EVALUACIÓN Y DISEÑO DE BROCAS PARA

PERFORACIÓNDE POZOS DE PETRÓLEO

FLAMINIO DIAZ

TEMAS

Definición de brocas Principios de operación Brocas tricónicas Brocas de cortadores fijos Selección de las brocas Factores que afectan el desgaste Determinación del tiempo óptimo de las

brocas (evaluación)

DEFINICIÓN DE BROCAS

Es una herramienta de corte, localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación, se utiliza para triturar o cortar las partes del subsuelo.

Herramienta clave para los técnicos e ingenieros de perforación.

La correcta selección y las condiciones de estas, son el éxito de una buena perforación.

PRINCIPIOS DE LA OPERACIÓNSe basa en un solo principio Vencer los esfuerzos de corte y comprensión de la roca.

En el caso de las brocas tricónicas se debe realizar mediante la incrustación de los dientes en la formación y posteriormente cortarla cuando se desplaza dentro de la misma.

En el caso de las brocas de cortadores fijos se cumple mediante el cizallamiento generado por los cortadores de la broca que vencen la resistencia de la formación. Por esta razón se distinguen dos tipos fundamentales de brocas: de dientes y de arrastre.

BROCAS TRICÓNICASFormada por tres conos cortadores que giran sobre su propio eje , pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno y cambiar el sistema de rodamiento.

ESTRUCTURA CORTADORATienen dos tipos de corte:

DIENTES DE ACEROSon las más económicas y pueden perforara por varias horas, se diseñan para trabajar en formaciones blandas, medias y duras.DIENTES CON INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO (TCI): Su tiempo de vida útil es mayor debido a que el Carburo de Tungsteno es más resistente al desgaste durante la perforación que el acero. Este se puede trabajar desde formaciones blandas, medianas, hasta muy duras.

La estructura de corte esta montada sobre los cojinetes, los cuales corren sobre pernos y constituyen una parte que integran el cuerpo de la broca.

ESTRUCTURA CORTADORA

SISTEMA DE RODAMIENTO

Llamado también COJINETES, permiten que los conos giren alrededor del cuerpo de la broca.Se clasifican en dos tipos:1.Cojinete a rodillos: posicionados de forma que

resistan la carga radial.2.Cojinete a fricción: es un perno sólido unido a la

superficie interna del cono que se convierte en el principal elemento del cojinete que soporta la carga radial.

SISTEMA DE RODAMIENTO

CUERPO DE LA BROCAConsta de:

• Una conexión roscada que une la broca con la tubería de perforación.

• Tres ejes para los cojinetes en donde van montados los conos.

• Los depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes.

• Los orificios a través de los cuales el fluido de perforación limpia y transporta del fondo los recortes.

CUERPO DE LA BROCA

CLASIFICACIÓN

Las brocas tricónicas son las mas utilizadas en la perforación petroleras, la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación las han clasificado según:

El tipo de diente (acero ó inserto)El tipo de formación (en términos de serie y tipos)Las características mecánicasFunción del fabricante

CLASIFICACIÓN

El sistema de clasificación IADC que consta de tres dígitos:

A.Primer dígito: identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación como se relaciona en la siguiente tabla.

CLASIFICACIÓNDIENTES SISTEMA DE CORTE

ACEROFormación blandaFormación mediaFormación dura

INSERTOS

Formación muy blandaFormación blandaFormación mediaFormación duraFormación extra dura

CLASIFICACIÓNB. Segundo dígito: identifica el grado de dureza de la formación en el cual se usará la broca y varía de suave a dura como se indica en la siguiente tabla.

DIENTES DUREZA

ACEROPara formación suavePara formación media suavePara formación media duraPara formación dura

INSERTOS

Para formación suavePara formación media suavePara formación media duraPara formación dura

CLASIFICACIÓN

C. Tercer dígito: identifica el sistema de rodamiento y lubricación de la broca:oCon toberas para lodo y balero estándar.o Toberas para aire/lodo con dientes de diseño T y

balero estándar.o Balero estándar con protección en calibre.o Balero estándar sellado autolubricable.o Balero sellado y protección al calibre.oChumacera selladaoChumacera sellada y protección al calibre.o Para perforación direccional.oOtros.

BROCAS DE CORTADORES FIJOSTambién llamadas barreras de diamante, a diferencias de las tricónicas carecen de partes móviles, estas utilizan diamante sintético ó natura, según el tipo y las características de las mismas.Las de diamantes sintético se diseñan y fabrican en forma de astillas, montadas en el cuerpo de los cortadores de la broca.Las de diamante natural su diseño hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo.

VENTAJA Económica por ser reutilizablesDESVENTAJA Problemas de acuñamiento en formaciones poco

consolidadas y en pozos en donde se debe repasar el agujero debido a constantes derrumbes de la formación, situación que contribuye a que sean atrapadas más fácilmente que una tricónica.

BROCAS DE CORTADORES FIJOS

CLASIFICACIÓN

BROCAS DE DIAMANTE NATURAL

Por su diseño hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda, actualmente este tipo de broca es la más usada para la perforación de pozos petroleros.

El tipo de flujo es radial y el tipo de cortadores es de diamante natural incrustado en el cuerpo de la broca con diferentes diseños. El mecanismo de corte es por fricción y arrastre.

BROCAS DE DIAMANTE NATURALEl uso de estas brocas es limitado a excepción en casos de formaciones duras, cortar núcleos de formación y como brocas desviadoras en pozos con formaciones muy duras y abrasivas.Los diamantes utilizados son redondos pero irregulares.

BROCAS DE DIAMANTE TÉRMICAMENTE ESTABLE (TSP)

Son utilizadas para perforar rocas duras como caliza dura, basalto y arenas finas. Se caracteriza por usar diamante sintético de forma triangular, la densidad, el tamaño, y forma de grano son características de cada fabricante.

BROCAS DE COMPACTO DE DIAMANTE POLICRISTALINO (PDC)

El diseño de los cortadores esta elaborado de diamante sintético en forma de pastillas, a diferencia de la brocas de diamante natural y TSP, su diseño se hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las brocas tricónicas.Estas pueden ser rotadas a altas velocidades, utilizadas con turbinas y motores de fondo y con diferentes pesos sobre brocas. Por su versatilidad son más usadas.

BROCAS DE COMPACTO DE DIAMANTE POLICRISTALINO (PDC)

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

Se componen de tres partes:a.Estructura de corte b.El cuerpo ó coronac. La espiga

Todas las brocas diamantes poseen los mismos componentes pero distintos elementos de corte y sistemas hidráulicos.

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

Cada parte tiene una serie de características que se podrán apreciar en la siguiente figuras:

CORTE TRANSVERSAL

DE UNA BROCA PDC

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

VISTA FRONTAL DE UNA BROCA PDC

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

a.Estructura de corte: está constituida por diamantes sintéticos. El tipo de elemento de corte depende de la formación en la que se trabajará.

Cortadores PDC: consiste de una serie de diamantes sintéticos unidos a una base de carburo de tungsteno. Los cortadores PDC se sueldan a la broca después de haberse unido al cuerpo y su principal objetivo es obtener un cortador de mayor duración y más resistente al desgaste.

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

CORTADOR PDC

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

b. Cuerpo ó corona: este puede ser fabricado de acero o de carburo de tungsteno,

Cuerpo de carburo de tungsteno: consiste de una matriz hecha a partir de carburo de tungsteno en polvo, con una aleación de níquel-cobre que actúa como aglutinante.

Cuerpo de acero: el material es un acero de alta aleación, que provee buena resistencia y elasticidad. Al finalizar el proceso de fabricación, la corona se suelda a la espiga y simultáneamente los cortadores se adhieren a la broca mediante soldadura.

COMPONENTES DE LAS BROCAS (PDC)

c. Espiga: Es la que vincula la broca con la sarta de perforación que se fabrica con acero de alto porcentaje de aleación tratado térmicamente.

La IADC desarrollo el código para las brocas de cortadores fijos que consta de cuatro caracteres con las siguientes características básicas:

Tipo de cortados. Material del cuerpo de la broca. Perfil de la broca. Diseño hidráulico para el fluido de perforación. Distribución del flujo. Tamaño de los cortadores. Densidad de los cortadores.

CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN

Brocas especiales: se utilizan en condiciones muy específicas y se clasifican en:

Brocas desviadorasBrocas ampliadorasBrocas nucleadoras

SELECCIÓN DE BROCASSe deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

• La evaluación del desgaste de las brocas previamente empleadas.

• Los rendimientos de las brocas obtenidos en pozos vecinos.

• Los registros geofísicos de pozos vecinos y del mismo pozo (si se tienen).

• El software especializado en cálculo y análisis para la selección (hidráulica).

• Las propiedades de los fluidos de perforación por emplearse en función de la broca elegida.

• La columna litológica de las formaciones a perforar.

SELECCIÓN DE BROCAS• Rendimiento de la broca.• La trayectoria del pozo.• Economía.

FACTORES IMPORTANTES

• Litología.• Registro de brocas.• Fluidos de perforación.• Hidráulica.• Coeficiente de perforación.• Costos.

SELECCIÓN DE BROCAS

FACTORES QUE IMPIEDEN LA SELECCIÓN DE BROCAS• Limitaciones de peso sobre la broca.• Escala de RPM.• Formaciones nodulares• Ampliación.• Pozos profundos.• Motor de fondo.

FACTORES QUE AFECTAN EL DESGASTE DE LAS BROCAS

1.Factores geológicos: los materiales abrasivos en la s rocas son las cusantes del desgaste prematuro en toda la estructura de la broca.

2.Factores operativos: se basa en dos factores importantes: peso sobre la broca y en la limpieza en el fondo del pozo.

3.Manejo y transporte: se debe colocar sobre una madera, nunca se debe rodar sobre la cubierta metálica del piso de perforación.

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO ÓPTIMO DE LAS BROCAS

La evaluación y análisis de cada broca es de gran importancia para decidir que tipo de broca se debe utilizar después.En el análisis se registran dato como:

InicioTermino de la perforaciónCondiciones de operaciónToberasTiempos

y observaciones como: Inicio de desviación Variaciones en el ángulo Perforación controlada por pérdidas de

circulación Utilización de motores de fondo Utilización de martillo Perfora con gases amargos

Con estas observaciones se podrá tener un mejor criterio de evaluación y así seleccionar una broca correctamente.

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO ÓPTIMO DE LAS BROCAS

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO ÓPTIMO DE LAS BROCAS

Un método experimentado para determinar el momento preciso para suspender la perforación y efectuar un cambio de barrera consiste en graficar Es Vs. Avance acumulado como se muestra en la siguiente gráfica.

En el caso b) se detecta un incremento de ES y el torque tiene un comportamiento normal. Esto indica que se esta perforando una formación con mayor dureza lo cual se corrobora con la recuperación de recortes.

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO ÓPTIMO DE LAS BROCAS

En el caso c) Es se incrementa significativamente y el torque muestra un aumento normal y la recuperación de recortes muestra que no hay cambio de litología. Este comportamiento indica el punto donde la broca debe ser remplazada.

DETERMINACIÓN DEL TIEMPO ÓPTIMO DE LAS BROCAS

GRACIAS POR SU ATENCIÓN