de perforar constantemente pozos de mayor profundidad las brocas
nuevas pueden perforar por ms tiempo, bajo condiciones ms adversas, ahorrando de
esta manera tiempo de taladro y reduciendo el nmero de cambios de broca a un mnimo.
De esta manera la forma tradicional de evaluar la performance de una broca basado en:
- Pies perforados
- Penetracin
INGENIERIA PETROLERA Pgina 8
8 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
- Horas rotando ha perdido su validez. Lo que cuenta es el costo por pie.
De acuerdo a ello para poder hacer una decisin inteligente referente a que tipo de broca
se debe utilizar cuando se debe cambiar una que se est utilizando se debe hacer un
anlisis detallado del costo por pie que la broca est produciendo. La gran variedad de
brocas de diferente diseo facilita al proceso.
Perforacin de costo mnimo tiene una gran importancia, y el costo total de una
operacin va a estar estrechamente asociado a la eleccin certera de la broca que
se va utilizar. La ecuacin general para calcular costo por pie es como sigue:
Costo $/pie =
Costo del equipo por hora x (Tiempo de perforacin +Tiempo de Viaje)x Costo de la Broca
Pies perforados
Ejemplo:
Costo Equipo = 400/hora
Valor de viaje = 1000
Broca N Costo Broca Pies Horas Penetracin $/Pi Profundidad
.
14 950 264 ' 18,5 14,30 43,06 7547
15 3145 963 76 12,70 38,37 8510
Broca N 14
$/pi = 400$/Hr (1 8, 20 Hr + 7,55 Hr )+ 950$ = $43,06 pi
264 pies
Broca N 15
$/ pi = 400 + (76 + 8,51) + 31 45 = $38,37 /pi
963
INGENIERIA PETROLERA Pgina 9
9 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Toda comparacin debe ser hecha utilizando a las brocas en el mismo tipo de
formacin. En este caso la broca N 14 brind una mejor penetracin y es de
menor costo, pero el costo por pie es claramente favorable a la broca N 15.
Cul broca recomendara para ser utilizado a los 8000 pies basado en los
siguientes datos.
- Costo de las brocas: $2900.
- Costo del equipo: $2500/hora
- Velocidad del viaje: 1000 pies/hora
Broca Profundidad Pies Horas Penetracin
Costo/pies
1 -2-4 8400 400 20 20
1 -2-4 8760 360 21 ,25 1 6,9
1 -2-4 9080 320 1 6,40 1 6,40
5-1 7 9120 1120 68 1 2,30
Costo de esta broca es de $4900
Factores que Afectan a la Penetracin
La penetracin es el ndice de performance ms significativo de una broca y va a
afectar al costo de la operacin., El costo por pie es tres veces ms sensible a la
penetracin que a la vida til de la broca. Los mayores factores que afectarn a la
penetracin son:
1. Sobrebalance
2. Peso sobre la broca
3. RPM
4. Diseo y seleccin propia de la broca.
5. Propiedades del lodo.
6. Optimizacin hidrulica
INGENIERIA PETROLERA Pgina 10
10 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Todos estos factores actan de una forma ntegra y compleja, para determinar a la
penetracin en cada situacin.
La mecnica bsica de perforacin al usar una broca consiste en ampliar una
carga axial de suficiente magnitud como para exceder a la fuerza compresiva de la
roca fracturndola. Los dientes de la broca causan pequeos crteres, fracturando
a la roca y removiendo la formacin en fragmentos. Mayor RPM va a crear mayor
nmero de crteres en un perodo de tiempo dada. Es claro que la remocin de los
fragmentos creados es esencial para lograr una penetracin buena.
Por lo tanto podemos relacionar la penetracin a dos procesos:
1. La cantidad de recortes que se originan
2. Cantidad de recortes que se remueven
Una incremento de las revoluciones y del WOB aumentar a la cantidad de
recortes que se generan, lo mismo que la penetracin. Sin embargo si los recortes
no son removidos a una velocidad constante una cantidad de los mismos va a
permanecer en el fondo del hueco. Cuando ello ocurre el fondo del hueco se halla
lleno de recortes y parte del peso aplicado sobre la broca caer sobre los conos.
Obviamente ello reducir a la penetracin.
4.15. PRESIN DE SOBREBALANCE
Es la diferencia entre la presin hidrosttica de la columna de lodo y la presin de
formacin. En formaciones impermeables la migracin del filtrado a la formacin
es muy lenta, pero en formaciones permeables puede ser significante. Una
diferencia de presin excesiva va a ejercer una fuerza sobre los recortes
dificultando su remocin. Esta fuerza acta de una forma idntica a la presin
diferencial. Este fenmeno se denomina "chip hold down" y va a afectar a (a
penetracin de una forma negativa. Tambin esta presin diferencial va a
aumentar a la fuerza compresiva de la formacin que se est perforando. Como
consecuencia la fuerza necesaria para. romper es decir perforar a la formacin se
va a incrementar en una forma proporcional. En ensayos de laboratorio se han
perforado ejemplos de la lutita Mancos, con presiones de sobrebalance que
INGENIERIA PETROLERA Pgina 11
11 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
variaron de 0 - 4000 Ipc. Como consecuencia de ese incremento de la presin de
sobrebalance la fuerza compresiva de la formacin se vio incrementada de 9000 a
21 .000 lpc, o por un factor de 2,3. En las mismas condiciones la penetracin
disminuyo de 200 pies/hora con una presin diferencial de 100 Ipc a 8 pies/hora
con una diferencial de 4.000 Ipc, segun se ilustra en el grfico adjunto.
La figura indica que la penetracin es muy sensitiva a cambios en la presin de
sobrebalance a bajos valores y es insensible a valores altos. La penetracin
decrece de 200 pies/hora a 100 Ipc de sobrebalance a 20 pies/hora a 800 Ipc. A
partir de este valor de presin la penetracin varia muy poco, an con un
incremento de la presin de hasta 4.000 Ipc.
4.16. CARACTERSTICAS DE LA FORMACIN
Las caractersticas ms importantes de la formacin que afectarn a la
penetracin son:
1. Fuerza compresiva
2. Porosidad
3. Permeabilidad
4. Contenido de arcilla hidratable
5. Presin de poros
Rocas de mayor fuerza compresiva van a requerir mayores pesos sobre la broca
para crear fracturas en la formacin y poder lograr una penetracin. Una
Formacin porosa es generalmente ms dbil y ms fcil de perforar que una
formacin de reducida porosidad. Hay una correlacin fuerte entre porosidad y
penetracin. La permeabilidad es ms importante en cuanto a la relacin entre
penetracin y grado de sobrebalance. El contenido monto morillontico de la
formacin que se est perforando es importante ya que puede causar
penetraciones reducidas debidos al embolamiento de la broca. Esto puede ocurrir
con todo tipo de broca, y puede reducir a la penetracin drsticamente. Puede ser
tan severo en caso de formaciones plsticas que anulan completamente a la
estructura de corte de la que aplicar sobre la mecha para producir penetracin.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 12
12 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Una limpieza adecuada del fondo del hueco va a incrementar a la penetracin.
Esto se logra con la aplicacin de un programa de hidrulica adecuada.
La curva que relaciona la penetracin con el peso sobre la broca se puede
aproximar con la siguiente ecuacin:
ROP = K (WOB)w
Donde:
K = Constante
ROP = Penetracin
WOB = Peso sobre la broca
w = exponente que varia entre 0-2, 0 dependiendo en que parte de la curva se
halla.
Revoluciones por Minuto. RPM
La penetracin responde en forma proporcional a los RPM. Esta respuesta se
halla gobernada por dos factores primarios:
Cantidad de recortes generados., Velocidad de remocin de los recortes
La relacin entre ROP y RPM es linear y directa. Es decir si los RPM se aumentan
en 50% la penetracin debe aumentar en un 50%. Esto es muy dependiente del
programa de hidrulica. A mayores revoluciones se est generando un mayor
nmero de recortes. Es muy importante tener la capacidad de eliminar a los
mismos de una manera eficiente.
Cuando la limpieza del hueco es insuficiente la penetracin va a comenzar a
disminuir. La ecuacin que define a la relacin RPM y ROP es como sigue:
ROP = K (RPM)R
ROP = Penetracin
INGENIERIA PETROLERA Pgina 13
13 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
K = Constante
R = exponente rotario
El exponente aproxima a 1 con una hidrulica adecuada. Si r = 0,5 entonces ROP
se va a incrementar con la raz cuadrada del RPM.
4.17. DISEO DE LA BROCA
Los factores de diseo que van a afectar a la penetracin son:
Longitud de los dientes.
Forma de los dientes.
Nmero de los dientes.
Perfil de la estructura de corte.
Offset de los conos.
Optimizacin hidrulica.
Lonqitud de los Dientes
Dientes ms largos logran mayor penetracin en la roca, obteniendo mejores
penetraciones. Como se indic antes, el diseo hidrulico es de gran importancia.
Forma de los dientes
Afectan a la penetracin mediante la relacin que existe entre el rea de los
dientes, y la penetracin lograda. Dientes afilados presentan un rea transversal
menor y van a producir una carga mayor sobre la formacin al aplicar cierto peso
sobre la broca.
4.18. NMERO DE LOS DIENTES
El nmero de los dientes afectar a la penetracin de la siguiente forma:
Mayor nmero de dientes representa mayor posibilidad de embolamiento de la
broca.
Mayor nmero de dientes representa un mayor rea sobre la cual se aplica el peso
sobre la broca. Esto reducir la carga que cada diente recibir y ello produce una
INGENIERIA PETROLERA Pgina 14
14 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
penetracin ms reducida. La respuesta obvia a esta situacin va a ser el
incremento del peso sobre, la broca en forma proporcional al incremento del
nmero de dientes. Para que dos brocas de diferente diseo tengan el mismo
peso sobre cada diente se debe aplicar.
lograr la misma penetracin con ambas brocas se deber aplicar un 10% ms en
el FP 52. El HP 52 es capaz de proveer mejores penetraciones pero se debe
utilizar mayores RPM y WOB.
Perfil de la Estructura de Cortey offset de los Conos
Son importantes ya que van a determinar la medida en que los conos de una
broca se arrastren en el fondo de hueco, al no rodar sobre su eje. A mayor offst
mayor ser el efecto del arrastre de los conos. Estos es importante en brocas para
formaciones blandas ya que de esta manera se va a optimizar el efecto "pala", de
los conos favoreciendo una mejor remocin de los recortes y una mayor
penetracin.
Propiedades del Lodo
Las propiedades del lodo que van a afectar a la penetracin son: Densidad
Contenido de slidos Viscosidad Prdida de filtrado
Todas estas propiedades se hallan interrelaccionados de tal manera que es muy
difcil separarlos y determinar su influencia sobre la penetracin de una forma
individual. Como ejemplo, un lodo de alta densidad tendr un alto contenido de
slidos y una elevada viscosidad. Pero basado en la experiencia y ensayos de
laboratorio se pueden establecer las siguientes conclusiones. El peso del lodo
afectar a la penetracin a travs del grado de sobrebalance que exista con
respecto a la presin de la formacin. Esto ya fue analizado con anterioridad. El
efecto del contenido de slidos se halla relacionado estrechamente a los efectos
de elevada densidad. Lodos de alto contenido de slidos sufren un incremento de
la densidad y esto a su vez va a causar una disminucin de la penetracin. A su
vez un aumento en el contenido de slidos ser responsable de mayores
INGENIERIA PETROLERA Pgina 15
15 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
viscosidades plsticas. Esto causar un incremento de la densidad equivalente de
circulacin, es decir un incremento del sobrebalance. Tambin una viscosidad alta
crear condiciones hidrulicas adversas, y limpieza del fondo del hueco no ser la
adecuada.
La prdida de filtrado: en caso de ser alto va a penetrar la formacin por delante
de la broca reduciendo a la presin de sobrebalance, favoreciendo a las
penetraciones altas.
Optimizacin hidrulica: es de gran importancia para lograr una buena limpieza del
hueco y lograr penetraciones adecuadas. Una forma de optimizar es asegurando
que una cantidad de potencial hidrulico se va a disipar en la broca al perforarla.
Los caballos hidrulicos que la broca genera indicarn la capacidad de limpieza
del hueco.
HHP = Cada de presin de la broca x GPM
Hay tres factores que se deben tener en cuenta en cuanto a la limpieza del hueco
se refieren:
- Remocin de los recortes
- Remocin de los recortes pegados a la broca.
- Transporte de los recortes a la superficie
Los dos primeros puntos son los ms importantes desde el punto de vista de la
penetracin. El grfico adjunto ilustra con claridad la relacin que existe entre los
HHP de la broca y la penetracin. Se ve que al incrementar al potencial hidrulico
de la broca, se est incrementando en una relacin directa a la penetracin.
La remocin de los recortes es una funcin de los HHP generados en la broca, y
los RPM utilizados para perforar. Resoluciones ms altas van a requerir valores de
HHP ms elevados para lograr el mismo efecto de limpieza del hueco. Esto
tambin queda bien claro del grfico adjunto. Lo que queda claro de los grficos
es que la penetracin no es muy sensible al incremento de HHP a bajos RPM pero
si lo es a RPM ms elevados.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 16
16 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
La ecuacin con que se puede calcular el efecto de los HHP sobre la penetracin
es como sigue:
ROP = K (HHP/Nozle)h
ROP = Penetracin
K = Constante
h = exponente de la curva
ROP2 = HHP/nozle2 h
ROP1 HHP/nozle 1
4.19. CLASIFICACIN DE BROCAS USADAS
El IADC estableci una serie de guas para la clasificacin estandarizada de las
brocas utilizadas. Esto se hizo para lograr un criterio unificado en cuanto a la
clasificacin y para que la informacin tenga sentido en una escala universal.
Un anlisis cuidadoso de las condiciones en que una broca se halla luego de
haber sido utilizado es de gran importancia, para reducir los costos de perforacin
y para programar pozos futuros.
En la fase de la perforacin, da una idea sobre el desempeo de la broca bajo las
condiciones de perforacin, y va a dar la base para la decisin de elegir la
prxima. Una evaluacin consistente y experta va a incrementar la vida til de las
brocas y va a abaratar de una forma considerable el costo de la operacin. Para
los manufacturadores de las brocas, una evaluacin hecha con criterio provee
informacin de gran valor para implementar mejoras en diseos futuros. El objeto
de stas evaluaciones es de presentar una descripcin exacta de las condiciones
en que se encuentra la broca para una persona que no puede hacer una
evaluacin visual.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 17
17 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Esto se logra siguiendo a las recomendaciones del IADC, en cuanto a la clasificacin
numrica de los aspectos del desgaste de la broca. La clasificacin numrica describe el
desgaste fsico que han sufrido diferentes componentes de la broca.
La estructura de corte y el estado de los rodamientos se clasifica de 1 al 3. El calibre o
dimetro remanente de la herramienta es medido en fracciones de pulgada. Los sellos y
su estado se clasifican de 1 a 3. Adems de estas caractersticas se deber describir
cualquier desgaste y condicin inusual que se observa en la broca. Es importante que se
indiquen las horas de rotacin, pies perforados, presin de bomba en el mismo reporte.
En el reporte adjunto se pueden observar las observaciones y evaluaciones
correspondientes a un pozo.
Clasificacin del desgaste de los dientes.
Clasificacin Condicin
T1 1/8 de la altura de los dientes utilizado
T2 2/8 de la altura de los dientes utilizado
T3 3/8 de la altura de los dientes utilizado
T4 4/8 de la altura de los dientes utilizado
T5 5/8 de la altura de los dientes utilizado
T6 6/8 de la altura de los dientes utilizado
T7 7/8 de la altura de los dientes utilizado
T8 Dientes completamente desgastados.
Como se dijo anteriormente las brocas de insertos se clasifican de una manera
diferente. La estructura de corte se va a clasificar basado en el nmero de insertos
rotos o que faltan.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 18
18 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Clasificacin de las brocas de insertos.
GRADO CONDICIN
T1 1/8 de los insertos rotos o faltan
T2 2/8 de los insertos rotos o faltan
T3 3/8 de los insertos rotos o faltan
T4 4/8 de los insertos rotos o faltan
T5 5/8 de los insertos rotos o faltan
T6 6/8 de los insertos rotos o faltan
T7 7/8 de los insertos rotos o faltan
T8 Todos los insertos rotos o faltan.
- ABREVIACIONES COMUNES
ESTRUCTURA DE CORTE
BT Broken teeth or insert. (Dientes o insertos rotos)
BU Balled up. (Broca embolada)
CT Chipped teeth (Dientes rotos)
LT Lost inserts (Insertos perdidos)
TT Tracking teeth (Dientes estriados)
WT Worn teeth (Dientes desgastados)
Excessive broken insert (insertos rotos excesivos)
XL Excesive lost insert,(insertos perdidos excesivos)
- CONDICIONES DE LOS CONOS
CA Cracked axially (Axialmente partido)
CC Cracked circumferentially (Circunferencialmente partido)
CE Cone erosion (Erosin del cono)
LC Lost cone (Cono perdido)
INGENIERIA PETROLERA Pgina 19
19 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
Evaluando el desgaste de los Rodamientos
Cada rodamiento debe ser analizado y evaluado de una manera individual. Del
anlisis de los tres se decide cual es el rodamiento en peores condiciones y ese
se reportar. La clasificacin se hace de 1 a 8 pero al no poder ver directamente a
los rodamientos la evaluacin es ms subjetiva que el caso anterior.
- CLASIFICACIN DE RODAMIENTOS NO SELLADOS
CLASIFICACIN CONDICIN
B 1 1 /8 de la vida til utilizada
B2 2/8 utiiizado. El rodamiento
funciona y no posee juego
notable.
B3 3/8 utilizado
B4 1/2 utilizado. Se observa un juego
del rodamiento.
B5 5/8 utilizado
B6 6/8 utilizado. Hay un notable
juego de los rodamientos.
B7 7l8 utilizado
B8 Rodamiento trabado, uno o varios
de los conos qued en el hueco.
- CLASIFICACIN DE RODAMIENTOS SELLADOS
B2 Sello efectivo. Rodamiento firme.
B4 Sello fallo. Rodamiento endurecido, pero no
. se observa juego de los mismos.
B6 Sello fallado. Rodamientos sueltos y con juego.
INGENIERIA PETROLERA Pgina 20
20 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
B8 Rodamientos se hallan trabados, o uno o
varios de los conos faltan.
- CLASIFICACION DE RODAMIENTOS JOURNAL, SELLADOS
B 1 Sellos efectivos
B4 Sellos dudosos
B8 Sellos fallaron
Los rodamientos tipo journal funcionan solamente un tiempo muy corto con el sello
roto ya que el contacto con el lodo los traba haciendo perder uno o todos los
conos. Estos tipos de rodamientos no dan aviso cuando van a fallar.
Formaciones blandas. Si las roturas son numerosas y continuas se debe evaluar
la necesidad de utilizar brocas de diferente grado. Otras causas para producir una
rotura de dientes anormales son:
4.20. PESOS EXCESIVOS SOBRE LA BROCA.
- Cambio de formacin.
- Objetos extraos en el hueco.
Cuando una broca que ya se halla desgastada encuentra una Formacin dura y
abrasiva se va a desgastar completamente en muy poco tiempo. Los conos van a
quedar sin los dientes, ya que los dientes desgastados al recibir el peso sobre la
broca necesario para perforar esia nueva formacin se van a aplastar presentando
el aspecto ilustrado en el dibuj adjunto.
El redondeamiento del calibre de la broca y de los dientes de la hilera externa, es
un desgaste caracterstico que se produce al perforar formaciones muy abrasivas
o al perforar con herramientas como motores hidrulicos o Dyna Drill. Para
INGENIERIA PETROLERA Pgina 21
21 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
perforar estas formaciones se requieron brocas con proteccin adicional en el
calibre.
Brocas con los tres conos trabados y los dientes en buen estado son
consecuencia de una limpieza, deficiente del fondo del hueco. Tambin puede
suceder en caso de haber considerable cantidad de derrumbe en el fondo luego
del cambio de herramienta. Si no se lava el hueco antes de comenzar a perforar
los conos se pueden daar de esta manera. Los rodamientos sobre todo los tipos,
Journal, pueden daarse inutilizando a la broca si es que la misma se golpea
contra el fondo del hueco. El golpe puede daar al rodamiento tal como se
observa en la figura y trabar al cono.
4.21. ANLISIS DEL DESGASTE ANORMAL DE BROCAS DE INSERTOS
Una broca de insertos con un desgaste uniforme de su estructura de corte, sellos
efectivos, rodamientos en buenas condiciones, un nmero mnimo de insertos
rotos o faltantes testifica una seleccin acertada. Una rotura pronunciada de los
insertos internos de una broca para formaciones blandas puede ser el resultado
de: Formacin demasiado dura para la broca. Peso sobre la broca inadecuada.
La rotura de los insertos en la misma hilera es generalmente progresivo. AI
romperse uno, los vecinos se ven sobrecargados y comienzan a romperse
gradualmente. Ver diagrama adjunto.
Una gran cantidad de insertos rotos indican sin lugar a dudas que la broca era
demasiado blanda para la formacin que se est perforando. La rotura de los
insertos en 1a hilera del calibre puede resultar de repasar el hueco de una manera
inapropiada.
Tambin formaciones arenosas de gran abrasividad pueden producir un desgaste
anormal de este tipo. El grfico adjunto ilustra este tipo de problema. Como
consecuencia de una hidrulica deficiente y una limpieza del fondo del hueco
inadecuado se puede producir una erosin de los conos de la broca. Como
INGENIERIA PETROLERA Pgina 22
22 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
consecuencia el material (de los conos se desgasta y los insertos se caen de la
broca. Ver dibujo adjunto.
Objetos metlicos cados desde la superficie como herramientas de mano pueden
daar seriamente y con rapidez una broca. Si el problema no es detectado con
rapidez pronto se estar enfrentando una situacin de pesca. Estos objetos
destrozan a la estructura de corte, rompen a los dientes y a los insertos, traban y
separan a los conos de sus rodamientos con rapidez.
Los insertos de brocas para formaciones blandas son largos y es normal que se
desgasten con el uso. Pero un desgaste excesivo indica una seleccin
inadecuada. 4tros problemas relacionados con brocas pueden ser:
Jets lavados.
Rotura o lavado de la conexin de la broca al resto de la sarta a consecuencia de
torque inadecuado.
Tal cual se evalu en el caso de los drill collars y tuberas de perforacin es muy
importante conocer los valores de torque mnimos a aplicar para cada broca. La no
aplicacin de los torques recomendados puede resultar en rotura de la conexin y
en un trabajo de pesca.
Torque recomendado para las brocas
Dimetro (pulg) Tamao de coneccin (pulg) Torque recomendado (pie/libra)
3 3/4 - 4 1/2 2 3/8 3000 - 3500
4 5/8 - 5 2 7/8 6000 - 7000
5 1/8 - 7 3/8 3 1/2 7000 - 9000
7 5/8 - 9 4 1/2 12.000 - 16.000
9 5/8 - 9 7/8 5 1/2 23.000 - 27.000
9 5I8 - 26 6 5/8 28.000 - 32.000
INGENIERIA PETROLERA Pgina 23
23 CAPITULO 4. DISEO DE TREPANOS DE PERFORACION PERFORACION PETROLERA II
14 3/4 - 26 7 5/8 34.000 - 40.000
17 1/2 - 26 8 5/8 40.000 - 60.000
4.22. PRUEBA DE PERFORACIN DE LOS 5 PUNTOS
Estamos perforando a los 8.900 pies y se obtuvieron los siguientes resultados en
una prueba de cinco puntos:
WOB (1000 lbs RPM ROP (Pies/Hora)
Inicial 43 115 28
Wl/NL 35 80 18
Wl/NH 35 150 27
WH/NH 50 150 36
WH/NL 50 80 25
Final 43 115 29