Bordes cortantes

Bordes cortantes
La mejor calidad de los materiales y los diseños innovadores de barrenas (brocas, trépanos,
mechas) rotativas están extendiendo el rango de aplicaciones de las mismas y modificando
la forma en que se utilizan para perforar los pozos. Los operadores y los contratistas de perforación están aprovechando las más recientes tecnologías de barrenas y las nuevas técnicas para construir pozos más efectivos desde el punto de vista de los costos.
Alain Besson
TotalFinaElf
París, Francia
Bruce Burr
Scott Dillard
Eric Drake
Brad Ivie
Craig Ivie
Roger Smith
Graham Watson
Houston, Texas, EUA
Se agradece la colaboración en la preparación de este artículo a Gerald Angst, Ron Birch, Marcel Boucher, Bruce
Boulanger, Jeff Daly, Bob Fabian, Wayne Mausbach, Bill
Miller, Gail Nelson, Tamara Price y Charles Stafford,
Houston, Texas, EUA; David Jelley, Nigel Griffin, Terry
Matthias, Jo Taper y Malcolm Talyor, Stonehouse,
Inglaterra; y James Garner, Sugar Land, Texas.
Armor Clad, ASTRA, Bicentrix, BitTrak, DiamondBack,
Duradiamond, Mudpick, PowerDrive, PowerSteering,
Steeringwheel, Switchblade y Transformation son marcas
de Schlumberger.
38
La perforación de los estratos del subsuelo en
busca de hidrocarburos requiere bajar una
barrena con una columna (tubería, sarta) de perforación o tubería flexible y hacerla girar desde la
superficie mediante equipos de perforación rotativa, o directamente en el fondo con motores y turbinas emplazados en el fondo del hueco. Uno de
los retos que enfrentan las compañías petroleras
y los contratistas de perforación a la hora de planear el pozo, es la selección de la mejor barrena
para una aplicación en particular.
La herramienta básica de los ingenieros de
perforación, la barrena rotativa de cortador fijo o
de cono giratorio, está diseñada y fabricada para
cortar diferentes formaciones y para ser utilizada
en un amplio rango de condiciones. Las personas
que adquieren y utilizan las barrenas deben comprender las diferencias entre los distintos tipos y
diseños de las mismas (próxima página).
Las barrenas de cortador fijo o barrenas de
arrastre cuentan con cuchillas integradas que
giran en conjunto. Las barrenas de arrastre con
cortadores de acero, también conocidas como
barrenas tipo cola de pescado debido a sus formas características, datan de la época de la perforación rotativa anterior a 1900. Estas cortaban
formaciones blandas en forma similar al arado,
haciendo surcos o hendiduras en la tierra. Las
modernas barrenas de cortador fijo con superficie
de diamante también cortan las formaciones; las
barrenas con diamantes suspendidos en cuchillas
matriciales trituran las rocas y los cortadores de
un compuesto policristalino de diamante (PDC,
por sus siglas en Inglés) cortan las rocas en forma
similar a como lo hace un torno.
Las barrenas de conos giratorios poseen conos
de metal que giran en forma independiente al
mismo tiempo que la barrena rota en el fondo del
hueco. Cada uno de los conos cuenta con estructuras cortantes (dientes de acero resistentes al
desgaste o insertos de carburo de tungsteno) que
cortan y trituran, o penetran y rompen como si
fuesen cinceles o palas, dependiendo de la dureza
de la formación. Las barrenas de conos giratorios
permiten perforar más profundo y normalmente se
las conoce como barrenas para roca, debido a que
pueden perforar formaciones más duras en comparación con las primeras barrenas de arrastre.
Las barrenas de perforación constituyen solamente una fracción del costo total del pozo (uno a
cinco por ciento), sin embargo, representan un
componente clave de la economía de construcción
del pozo. El tiempo necesario para perforar un
pozo se encuentra relacionado directamente con
la rapidez con la cual las barrenas corten la formación y con el tiempo que conserven su filo. En
términos de costo por pie o metro perforado
(metraje), invertir en la barrena adecuada reduce
en forma importante el costo total, ya que esto
ayuda a disminuir el tiempo de perforación y el
número de viajes (carreras) de entrada (bajada) y
salida de un pozo. Para perforar pozos poco profundos, las barrenas para roca estándar podrían
ser las más adecuadas, las cuales son menos costosas. Las modernas barrenas de conos giratorios
o de PDC que tienen una mejor velocidad (tasa,
índice) de penetración, (ROP, por sus siglas en
Inglés) y una vida útil más prolongada, si bien son
más costosas, pueden ser la opción más económica en operaciones marinas y en los pozos profundos, donde las velocidades de perforación y los
costos por viaje para reemplazar las barrenas son
elevados. Independientemente de la aplicación, el
precio de compra de las barrenas adecuadas para
cada caso en particular se recupera varias veces.
Oilfield Review
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La primera barrena de conos giratorios con
tres conos fue patentada por Howard Hughes en
1909. En 1916 y 1917, C. E. Reed desarrolló las
barrenas con discos gemelos reemplazables y
cuatro cortadores giratorios. Estas primeras etapas en la evolución de las barrenas ampliaron el
rango de aplicaciones de la perforación rotativa
más allá de los límites de profundidad y durabilidad alcanzados por barrenas con cuchillas de
acero. Desde entonces, los nuevos desarrollos
han mejorado alternativamente los cojinetes de
los conos y la estructura cortante. Estos avances
incluyen conos con metales más duros soldados
sobre los dientes de acero, los cojinetes de rodillos con bolas giratorias para sostener y mantener
los conos en su lugar, los insertos de carburo de
tungsteno, el autolubricado de los cojinetes de
rodillos sellados y los cojinetes lisos de fricción.
Esta tendencia continúa hoy en día con los
nuevos diseños de cojinetes y sellos, mejores sistemas de retención de conos, carburos cementados mejorados y filos de un compuesto de
diamantes con mayor resistencia al desgaste que
ofrecen mejor rendimiento y mayor confiabilidad,
especialmente cuando se trata de formaciones
duras problemáticas, y de perforaciones con motores o turbinas de fondo de alta velocidad. La
combinación de elementos individuales y de los
Invierno de 2001
avances logrados en las barrenas destinadas a
aplicaciones específicas, mejora el rendimiento
de la perforación y prolonga la vida útil de la barrena, incrementando la capacidad de carga y la
durabilidad de las barrenas de conos giratorios.
Las barrenas de cortadores fijos también han
evolucionado y han superado a los primeros diseños de las barrenas tipo cola de pescado y de las
barrenas de arrastre; todo esto mediante la aplicación de diamantes naturales y compuestos sintéticos de PDC en los bordes cortantes. Las
barrenas de cortadores fijos no poseen partes
móviles, sino superficies cortantes para desgastar, y pueden perforar rápidamente durante largos
períodos en ciertas condiciones. Los diamantes
naturales se utilizaron por primera vez alrededor
de 1910 en barrenas especializadas sacatestigos
que hacían cortes en forma de rosquillas y extraían columnas concéntricas de roca—núcleo (testigo corona)—en camisas o tubos especiales
para ser utilizados en la evaluación de la formación. Las barrenas de diamante de pleno diámetro se introdujeron a principios de 1920. Las
primeras barrenas de PDC se pusieron a la venta
a principios de la década de 1970; estas barrenas
se construyeron sobre la base de la tecnología de
General Electric, que permitió que los diamantes
sintéticos se adhirieran al carburo de tungsteno.
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Barr ción rot
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Los desarrollos observados en las barrenas
de cortadores fijos son el resultado de las mejoras introducidas en los materiales y en el proceso
de manufactura, conjuntamente con un mejor
entendimiento de la estabilidad de la barrena y
de la dinámica de los fluidos. Las estructuras y
los diseños de corte avanzados disminuyen el
movimiento inestable, o las vibraciones, en el
interior del hueco, dando como resultado una
perforación más agresiva. Los elementos de
corte se fabrican para cubrir las características
específicas de las formaciones a taladrar y para
las condiciones particulares de perforación. Una
nueva generación de barrenas de PDC ha evolucionado para satisfacer las demandas más complejas de perforación direccional, y las barrenas
impregnadas con partículas de diamante están
encontrando nuevas aplicaciones.
Los avances logrados en la hidráulica de la
barrena y en las estructuras de corte, resultan en
mejores diseños para las barrenas de conos giratorios y para las barrenas de cortadores fijos. La
realización de pruebas (ensayos) en tamaño natural y el diseño asistido por computadora, mejoran
nuestro entendimiento de las relaciones entre el
flujo del fluido, la limpieza de la barrena y la eliminación de recortes para mejorar el rendimiento
de la barrena de perforación. Las simulaciones
39
computarizadas de la dinámica de los fluidos (CFD, por sus siglas en Inglés),
como las utilizadas para desarrollar el contorno (perfil) de automóviles, aeronaves y barcos de la marina, les permiten a los diseñadores optimizar la hidráulica de los conos giratorios y de los cortadores fijos para una mejor ROP.
Hoy en día, el software para diseño avanzado establece una correlación
entre la litología y la resistencia de la roca con distintos tipos de barrena. Esto
le ayuda a los operadores a elegir una barrena apropiada. Las extensas bases
de datos registran y rastrean el rendimiento de la perforación y de los resultados para ayudar en la selección de la barrena de conos giratorios o de cortadores fijos, y contribuir a una mejora continua y a futuros desarrollos.
A medida que se mejoran el diseño y la fabricación de las barrenas, los
límites tradicionales entre las barrenas de conos giratorios y las barrenas de
cortadores fijos se tornan menos claros. Gracias a la investigación y el desarrollo se obtiene una mejor confiabilidad, diseños de compuestos avanzados,
una hidráulica mejorada y una mayor estabilidad para todos los tipos de
barrena. Esto le facilita la tarea a los perforadores, sin embargo, la selección
de una barrena se convierte en un verdadero reto.
Las barrenas de perforación y las nuevas herramientas de fondo, conjuntamente con la experticia de las compañía de servicios, les ahorran tiempo y
dinero a los operadores. Este artículo describe las barrenas de conos giratorios, de cortadores fijos de PDC y de diamante, y los avances más recientes,
incluyendo una amplia gama de diseños, materiales y métodos de fabricación
Acanalado y raspado
Trituración
Direción de
la rotación
Diámetro
o contorno
Baja excentricidad del cono (0°) de corte
Diámetro
o contorno
de corte
Alta excentricidad del cono (5°)
Barrenas con dientes
de acero
Blanda
Dureza de la formación
Dura
Barrenas de insertos
> Estructuras cortantes con dientes de acero y de insertos. Los dientes de
acero, se funden, forjan o fabrican del mismo metal que los conos (arriba).
El recubrimiento duro de carburo de tungsteno se suelda sobre los dientes
de acero para incrementar la durabilidad. Las barrenas con conos desplazados permiten estructuras de corte más largas y proporcionan una acción de
limpieza adicional. En las formaciones blandas, los amplios espacios entre
los cortadores promueven también la limpieza de la barrena. Los insertos
sinterizados de carburo de tungsteno se funden por separado y se colocan
mecánicamente a presión en agujeros ligeramente menores al tamaño de
los insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos (abajo).
También se encuentran disponibles los insertos cubiertos con revestimientos de PDC que son más resistentes a la abrasión.
que mejoran en gran parte el rendimiento de la perforación y les ayudan a los
perforadores a seleccionar las barrenas acorde con las necesidades del
cliente, para cada formación o aplicación. Asimismo, el artículo examina la
investigación, la realización de pruebas y los desarrollos en la hidráulica de las
barrenas, la adquisición de datos en el fondo del hueco frente a la barrena, la
optimización de la barrena y el estudio de casos relacionados con soluciones
específicas de perforación.
Angulo del
cojinete
Tecnología de conos giratorios
En la década de 1800, las perforaciones hechas con herramientas operadas
por cable y barrenas de percusión eran lentas y limitadas para agujeros poco
profundos. Las barrenas tipo cola de pescado y los equipos de perforación
rotativa con circulación continua para remover los recortes representaron los
primeros avances, pero las barrenas con cuchillas de acero eran más adecuadas para formaciones blandas y se desgastaban rápidamente. Las
estructuras de corte en los conos que giran en forma independiente para
> Acciones de perforación con conos giratorios. Las barrenas de conos
rotar en el fondo del hueco a medida que rota la barrena, se hicieron más
giratorios remueven la roca acanalándola y raspándola o triturándola. Los
populares en la década de 1900. Estas barrenas duraban más y podían hacer
conos giratorios realizan una acción de trituración. A medida que los conos
se apartan del movimiento giratorio real, las estructuras cortantes penetran huecos más profundos. No obstante, las primeras barrenas de conos giratoy raspan más. El desplazamiento o ángulo de excentricidad del cono y la
rios carecían de durabilidad y confiabilidad, pero eran mejores que las barreforma del mismo, provocan que los conos dejen de girar periódicamente a
nas de cuchillas. Para reducir la fricción, se utilizaron cojinetes sencillos con
medida que gira la barrena. Como resultado, las estructuras cortantes se
deslizan en el fondo del hueco y raspan la formación. Los ángulos de despla- revestimientos de acero.
zamiento varían de 5° para formaciones blandas, a cero para formaciones
Los primeros avances se centraron en las estructuras de corte. A princiduras. Las barrenas para formaciones blandas utilizan estructuras de corte
pios de la década de 1930, se desarrollaron barrenas con suficiente espamás largas con ángulos de desplazamiento en los conos que reducen el
cio entre los conos. Al dejar espacio entre conos adyacentes, los cortadores
movimiento de rotación. Los cortadores cortos en los conos que giran más,
Rotación real
en todos
los puntos
El borde del
cono se aparta
del movimiento
real de rotación
provocan una acción de trituración en las formaciones duras.
40
Oilfield Review
pueden ser más largos y proporcionar una acción de limpieza adicional en
formaciones blandas. Anteriormente, los dientes tenían que ser lo suficientemente cortos para no tocarse entre sí a medida que giraban los conos.
Aproximadamente al mismo tiempo, los fabricantes comenzaron a utilizar el
acero tratado térmicamente y a soldar metal más resistente sobre los dientes de acero para taladrar formaciones con alta resistencia a la compresión.
Existen dos tipos de estructuras cortantes en los conos giratorios: los fabricados con dientes de acero, fundidos o forjados integralmente con bordes
de compuestos de carburo resistentes al desgaste, y los insertos de carburo
de tungsteno formados por separado y colocados a presión en agujeros perforados con precisión en las superficies de los conos. Existen barrenas con
diente cortador y de insertos para perforar formaciones blandas, semiduras
y duras (página anterior, arriba). Las barrenas con dientes de acero se utilizan en formaciones blandas con baja resistencia a la compresión, así como
también en formaciones semiduras o duras con mayor resistencia a la compresión. Las barrenas de insertos se utilizan para perforar formaciones que
van de blandas y semiduras, a duras semiabrasivas y duras abrasivas.
Las estructuras de corte que trituran u ocasionan una falla de la roca dura frente a un esfuerzo de compresión son romas (chatas), cortas para evitar el rompimiento del cortador y se hallan muy cerca entre sí. Las
formaciones blandas permiten dientes filosos y largos para penetrar y remover el material mediante el acanalado y raspado de la roca. Cada acción de
corte se utiliza con distinta intensidad, dependiendo del tipo de formación.
Los cortadores tienden a acanalar y a raspar más a medida que los conos se
apartan del movimiento real de rotación. El balance entre los mecanismos
de falla de la roca se logra ajustando el ángulo del cojinete, la forma del
cono y el desplazamiento para controlar la manera en la que giran los conos
(página anterior, abajo). Los cojinetes son ejes o estructuras similares a un
eje alrededor de las cuales giran los conos. El desplazamiento o ángulo de
excentricidad del cono, es una medida de cuánto se inclinan los cojinetes
para que el eje de cada cono no se cruce en el centro de la barrena.
A medida que mejoraron las estructuras de corte y las barrenas comenzaron a perforar en forma más agresiva, la vida útil del cojinete se convirtió en un factor limitante. A mediados de la década de 1930, se
desarrollaron los cojinetes de rodillos antifricción (derecha). Los viajes para
cambios de la barrena mejoraron de 6-8 horas a 20-25 horas, con el correspondiente incremento en el metraje y la disminución en los costos. Las boquillas para fluidos fueron introducidas en 1950 para mejorar la limpieza de
la barrena y del agujero y para incrementar las velocidades de penetración.
Esto se logra forzando chorros de lodo en el fondo del hueco para apartar
los recortes retenidos por la presión hidrostática. Los insertos de carburo de
tungsteno, introducidos en 1951, fueron de gran ayuda para la perforación
de rocas duras. Los insertos de carburo, con solamente una pequeña reducción en la dureza, eran más duros y más resistentes al desgaste que el
mejor acero, y podían perforar largos intervalos antes de desgastarse.
1. La sinterización consiste en el calentamiento del metal pulverizado hasta que el aglutinante del metal se funde, originando la densificación y el encogimiento a la vez que se
mantiene el contorno o perfil preformado.
Cojinete de rodillos sellado
Diafragma
Tapa del depósito
de grasa
Depósito de
grasa
Pieza de sujeción
Superficie
de empuje
>
Cojinetes antifricción. Las actuales barrenas con tres conos, el diseño de
conos giratorios más común, tiene muy poco parecido con las primeras
barrenas de conos giratorios. Los cojinetes giratorios soportan la mayoría de
las cargas y los cojinetes de bolas insertos a través de un agujero en el cojinete liso mantienen los conos en su lugar. La superficie de empuje y los pernos de fricción soportan las cargas y estabilizan a los cojinetes. Los sellos
mantienen la grasa dentro de los cojinetes y evitan que entren el lodo de perforación y las partículas sólidas. Los primeros sellos de caucho se energizaron mediante un anillo de metal interno o resorte belleville. Posteriormente,
se utilizaron los sellos redondeados de elastómero radial. Los depósitos de
grasa en las partes de sujeción aseguran la lubricación. No existe diferencia
de presión a través de los sellos y la presión hidrostática se transfiere a través de un diafragma para estabilizar la presión entre los cojinetes y el hueco.
Por primera vez, las estructuras de corte duraron más que los cojinetes.
No obstante, el lodo y las sustancias sólidas aún dañaban a los cojinetes,
especialmente en aplicaciones críticas. A pesar de que se utilizó una grasa
especial para lubricar los componentes del cojinete y extender la vida útil
de la barrena, la fatiga y el desgaste de las superficies del cojinete de rodillos, y los surcos sobre las piezas de sujeción y los conos, limitaron la durabilidad del cojinete. Fue entonces necesario un nuevo enfoque para las
barrenas de insertos. En la década de 1960, se incluyeron sellos para mantener la grasa dentro de los cojinetes y evitar que los líquidos o las sustancias sólidas penetraran. Los depósitos de grasa en cada pieza de sujeción
proporcionan lubricación continua y el sistema de compensación del diafragma estabiliza la presión a través de los sellos. No obstante, los cojinetes de rodillos abiertos sin sellos, enfriados y lubricados por los fluidos de
perforación, aún se utilizan en barrenas de dientes cortantes para perforaciones de bajo costo.
Hoy en día, los carburos cementados menos porosos se elaboran
mediante la combinación de finas partículas de carburo de tungsteno en
una matriz de cobalto y se sinterizan a altas temperaturas en una atmósfera al vacío o de hidrógeno.1 El contenido de cobalto y el tamaño del grano
se varían para generar una docena de calidades estándar de carburo
cementado. Estos compuestos metálicos combinan la dureza para limitar la
deformación, y la resistencia para prevenir el agrietamiento.
Invierno de 2001
Cojinetes de
rodillos
Metal duro protector
del contorno de corte
Perno de
fricción
Dientes de acero
Sello belleville
Cojinete Cono
Diámetro o contorno
liso
de corte
Bolas giratorias
41
Los granos pequeños y el bajo contenido de cobalto aumentan la dureza
y la resistencia al desgaste a costa de la firmeza. Los granos más grandes
y el alto contenido de cobalto reducen la dureza y la resistencia al desgaste,
pero incrementan la firmeza. Debe escogerse la calidad adecuada; demasiado blanda ocasiona el desgaste prematuro, demasiado dura incrementa
el rompimiento de los insertos bajo cargas severas. La opción es, entonces,
insertos resistentes al desgaste y a la erosión para formaciones duras, e
insertos fuertes para formaciones blandas (derecha).
Las mejores estructuras de corte y la perforación agresiva en rocas
duras y profundas, requieren más carga sobre la barrena y mejores cojinetes. Los cojinetes lisos o de fricción sin rodillos que utilizan sellos O-rings
comprimidos más del 15%, fueron introducidos a fines de la década de 1960
y principios de la década de 1970, marcando una nueva era en el rendimiento de los conos giratorios.
Los cojinetes lisos son más durables y soportan mayores pesos que los
cojinetes de rodillos debido a que las cargas se distribuyen sobre un área
más grande (tanto en la superficie del cojinete como en la superficie interna
del cono), en lugar de distribuirse únicamente sobre los rodillos (abajo). Las
primeras barrenas con cojinetes lisos perforaban el mismo metraje que
hacían de tres a cinco barrenas estándar con cojinete de rodillos, pero eran
más caras. Los ahorros netos resultaron en el incremento del metraje perforado por barrena y en un número menor de viajes para reemplazar las
barrenas.
Cojinete liso sellado
Diafragma
Tapa del depósito
de grasa
Depósito de grasa
Tipos de insertos
43A
51
51A
52A
53
53A
61
62
Formaciones
blandas a
semiduras
Formaciones
semiduras
a duras
62A
Microestructura de carburo cementado
10 micrones
63
Formaciones
duras
73
83
> Variedad de los insertos. La durabilidad de los insertos depende de los
avances en la metalurgia de partículas pulverizadas que eliminan los defectos, optimizan la química del aglutinante y logran una relación precisa entre
la dureza y la firmeza para cada aplicación. Los carburos cementados menos
porosos son mezclados en los dientes de acero o sinterizados en insertos
resistentes al desgaste o a la erosión para formaciones duras o en insertos
más fuertes para formaciones blandas. El control cuidadoso del proceso asegura las propiedades precisas del material y el adecuado tamaño de los granos. Asimismo, la compresión isostática a alta temperatura elimina los defectos intersticiales del carburo cementado (recuadro inferior derecho).
A principios de la década de 1970, la empresa Reed Tool Company, en
la actualidad Reed-Hycalog, desarrolló un cojinete flotante plateado, construido de una aleación de berilio y cobre que cuenta con mayor capacidad
de carga, superior maleabilidad y más resistencia al desgaste, y alta conductividad térmica para disipar el calor.2 Este cojinete flotante gira entre la
superficie del cono y la superficie del cojinete liso para proporcionar cuatro
superficies y un área de resbalamiento dos veces mayor que la de los cojinetes de fricción convencionales, lo que reduce las velocidades relativas y
disminuye el desgaste. Los cojinetes flotantes además tienen un plateado
que reduce la fricción y el desgaste. Casi al mismo tiempo, Reed patentó un
sello oval con una sección transversal que es mayor en la dirección radial
que en la axial.3 Los sellos radiales requieren menos del 10% de compresión para sellar en forma eficaz, lo que reduce el desgaste. Una menor presión interfacial reduce también la fricción y el calor, de modo que los sellos
permanecen más fríos. Hoy en día, muchos diseños de barrenas utilizan
sellos radiales.
Las estructuras de las barrenas de conos giratorios inicialmente se fundían o forjaban en una sola pieza con los conos y, en algunas ocasiones, se
les adherían cuchillas complementarias. Con el advenimiento del diseño de
tres conos, los fabricantes comenzaron a producir unidades con piezas de
sujeción y conos individuales que posteriormente se ensamblaban y soldaban. Esto fue el comienzo de seis décadas de continua introducción de
mejoras en los procesos de fabricación (próxima página, abajo). Las tole,Cojinetes de fricción. Los cojinetes sin rodillos antifricción son durables y
manejan grandes pesos debido a que las cargas se distribuyen sobre un
área más grande del cojinete. Estos cojinetes lisos se utilizan en tamaños
de barrenas superiores a 121⁄4 pulgadas. Los cojinetes flotantes hechos de
una aleación de berilio y cobre disipan el calor y reducen las velocidades
relativas entre los cojinetes lisos y los conos. El plateado actúa como un
lubricante sólido para reducir la fricción y el desgaste. Los sellos radiales
de elastómero se utilizan porque requieren menor compresión que los
sellos redondos y no generan tanto calor.
>
Cojinete flotante
plateado, de
aleación de berilio
y cobre
Superficie de
empuje
Formaciones
blandas
Metal duro Perno de fricción
protector del
contorno de corte
42
Cojinete
liso
Cono
Insertos
de carburo
de tungsteno
Sello radial de
elastómero
Diámetro o contorno
de corte
Oilfield Review
Barra para soldadura convencional
0.4 mm
0.4 mm
rancias más estrechas para el forjado, el maquinado, el tratamiento térmico, la sinterización, el triturado, la soldadura y la metalurgia de partículas pulverizadas, son los cimientos del actual alto rendimiento de las
barrenas de conos giratorios. La compañía Reed fue pionera en el armado
de un sistema de maquinado de las superficies de los cojinetes, para proveer formas consistentes y eliminar las excentricidades.
Reed también desarrolló los métodos patentados para el terminado de
los cojinetes que mejoraron los terminados de las superficies, la concentricidad y el control dimensional. Los elementos de soporte proporcionan un
método para sujetar repetitivamente las partes en una máquina.4 Se ajusta
un soporte a un torno para colocar las partes en forma segura y exacta. Las
partes de mayor tamaño se fabrican mediante la rotación estática; un torno
móvil moldea las partes estacionarias.5 La rotación estática es hoy en día
una norma en la fabricación de la barrena de conos giratorios. En forma
similar, la soldadura robótica proporciona incrustaciones de aleaciones
cuyas formas son casi las formas terminadas. Esto no puede lograrse
mediante la soldadura manual.
Los avances en la metalurgia de partículas pulverizadas se han traducido en un mejorado rendimiento del metal duro de alta calidad para las
barrenas con dientes de acero. Los revestimientos soldados para los dientes de la barrena han evolucionado desde que se utilizaba la soldadura
manual con barras compuestas hechas de polvos de acero y carburo. Este
arduo proceso de aplicación limita la consistencia y el rendimiento de las
barrenas con dientes de acero. La barra del compuesto Armor Clad, desarrollada por Reed-Hycalog aumenta al doble la velocidad de aplicación de
la soldadura, y al mismo tiempo reduce la degradación por calor de las partículas de carburo (arriba).6
El proceso patentado del cortador de metal pulverizado, (PMC, por sus
siglas en Inglés) combina el metal pulverizado y las tecnologías tradicionales del forjado para producir barrenas con avanzadas geometrías de corte y
características excepcionales. Este método de fabricación que incluye una
2. Mayo TH: “Drill Bit Bearings,” Patente de EUA, No. 3,721,307 (Marzo 20, 1973).
3. Murdoch HW y Schumacher PW Jr: “Drill Bit Seals,” Patente de EUA, No. 3,765,495
(Octubre 16, 1973).
4. Gaither PI y Tucker III JR: “Method and Apparatus for Machining a Workpiece,”
Patente de EUA, No. 4,599,921 (Julio 15, 1986).
5. Gaither PI y Klappenbach SW: “Method of Making Lug Journal for Roller Cutter
Drill Bits,” Patente de EUA, No. 4,982,496 (Enero 8, 1991).
6. Smith RC: “Hardfacing Material for Rolling Cutter Drill Bits,” Patente de EUA, No.
5,740,872 (Abril 21, 1998).
Invierno de 2001
,Dientes de acero de alta calidad de superficie dura. La degradación por
calor proveniente de la soldadura estándar a altas temperaturas y la lenta
aplicación con varillas de tubos gruesos ocasionan alta porosidad, agrietamiento y propiedades inconsistentes (arriba a la izquierda). Los revestimientos de metal duro soldados en forma convencional dejan partículas esféricas de carburo de tungsteno expuestas a la erosión (centro a la izquierda).
La soldadura a menor temperatura y la deposición rápida de un revestimiento delgado de una varilla extruida (Thin-Sheath Extruded Rod, TSER)
minimiza la dilución en los dientes de acero (arriba a la derecha). Un premezclado multifásico de carburo de tungsteno y acero pulverizado proporciona una mayor resistencia a la abrasión. Las partículas esféricas grandes
y las estructuras en forma de placa se traslapan para reducir la erosión
matricial (centro a la derecha). Este metal duro Armor Clad, cuenta con una
excepcional baja porosidad e ínfimos defectos de agrietamiento, de modo
que los dientes permanecen filosos por más tiempo, incrementando las velocidades de penetración y la vida útil de la barrena (abajo).
>
Soldadura
con revestimiento
delgado de una varilla extruida
> Fabricación de conos giratorios. Los conos y los cortadores de dientes
fresados, se forjan de barras de acero laminadas en caliente (arriba a la
izquierda). El tratamiento térmico endurece las cavidades de los cojinetes.
Estas formas coniformes se realizan forjando contornos y un agujero rústico, seguidos de un fresado detallado complejo de cada uno de los dientes
en forma individual (arriba a la derecha). El carburo de tungsteno se suelda
manualmente en cada diente para incrementar la resistencia al desgaste.
Para las barrenas de insertos, los insertos de carburo cementado se sinterizan y se colocan a presión en agujeros ligeramente más pequeños que los
insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos (abajo a la
izquierda). Las piezas de sujeción y los conos se ensamblan y sueldan
(abajo a la derecha).
43
1
2
Modelo de
aluminio sólido
7
3
Molde con bolsa
de aluminio
8
4
Bolsa de elastómero
5
Molde de inyección y
cubierta de metal duro
6
Cubierta de metal duro
en la cavidad del modelo
Secciones transversales del diente
9
Metal duro soldado manualmente
Pieza preformada
precalentada
Prensa caliente
Prensa isostática para
preformar en frío
Metal duro de PMC
Forma final del cono y
del cortador
> Tecnología del cortador de metal pulverizado, (PMC, por sus siglas en Inglés). El proceso patentado combina el metal pulverizado y las tecnologías tradicionales de forjado para producir barrenas a menor costo, con avanzadas geometrías de corte y características excepcionales. La geometría final del
cono y del cortador se amplían para considerar un proceso de densificación de dos pasos. El modelo sólido y el molde de dos partes se hacen de aluminio
a fin de fabricar una bolsa de elastómero que duplique el modelo en forma exacta.
Las ubicaciones y el espesor del material resistente al desgaste de los dientes, también se amplían para fabricar moldes de acero. Una mezcla de carburo de tungsteno y bolitas de cobalto, polvo de acero y un material aglutinante se inyecta en los moldes para producir las cubiertas de los dientes de
metal duro. La bolsa flexible se coloca en un soporte de aluminio y las cubiertas se insertan en las cavidades correspondientes a los dientes. Un mandril
sólido y una cubierta forman el agujero de la barrena y permiten el acceso para llenar la bolsa con polvo de acero. El polvo se empaca por vibración hasta
un 60% en la forma del molde. El prensado isostático en frío densifica el polvo hasta un 80%, con una reducción uniforme del tamaño del 14%. Estas piezas
preformadas pueden manejarse, calentarse o manipularse durante la deformación final, pero se rompen si se dejan caer.
La densificación del cono y del cortador hasta el 100% y la obtención de la forma final se inicia precalentando uniformemente las piezas preformadas
en una atmósfera inerte cercana a la temperatura de forjado. Las piezas preformadas se transfieren a un molde precalentado y rodeado por polvo de grafito caliente. Esta transferencia toma menos de 30 segundos a fin de prevenir la oxidación y minimizar la pérdida de calor. Una prensa hidráulica consolida
las piezas preformadas para darles la forma final y darles la densidad total en menos de un minuto.
Después de la limpieza con ráfagas de aire, se fabrican los cojinetes, se endurece la superficie mediante un tratamiento térmico y se rectifica con precisión por medios convencionales. El contenido de carbón y la microestructura son los mismos en cada cono y cada diente. La soldadura manual queda
eliminada (abajo a la derecha).
rápida densificación en estado sólido de la forma final de los conos y los
dientes, elimina muchas limitaciones del diseño de la barrena convencional
y proporciona opciones de un material avanzado que mejora la integridad de
la estructura de corte (arriba). Los dientes de metal duro que se obtienen
con este proceso, cuyos espesores son consistentes y su resistencia al desgaste es alta, constituyen la ventaja principal de la tecnología PMC.
Este proceso es adecuado para la automatización, y las operaciones de
soldadura manual quedan eliminadas. A diferencia del metal duro de alta
calidad soldado a mano, el volumen de carburo y la microestructura son
idénticos en cada diente de cada cono. Este proceso proporciona flexibilidad
de innovación en diferentes aspectos del diseño de conos giratorios. La
capacidad del modelo final permite la fabricación económica de estructuras
de corte complejas (formas agresivas, ubicaciones y orientaciones que no
Substrato del
carburo de tungsteno
Contornos e insertos con
revestimientos de diamante
>
Insertos de PDC. Los revestimientos de diamante en los substratos de carburo cementado mejoran las propiedades abrasivas, de impacto y térmicas
de los insertos de los conos giratorios (arriba). Los insertos en forma de
domo utilizan un recubrimiento uniforme de diamante, mientras que los recubrimientos de insertos con punta redondeada varían de gruesos en la punta a
delgados en los bordes (centro). Un recubrimiento de PDC superficial de diamante casi puro y una o dos capas intermedias de diamante, carburo de
tungsteno o combinaciones de cobalto, se sinterizan, ocasionando que el
material aglutinante se adhiera firmemente a la base de carburo (abajo). Los
revestimientos intermedios se optimizan para minimizar las tensiones entre el
diamante y el carburo de tungsteno ocasionadas por la diferencia en la
expansión entre el diamante y el carburo.
Revestimiento
de diamante
44
Tamaño del
grano de
diamante
Parte superior 8 micrones
Segundo
8 micrones
Tercero
8 micrones
Substrato
–
Capa de
diamante
Diamante
Cobalto
Carburo de
tungsteno
95 %
62 %
42 %
–
5%
16 %
16 %
18 %
0%
22 %
42 %
82 %
Espesor
0.010 pulgadas
0.010 pulgadas
0.015 pulgadas
Oilfield Review
>
Diseños avanzados de los cojinetes. Las barrenas de cojinetes giratorios para usar con motores
en serie (EMS, por sus siglas en Inglés) son durables a altas velocidades de penetración cuando
se las utiliza con turbinas y motores de alta velocidad, particularmente en aplicaciones direccionales (izquierda). Para una vida útil prolongada de
la barrena, se incluyen múltiples hileras de rodillos que incrementan la durabilidad y sellos texturizados con acanalado central que reducen la
fricción. Los bordes contorneados del rodillo
minimizan las tensiones de contacto y reducen el
desprendimiento de metal. Los rodillos están
encapsulados en el cono para maximizar el diámetro del cojinete liso y reducir las tensiones de
contacto. Los sellos de Hydrogenated Nitrile
Butadiene Rubber, (HNBR) proporcionan resistencia a la abrasión y soportan temperaturas mayores a 300°F (150°C). Los sellos texturizados atrapan la grasa y reducen la fricción, el acanalado
central mantiene los contaminantes afuera
(recuadro inferior izquierdo). Las barrenas patentadas de rendimiento mejorado, (EHP, por sus
siglas en Inglés), utilizan cojinetes Threaded Ring
(Anillo Roscado) que tienen mayor capacidad de
carga hacia su interior que los cojinetes con
bolas, lo cual contribuye a reducir las fallas y las
pérdidas de conos (derecha). Los cojinetes Threaded Ring proporcionan una mejor retención del
cono en caso de falla del sello. Existe una menor
vibración axial, lo que reduce las fluctuaciones
de presión a lo largo de los sellos y limita la
migración de partículas. La arandela de empuje
plateada Stellite soporta las cargas axiales y
reduce la fricción por calentamiento en la superficie de empuje.
Barrena mejorada en serie (EMS)
Cojinete flotante plateado de
aleación de berilio y cobre
Rodillos contorneados
con filos punteagudos
Dureza optimizada del cono
Dureza optimizada del cono
Punto de contacto de cargas
Superficie de contacto
de cargas
Arandela plateada
de empuje Stellite
Múltiples hileras de
rodillos encapsulados
son factibles con las operaciones de fabricación convencionales). Los
recientes avances en el PMC, incluyen formulaciones mejoradas del metal
duro y cobertura amplia del metal duro.7
Los insertos que tienen recubrimientos de compuestos de diamante han
revolucionado el rendimiento de la estructura cortante en muchas aplicaciones de la barrena de conos giratorios. La tecnología del diamante proporciona resistencia al termo fraccionamiento y al desgaste de los bordes
cortantes, así como de la superficie de corte que está frente a la roca. Los
insertos mejorados de diamante utilizan capas de un compuesto policristalino de diamante de distinta calidad sobre los substratos de carburo cementado (página anterior, abajo). La capa superficial (fabricada casi de
diamante puro) que corta la roca, se optimiza para evitar el desgaste a la
abrasión, a la temperatura y al impacto en las aplicaciones de conos giratorios. Las diferencias en la expansión térmica y en la elasticidad entre los
substratos de carburo cementado y los compuestos de diamante originan
incompatibilidad en cuanto a la dilatación; inconvenientes que se reducen
mediante la aplicación de capas progresivas intermedias.
Los insertos recubiertos de Reed-Hycalog se fabrican bajo licencia, utilizando un proceso patentado de fabricación a alta temperatura y a alta presión similar al utilizado en la fabricación de los elementos de PDC del
cortador fijo (véase "Tecnología del cortador fijo," página 48).8
Afortunadamente, el desarrollo de los insertos de PDC durables para las
barrenas de conos giratorios, coincidió con el agresivo aumento de la perforación direccional con los motores de fondo.
Los diseños más recientes de los cojinetes y los avances actuales en
hidráulica amplían también las capacidades de la barrena de conos giratorios, además de haber mejorado el rendimiento de la perforación. Una
Invierno de 2001
Barrena de rendimiento mejorado (EHP)
Bolas giratorias
Sello radial HNBR texturizado
con acanalado central
Sello radial HNBR
Anillo roscado
nueva generación de barrenas de alta calidad, las utilizadas con motores en
serie y de rendimiento mejorado (EMS y EHP, por sus siglas en Inglés, respectivamente), combinan las mejoras en los materiales y en los procesos de
fabricación con los diseños avanzados. Estos nuevos diseños equilibran los
mejoramientos en la estructura de corte, los cuales aumentan la velocidad
de penetración, con cojinetes y sellos que mejoran la durabilidad y la vida
útil de la barrena (arriba).
El cojinete Threaded Ring (Anillo roscado) introducido por Reed-Hycalog
proporciona una mayor retención de los conos en caso de falla del sellado.9
Este anillo plateado de acero sólido está fabricado en dos mitades, de modo
tal que pueda instalarse en el cojinete liso. Las acciones agresivas de corte
provocan grandes cargas en los cojinetes. Esta estructura similar a un recubrimiento de metal ofrece una mayor capacidad interior de carga que los cojinetes de bolas para una vida útil más larga del cojinete, especialmente en la
perforación direccional. Los reducidos espacios libres disminuyen la vibración
axial y minimizan las variaciones de presión a través de los sellos y limitan la
migración de partículas hacia adentro del cojinete ampliando la vida útil del
sello. La dureza de las arandelas plateadas Stellite también mejora el manejo
de las cargas de empuje y reduce la fricción en el área de la superficie de
empuje de los cojinetes.10
7. Sreshta HA y Drake EF: “Hardmetal Facing for Rolling Cutter Drill Bit,” Patente de EUA,
No. 5,653,299 (Agosto 5, 1997).
Sreshta HA y Drake EF: “Hardmetal Facing for Earth Boring Drill Bit,” Patente de EUA,
No. 5,988,302 (Noviembre 23, 1999).
Drake EF y Sreshta HA: “Rock Bit Hardmetal Overlay and Process of Manufacture,”
Patente de EUA, No. 5,967,248 (Octubre 19, 1999).
Drake EF y Sreshta HA: “Rock Bit Hardmetal Overlay and Process of Manufacture,”
Patente de EUA, No. 6,045,750 (Abril 4, 2000).
8. Hall HT Jr y Hall DR: “Carbide/Metal Composite Material and a Process Therefor,”
Patente de EUA, No. 5,304,342 (Abril 19, 1994).
9. Pearce DE: “A New Rock Bit Bearing Provides Superior Cone Retention,” artículo de las
IADC/SPE 19909, presentado en la Conferencia de Perforación de las IADC/SPE,
Houston, Texas, EUA, Febrero 27-Marzo 2, 1990.
Murdoch HW y Schumacher PW Jr: “Drill Bit,” Patente de EUA, No. 3,971,600 (Julio 27,
1976).
Pearce DE y Walter JC: “Means for Mounting a Roller Cutter on a Drill Bit,” Patente de
EUA, No. 4,991,671 (Febrero 12, 1991).
10. Stellite es una familia de superaleaciones basadas en el cobalto.
Singh RK, Nixon MS y Daly JE: “Rolling Cutter Drill Bits,” Patente de EUA, No. 5,725,313
(Marzo 10, 1998).
Griffin ND: “Methods of Treating Preform Elements Including Polycrystalline Diamond
Bonded to a Substrate,” Patente de EUA, No. 6,056,911 (Mayo 2, 2000).
45
El incremento en el uso de los motores y las
turbinas de fondo someten a las barrenas a rotación de alta velocidad y a velocidades de resbalamiento que ocasionan fallas en los sellos antes de
tiempo. La investigación indicó que un sello texturizado podía resistir el desgaste y retener la grasa
bajo estas condiciones.11 Este sello autolubricante
mantiene la grasa en el área texturizada, lo que
reduce la fricción y proporciona una vida útil más
prolongada del sello. Los sellos de metal se utilizan también para perforaciones expuestas a alta
temperatura y a alta velocidad, y en ambientes
con productos químicos abrasivos (abajo).12
Optimización del rendimiento de
los conos giratorios
El programa de perforación de cinco pozos para
TotalFinaElf en el campo Tin Fouyé Tabankort
(TFT), ubicado al oeste de Argelia ilustra las
mejoras que pueden lograrse utilizando nuevos
materiales y avanzados diseños (próxima
página).13 El campo TFT produce gas de un yacimiento de arenisca Ordoviciana, ubicado a una
Sello metálico en forma
de anillo del lado de la
pieza de sujeción
profundidad aproximada de 2000 m [6560 pies].
La compañía planeó perforar pozos horizontales
de relleno con un alcance aproximado de 600 m
[1970 pies]. La información de pozos vecinos
mostró velocidades de penetración y metrajes
extremadamente bajos para todos los tipos de
barrena. Para reducir los costos, el operador, trabajando con dos fabricantes de barrenas, evaluó
las características de la formación, el historial
del rendimiento de la perforación y la información de pérdida de filo de la barrena tanto para
las barrenas de conos giratorios, como para las
barrenas de cortadores fijos.
La arenisca consiste de granos de cuarzo
angulares entrelazados con una porosidad de 5 a
10%. El pobre rendimiento alcanzado en el pozo
vecino y el alto nivel de desgaste de las barrenas,
indicaron que se trataba de una formación ultra
abrasiva y, probablemente, extremadamente
dura. Los insertos mejorados de diamante son
demasiado friables para perforar roca ultradura,
pero el análisis determinó que esta zona era
entre semidura y dura.
Lodo de perforación
Sello O-ring estático
Cono
Pieza de
sujeción
Energizador
de la pieza de
sujeción
Sello metálico
en forma de anillo
del lado del cono
Resorte
energizador
del cono
Cojinete flotante
plateado de
aleación de berilio
y cobre
> Sellos con superficie metálica. Los sellos metálicos prometen ampliar y
mejorar la durabilidad y la vida útil de la barrena. El acero inoxidable lubricado genera menor fricción y calentamiento por resbalamiento que los elastómeros sobre el acero y además posee una mayor resistencia al calor o al
ataque químico.
46
La abrasividad era mayor que la de cualquier
otra arenisca de cuarzo clasificada anteriormente.
El resbalamiento de cualquier material, incluyendo
el diamante, en esta formación genera desgaste
excesivo—un factor crítico en la selección de la
barrena para la perforación de estos pozos horizontales—lo cual confirma que una barrena de
conos giratorios adecuadamente diseñada podría
perforar en forma más eficiente que una barrena
con cortadores fijos.
En los pozos vecinos, tanto las barrenas de
conos giratorios como las barrenas de cortador
fijo (diseños de PDC e impregnados de diamante),
experimentaron una vida útil corta, bajos metrajes por barrena y gran desgaste ocasionado por la
abrasión y el calor. La sección horizontal de un
pozo vecino consumió 25 barrenas de insertos y
más de 500 horas de perforación. Debido a que
esta formación puede triturarse, se eligieron las
barrenas de conos giratorios para reducir el resbalamiento. Se utilizaron tacos de apoyo (almohadillas, patines) laterales más grandes y más
fuertes para estabilizar las barrenas en forma
lateral. Las superficies expuestas se mejoraron
con diamante al igual que los tacos de apoyo
laterales, el talón, los insertos de la primera
hilera intermedia y los insertos centrales. El
ángulo de excentricidad del cono se redujo o eliminó para minimizar el resbalamiento y generar
más acción trituradora. Las disposiciones irregulares de insertos mejoraron el triturado en forma
adicional y redujeron la fricción por resbalamiento de los insertos en hendiduras o surcos.
La sección horizontal del primer pozo se perforó en 215 horas con once barrenas de insertos
de 81⁄2 pulgadas de diámetro. Las velocidades de
penetración se incrementaron de 1.25 m/hr [4
pies/hr—ROP alcanzado en un pozo adyacente—a 2.8 m/hr [9 pies/hr]. El rendimiento del
cojinete no fue un factor limitante. Las barrenas
EHP fueron escogidas por su desempeño en condiciones severas de perforación y por sus ventajas en cuanto a la retención del cono del cojinete
Threaded Ring. Los insertos mejorados de diamante mostraron un desgaste limitado. Pero los
tacos de apoyo laterales experimentaron un alto
desgaste. Sobre la base de estos resultados, la
excentricidad del cono se redujo a 0°, se incrementó en forma sustancial el número de insertos
de diamante en el área del taco de apoyo lateral,
y se incrementó la cobertura de insertos de diamante en la hilera intermedia del cortador.
En el segundo pozo, la velocidad de penetración promedio se incrementó a 3.5 m/hr [11
pies/hr], lo que requirió nueve barrenas y 176
horas para perforar el tramo horizontal. En el ter-
Oilfield Review
cer pozo, el tiempo de perforación disminuyó a
123 horas. Se utilizaron sólo 6 barrenas y la velocidad de penetración se mejoró nuevamente a
4.8 m/hr [16 pies/hr]. En el quinto pozo, se perforaron 637 m [2090 pies] con seis barrenas en
121.5 horas, a 5.3 m/hr [17 pies/hr]. Comparando
con el pozo adyacente, la velocidad de penetración promedio y el metraje perforado por pozo se
mejoró en más del 400% y el tiempo en viajes se
redujo drásticamente. Los ahorros totales por
pozo fueron de más de $1 millón.
Hidráulica avanzada en
los conos giratorios
La hidráulica de la barrena comprende cuatro funciones básicas: la separación de los recortes desprendidos, la limpieza de los conos y los
cortadores, el enfriamiento de la barrena y el
transporte de los recortes hacia la superficie para
evitar la pulverización de los mismos.14 No obstante, la colocación de boquillas convencionales
dirige el flujo del lodo de perforación directamente hacia abajo y no limpia los conos o el agujero antes de que las estructuras cortantes hagan
contacto con la formación. Como resultado, las
astillas de roca permanecen en el fondo y pueden
adherirse a los conos o quedar encerradas entre
las estructuras cortantes, ocasionando un fenómeno conocido como empastado de la barrena
que evita la penetración total de la formación virgen. Por lo tanto, la hidráulica de la barrena
influencia en forma importante el rendimiento de
los conos giratorios y las velocidades de penetración óptimas.
La relación entre la velocidad de penetración,
la limpieza de la barrena y la remoción de recortes fue reconocida por primera vez en las pruebas de laboratorio efectuadas con barrenas de
tamaño natural. Antes de alcanzar el rendimiento estacionario, las barrenas perforan en
una forma ligeramente más rápida ya que los
dientes o los insertos al principio cortan a lo
largo de toda su extensión. Esta longitud de
corte disminuye gradualmente a medida que los
recortes se empaquetan alrededor de los cortadores, lo cual reduce la penetración en la formación. Estas observaciones condujeron a una serie
de pruebas para analizar los efectos de variar la
dirección y la ubicación de la boquilla. En la primera prueba, el ángulo de la boquilla se orientó
directamente hacia los cortadores. La penetración mejoró en forma importante, demostrando
la importancia de la redirección del flujo para la
limpieza de las barrenas y el impedimento del
empastado.
Invierno de 2001
Mar Mediterráneo
Marruecos
África
Campo Algiers
Campo
Hassi
Messaoud
Campo
Tin Fouyé
Tabankort
Túnez
Libia
Argelia
Nigeria
Insertos mejorados
de diamante
Hileras de
cortadores de insertos
mejorados de diamantes
> Barrenas de conos giratorios optimizadas. El rendimiento de la perforación horizontal en la arenisca ultra abrasiva, semidura del campo
Tin Fouyé Tabankort (TFT) en Argelia (arriba) se mejoró optimizando
barrenas EHP con cojinetes Threaded Ring, con 0° de ángulo de excentricidad y contorno mejorado de diamante, insertos en el talón y en la
hilera central y en los tacos de apoyo laterales (almohadillas, patines)
(abajo). Los insertos de PDC o con revestimiento de diamante son relativamente nuevos en las barrenas de conos giratorios, pero los resultados son impresionantes. En ambientes que dañan seriamente los insertos de carburo de tungsteno, los insertos recubiertos de diamante
permanecen virtualmente intactos. Las barrenas tienen una vida útil
más prolongada y perforan más metraje, lo que significa menos viajes
para reemplazar las barrenas y costos de perforación reducidos.
11. Carter MW, Daly JE y Van Nederveen H: “A New Sealed
Bearing Rock Bit for High-Speed Drilling,” artículo de la
SPE 14385, presentado en la Conferencia Técnica y
Exhibición Anual de la SPE No 60, Las Vegas, Nevada,
EUA, Septiembre 22-25, 1985.
Daly JE y Kotch RJ: “Roller Cutter Drill Bit Having a
Texturized Seal Member,” Patente de EUA, No. 4,619,534
(Octubre 28, 1986).
12. Daly JE, Pearce DE y Wick TA: “Different Stiffness
Energizers for MF Seals,” Patente de EUA, No. 875,861
(Marzo 2, 1999).
Pearce DE: “Face Seal Having Strain Induced Face
Geometry,” Patente de EUA, No. 6,109,376
(Agosto 29, 2000).
13. Besson A, Rabourdin JL, Huon W y Cazenave F: “How to
Design Rock Bits to Drill Ultraabrasive Quartzitic
Sandstone in Horizontal Wells, Algeria,” artículo de las
SPE/IADC 52878, presentado en la Conferencia de
Perforación de las SPE/IADC, Amsterdam, Paises Bajos,
Marzo 9-11, 1999.
14. Doiron HH y Deane JD: “Effects of Hydraulic Parameter
Cleaning on Rate of Penetration of Soft Formation Insert
Bits,” artículo de la SPE 11058, presentado en la
Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 57,
Nueva Orleáns, Luisiana, EUA, Septiembre 26-29, 1982.
47
Para optimizar el rendimiento de la barrena,
se sometieron a prueba diferentes extensiones y
orientaciones de la boquilla (abajo). Las boquillas
parcialmente extendidas se dirigieron hacia los
bordes principales de los conos entre el contorno
exterior y las hileras intermedias del cortador
para limpiar la barrena y el fondo del agujero
antes de que la estructura cortante hiciera contacto con la formación. Esta tecnología Mudpick,
patentada, mejoró las velocidades de penetración en más de un 20% en las pruebas de laboratorio, proporcionando velocidades de penetración
consistentemente más altas en comparación con
las de los diseños convencionales de boquilla
recta.15 Las extensiones de la boquilla se forjan
como partes integrantes de la pieza de sujeción a
fin de evitar el agregado de piezas por separado.
La investigación y las pruebas realizadas a
escala natural originaron otras modificaciones en
la ubicación y la dirección de la boquilla. Los chorros de fluido fueron dirigidos hacia los cortadores laterales para que el lodo de perforación a
alta velocidad limpie los conos antes de efectuar
un cambio de dirección suave y los arrastre por
debajo de los conos. El diseño hidráulico
Mudpick II elimina las áreas de estancamiento de
fluido, y mejora las velocidades de penetración
en más del 45% cuando se usan barrenas convencionales para perforar formaciones blandas o
semiduras.16
En las formaciones donde la vida útil de la
barrena está limitada por fallas de la estructura
cortante, los diseños hidráulicos avanzados permiten que se utilicen estructuras de corte más
cortas y durables sin sacrificar la penetración.
Muchos intervalos pueden hoy en día completarse con una sola barrena. La elección de la
hidráulica Mudpick o Mudpick II depende del tipo
de formación. Los diseños Mudpick se utilizan en
barrenas de dientes fresados para formaciones
blandas. La hidráulica Mudpick II es estándar en
las barrenas de insertos EHP de alta calidad. La
investigación actual está centrada en los mejoramientos adicionales para la remoción de recortes
a fin de evitar el retriturado.
Tecnología del cortador fijo
Las modernas barrenas de cortador fijo son descendientes de la barrena de arrastre con cuchilla
de acero y de las barrenas sacatestigos de diamante natural. Existen dos tipos de barrena de
cortador fijo: acero y de matriz (próxima página).
Estas barrenas clasificadas como de diamante
natural, de un compuesto policristalino de diamante (PDC) híbridas e impregnadas de diamante, no cuentan con partes móviles o
cojinetes, sino que tienen cuchillas. En 1953,
Hycalog comenzó a fabricar barrenas utilizando
diamantes naturales colocados en la superficie.
Las barrenas de PDC se comenzaron a comercia-
Convencional
Mudpick
lizar en 1973; los diseños mejorados híbridos
combinaron el PDC y los cortadores revestidos de
diamante. Las barrenas impregnadas cuentan
con diamantes en o cerca de la superficie de las
cuchillas. Los diamantes naturales están montados en las barrenas con estructura de acero o
previamente fijados en las cavidades del molde
antes de sinterizar las barrenas de matriz con
carburo de tungsteno. Los insertos de PDC pueden montarse tanto en las barrenas de acero
como en las barrenas de matriz.
La fabricación de barrenas de acero de una
sola pieza elimina la soldadura, y los detalles de
diseño son tales que pueden fabricarse ajustándose mucho más a las tolerancias. Las estructuras de corte se montan a presión en agujeros
15. Slaughter RH Jr: “Development, Laboratory, and Field
Test Results of a New Hydraulic Design for Roller Cone
Rock Bits,” artículo de la SPE 14220, presentado en la
Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 60,
Las Vegas, Nevada, EUA, Septiembre 22-25, 1985.
Childers JS y Pastusek PE: “Drill Bit Having Angled
Nozzles for Improved Bit and Well Bore Cleaning,”
Patente de EUA, No. 4,546,837 (Octubre 15, 1985).
Moffitt SR y McGehee DY: “Performance Comparison
of Rolling Cutter Bits with Alternative Nozzle Configurations,” artículo de las SPE/IADC 18630, presentado en
la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC, Nueva
Orleáns, Luisiana, EUA, Febrero 28-Marzo 3, 1989.
16. Moffitt SR, Pearce DE y Ivie CR: “New Roller Cone
Bits with Unique Nozzle Designs Reduce Drilling Costs,”
artículo de las IDAC/SPE 23871, presentado en la
Conferencia de Perforación de las IADC/SPE, Nueva
Orleáns, Luisiana, EUA, Febrero 18-21, 1992.
Ivie CR y Pearce DE: “Hydraulic Action for Rotary
Drill Bits,” Patente de EUA, No. 5,096,005 (Marzo 17, 1992).
Mudpick II
> Hidráulica avanzada de la barrena. La acción de corte es más eficaz cuando las astillas de roca se retiran inmediatamente. El flujo de fluido alrededor y
por debajo de las barrenas puede observarse en la Cámara de Visualización de Flujo de Reed-Hycalog (extrema izquierda). La hidráulica convencional dirige
el flujo hacia el fondo o hacia la esquina del fondo de un agujero (izquierda). El líquido se dispersa 360° en forma radial, y mucha de la energía hidráulica del
lodo de perforación se pierde en el espacio anular. El flujo restante converge en las áreas de flujo estancado que coinciden con las zonas donde los cortadores hacen contacto con la roca, lo cual reduce la velocidad de flujo y la eficiencia de la limpieza del agujero, así como también la penetración. Los diseños
hidráulicos Mudpick utilizan boquillas anguladas en forma exacta y ligeramente extendidas para limpiar los cortadores y la formación antes de que interactúen, y mueven las áreas de flujo estancado lejos de las zonas de corte (derecha). La hidráulica del diseño Mudpick II maximiza la eficiencia en la penetración para las barrenas de insertos (extrema derecha). El flujo de fluido limpia los insertos internos y los del taco de apoyo, y se impulsa por debajo de los cortadores para limpiar el fondo del agujero. El flujo que pasa por debajo de los cortadores se maximiza para garantizar la remoción de las astillas.
48
Oilfield Review
Tipos de barrenas con cortador fijo
Estructura de acero
Diamante natural
Matriz
Híbrida
Perno de
conexión API
Diámetro
interior del portabarrena
Superficie de
enrosque
Bisel
Ranura del
saltador de barrena
Ranura de
soldadura
Cuerpo
Diámetro o
contorno de
corte
Insertos laterales
Diámetro o
contorno de
corte
Vacío de acero
Tacos de
soporte lateral
de diamante
Acero
sólido
Matriz de carburo
de tungsteno
Cortadores
laterales
Cortadores
frontales
Flanco o
adelgazamiento
Saliente Cono
PDC
Boquillas
intercambiables
Reborde
Cono
Saliente
Impregnada de diamante
Cuchillas
Boquillas
intercambiables
Husillos
giratorios
híbridos
impregnados
de diamante
Ranura
para desechos
Cortadores de PDC
Cortadores de PDC
> Barrenas de cortador fijo de acero y de matriz. Para fabricar las estructuras de las barrenas de acero, el cuerpo de las mismas se fabrica en tornos
controlados numéricamente por computadora, (CNC, por sus siglas en Inglés) (izquierda). Las barrenas de acero soportan mejor el impacto o las cargas
de torsión y se prefieren para formaciones blandas y tamaños de agujeros más grandes. El proceso de metalurgia de partículas pulverizadas se utiliza
para sinterizar las barrenas de matriz (derecha). Las barrenas de matriz que duran más y que pueden fabricarse en formas complejas, son las preferidas
cuando el lodo tiene un alto contenido de sólido, cuando las tasas (gasto, caudal, rata) de bombeo y la potencia hidráulica requeridas son altas, y para
pozos que exigen barrenas de vida útil prolongada. Las barrenas de diamante natural (arriba a la izquierda) e impregnadas de diamante (abajo a la derecha) son aptas para formaciones semiduras y extremadamente duras, cuya abrasividad es mediana o extremadamente alta. Los diamantes se colocan
sobre la superficie o se dispersan en la matriz de carburo de tungsteno en o cerca de las superficies de las cuchillas. Las barrenas de PDC (abajo a la
izquierda) son más adecuadas para formaciones que van de blandas a duras, con baja a alta abrasividad. Las barrenas híbridas (arriba a la derecha)
cuentan con husillos giratorios impregnados de diamante que comparten las cargas con elementos de corte primarios de PDC.
precisamente labrados y ligeramente más pequeños, perforados mediante fresas controladas
numéricamente por computadora, (CNC, por sus
siglas en Inglés) que también cortan el agujero
principal, las cuchillas, las ranuras para desechos
o conductos para el lodo, las cavidades de los
insertos laterales y de PDC, los agujeros de las
boquillas y las roscas. El acero es más blando que
Invierno de 2001
el carburo de tungsteno, pero en las áreas críticas pueden aplicarse metales duros. El carburo
de tungsteno es más frágil que el acero, pero
posee una mayor resistencia a la erosión. Los
polvos de carburo de tungsteno y una aleación
adherente se colocan en un molde con un núcleo
de acero y se sinterizan para producir barrenas
de matriz. Las partículas de carburo se unen y
forman un enlace entre la parte interna del
núcleo de acero y la capa exterior de carburo de
tungsteno o corona.
La energía necesaria para perforar una formación se determina por la acción cortante. De
los mecanismos básicos de remoción de rocas, el
corte es el más eficaz debido a que la resistencia
a la tensión de las rocas normalmente es menor
49
Barrena de diamante natural—ranurado
Barrena impregnada de diamante—triturado
Exposición
Angulo de
inclinación
posterior
Resistencia a la compresión sin confinamiento (UCS), lpc
Barrena de PDC—corte
Angulo de
inclinación
lateral
10,000
9000
Compresión
8000
Corte
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Lutita
Mancos
Lutita
Pierre
> Acciones de perforación de los cortadores fijos. Las
barrenas de diamante natural son barrenas de arrastre
que perforan ranurando (arriba a la izquierda). Las
barrenas impregnadas de diamante trituran las formaciones como una rueda abrasiva o lija (arriba a la derecha). Las barrenas de PDC perforan rápidamente cortando las formaciones en forma muy similar a como lo
hace un torno (centro a la izquierda). Como regla general, es más fácil remover la roca cortándola (abajo a la
izquierda). Los ángulos de inclinación posterior y lateral
y la exposición del cortador definen cuán agresivamente los cortadores de PDC harán contacto con las
formaciones (centro y abajo a la derecha).
Hasta 2732°F [1500°C]
>
Síntesis del compuesto policristalino de diamante. ReedHycalog fabrica cortadores de PDC utilizando dos prensas
cúbicas de diamante propias con seis yunques controlados en forma independiente, dispuestos en pares opuestos que aplican presiones y temperaturas ultraelevadas a
fin de lograr la unión de las capas de diamante entre sí
(izquierda). Los cortadores de PDC están formados por
una capa de partículas de diamante sintético, o tabla de
diamante, adherida sobre un substrato más grueso de carburo de tungsteno (centro). Estas estructuras de corte se
utilizan como tales, o adheridas a un refuerzo más largo de
carburo de tungsteno para facilitar el acoplamiento y proporcionar mayor exposición de corte. La fabricación de
cortadores de PDC requiere un control preciso de la presión y de la temperatura (derecha). El equipo más
moderno y las capacidades de síntesis interna de ReedHycalog, le ayudan a establecer las especificaciones del
PDC, mejoran el control del proceso y hacen más rápido el
desarrollo del producto.
a la resistencia a la compresión (izquierda). Las
barrenas de PDC perforan rápido debido a la
acción de corte que ejercen, lo que requiere
menos energía que las grandes cargas que ocasionan fallas por compresión en las formaciones.
Las barrenas de diamante natural y las barrenas
impregnadas de diamante perforan lentamente
ranurando y pulverizando respectivamente, lo
que hace que ambas requieran una gran carga
sobre la barrena y altos esfuerzos de torsión (torque). Las barrenas de cortadores fijos cuestan
más, pero perforan más rápidamente y duran
más que las barrenas de conos giratorios en
algunas formaciones duras y abrasivas.
El diamante, el material más duro conocido
por el hombre, es carbón cristalino casi puro. Es
10 veces más duro que el acero, 2 veces más duro y 10 veces más resistente al desgaste que el
carburo de tungsteno, y 20 veces más resistente
a la compresión que el granito. Además, entre
todos los materiales conocidos, el diamante
tiene el más bajo coeficiente de fricción y la más
alta conductividad térmica. Las barrenas de diamante natural utilizan diamante industrial (no de
la calidad del de las joyas) proveniente de rocas
naturales, que son trituradas y procesadas para
producir tamaños específicos y formas redondeadas regulares. Las velocidades de penetración
son relativamente bajas (aproximadamente 20
pies/hr [6 m/hr], como máximo), pero una barrena
de diamante diseñada adecuadamente puede
durar hasta 6 días a 15,000 pies [4572 m], en formaciones que van de semiduras a duras.
50
Substrato de carburo de tungsteno
(controlado por el cobalto mediante
el gradiente de concentración)
Tabla de diamante
Pieza de separación
Tabla de diamante
Hasta 2,000,000 lpc [13,733 MPa]
Partículas de diamante
Partículas de diamante
(controlado por el cobalto mediante
el gradiente de concentración)
Substrato de carburo de tungsteno
Anillos de sal
Oilfield Review
Arena gruesa
>
Microestructura del diamante sintético. Hoy en día, los componentes de PDC
son más durables al impacto y tienen mayor resistencia a la abrasión que en
el pasado (abajo). La optimización de la distribución de las partículas de diamante y del procesamiento térmico ha mejorado la calidad del diamante. En el
pasado, la relación inversa entre la resistencia al impacto y la resistencia a la
abrasión del PDC, ponía a los fabricantes y a los usuarios en una situación de
compromiso. En la actualidad, los cortadores clasificados como Top Righthand Corner (TRC) se fabrican utilizando una síntesis mejorada de diamante
para mezclar los tamaños de las partículas de diamante que optimizan tanto la
resistencia al impacto como la resistencia a la abrasión (arriba).
Arena fina mezclada
Arena muy fina
Lín
ea
de
10
co
mp
rom
9
Invierno de 2001
8
7
6
5
Resistencia a la abrasión
4
*1994 terminación de la patente para
la producción del compuesto PDC
3
Resistencia a la abrasión
Cuando se introdujeron las barrenas de diamante, se utilizaron pequeños diamantes en
forma de arenilla. Los diamantes se colocaron en
cuchillas de carburo de tungsteno durante la sinterización, pero las cuchillas tendieron a desgastarse demasiado rápido. Además, los diamantes
se aflojaban y finalmente originaban la detención
de la perforación. Esto dio como resultado barrenas convencionales de diamantes con piedras
más grandes fijadas siguiendo patrones específicos. No obstante, cuando los diamantes naturales fijados en la superficie se salen de la matriz o
se pulen, no quedan elementos duros y filosos
para moler las formaciones. Las velocidades de
penetración disminuyen y se presentan fallas de
desgaste del anillo.
En un principio, la aplicación de barrenas de
diamante natural no se comprendía bien y los
diseños se basaban en la intuición. Hoy en día,
las barrenas de diamante y el tamaño de los diamantes se ajustan a la dureza de la formación.
Las barrenas para formaciones más blandas utilizan diamantes grandes para producir hendiduras. Los diamantes pequeños producen más una
acción de pulverizado y se utilizan para perforar
formaciones duras.
Los diamantes naturales se forman en zonas
profundas de la tierra sometidas a intenso calor
y extrema presión durante miles de años. A principios de la década de 1970, General Electric
desarrolló un proceso de sinterización para fabricar diamantes sintéticos. Delgadas capas circulares de grafito de carbono y cobalto se
colocaban en forma alternada en pequeñas latas
y se prensaban a 2 millones de lpc [13, 733 MPa].
Luego se las calentaba hasta 2732°F [1500°C]
durante cinco minutos. El cobalto fundido,
actuando como catalizador y solvente, disuelve
el grafito y deposita arenilla monocristalina de
diamante, la cual se conglomera y se une para
formar una capa policristalina de diamante o
tabla. Los cristales individuales, como los diamantes naturales se resquebrajan si las cargas
de impacto se aplican en la dirección correcta,
pero los diamantes policristalinos adheridos, no
cuentan con planos de clivaje (resquebrajamiento) y son más resistentes al impacto.
Resistencia al impacto
iso
2
1
0
1979
1984
1986
Reed-Hycalog utiliza proveedores externos,
pero también produce cortadores de PDC para la
investigación y la fabricación de barrenas con dos
prensas cúbicas de diamante propias (página
anterior, abajo). Este enfoque ayuda a establecer
las especificaciones de las barrenas de PDC en
vez de tener que evaluar y aceptar únicamente
productos estándar. Los cortadores de PDC están
formados por discos de diamante sintético y
substratos más gruesos de carburo cementado. El
cobalto forma un enlace con el substrato para formar compactos integrales que con frecuencia se
adhieren a refuerzos más largos de carburo
cementado para el montaje.
Al ser calentado, el cobalto se expande más
que el diamante. A 1292°F [700°C] esta expansión
quiebra el enlace entre el cobalto y el diamante,
de modo que los cortadores de PDC deben permanecer por debajo de esta temperatura a fin de evitar la falla. Para ayudar a superar esta limitación,
los diamantes policristalinos termalmente estables, (TSP, por sus siglas en Inglés) se producen
tratando con ácido los nuevos diamantes sintéticos con el fin de extraer el cobalto. Los cortadores de TSP permanecen estables a 2100° F
[1150°C], pero son mantenidos en su lugar en forma mecánica debido a que ellos no pueden permanecer adheridos directamente a los soportes.
El silicio, el cual reacciona con las partículas de
diamante para formar el carburo de silicio, puede
utilizarse en lugar del cobalto. El carburo de silicio
enlaza las partículas de diamante y posee un coeficiente de expansión térmica mucho menor al del
cobalto. Esta forma de TSP es estable a más de
1150°C, pero también es difícil de adherir.
1987
1988
1993
1994* 1996
1997
Los cortadores de PDC son más resistentes al
impacto que los diamantes naturales y son extremadamente eficaces en rocas duras moderadamente abrasivas. La resistencia a la abrasión se
mejoró en forma importante después de 1994 debido al desarrollo acelerado de materiales, pero
seguía existiendo una situación de compromiso
debido a la relación inversa entre la resistencia
al impacto y a la abrasión. Estas propiedades dependen principalmente del procesamiento y del
tamaño del grano del diamante. Granos más
grandes hacen que los compactos de diamante
sean más resistentes al impacto, pero menos resistentes a la abrasión. Los granos más pequeños incrementan la resistencia a la abrasión pero
reducen la resistencia al impacto. Reed-Hycalog
optimiza las estructuras de corte del diamante,
mezclando diferentes tamaños de polvo de diamante para proporcionar una mejor resistencia
tanto a la abrasión como al impacto (arriba).
El rendimiento del PDC también se ve limitado por el espesor de la tabla de diamante, lo que
es una función de la difusión de cobalto desde la
capa de carburo de tungsteno hacia la capa de
diamante, y mediante esfuerzos inducidos por la
expansión térmica y la contracción del carburo
de tungsteno. La tensión residual alta y las partículas de diamante no sinterizadas como resultado de una incompleta recolección de cobalto
durante la síntesis de PDC, ocasionan la separación de las laminaciones, el descascarillado y el
agrietamiento de las tablas de diamante que
acortan la vida útil del cortador y termina prematuramente con las carreras de las barrenas. Los
modernos cortadores ASTRA, utilizan diseños
51
con interfases diamante-carburo no planas, (NPI,
por sus siglas en Inglés) para resolver algunas limitaciones inherentes a los cortadores convencionales que utilizan interfases planas entre la
tabla de diamante y el substrato de carburo de
tungsteno (abajo).17 El espesor de la tabla de
diamante y las tensiones residuales han sido
siempre una debilidad del PDC, pero los mejoramientos en el procesamiento y la geometría NPI
incrementan el volumen del diamante y reducen
las tensiones en los cortadores modernos.
La geometría NPI reduce la tensión residual a
partir de la contracción del carburo y proporciona
un bloqueo mecánico en las interfases diamantecarburo para incrementar la resistencia al impacto.
El área superficial adicional para el enlace y la
difusión de cobalto, permite que los volúmenes de
diamante se incrementen de 25 a 40%. Los impactos fuertes ocasionan la ruptura de los cortadores,
especialmente cuando los cortadores de PDC son
nuevos y todo el peso aplicado sobre la barrena y
la fuerza cortante están dirigidos al extremo lateral. A medida que se desgastan los cortadores, las
fuerzas se esparcen a lo largo del borde desgastado, reduciendo las tensiones y el riesgo de daño.
Los cortadores TuffEdge presentan un ligero bisel
que reduce las concentraciones de tensión a
medida que los bordes cortantes hacen contacto y
comienzan a cortar.
La estabilidad de la barrena de PDC es un factor clave en cuanto al rendimiento general de la
perforación. El entendimiento de la dinámica y de
las características de diseño que ayudan a dominar
los movimientos destructivos de la barrena en el
fondo del hueco, es sumamente importante al
momento de diseñar y seleccionar barrenas de
PDC. Una barrena estable incrementa la velocidad
de penetración y la calidad del agujero, dura mucho
más, reduce el daño al resto del equipamiento de
fondo (BHA, por sus siglas en Inglés) y mejora el
manejo direccional mediante el suavizado de las
variaciones de los esfuerzos de torsión.
En el fondo del hueco, las barrenas de PDC se
mueven en una forma extremadamente caótica,
incluyendo vibraciones laterales, axiales y torsionales que se presentan solas o combinadas. Las
vibraciones en el fondo del hueco reducen la vida
útil de la barrena, dañando los cortadores de PDC
individuales, interfieren con el control direccional
y con la telemetría de adquisición de registros
durante la perforación, (LWD, por sus siglas en
Inglés), ocasionando variaciones de los esfuerzos
de torsión, y reducen la calidad del hueco, creando agujeros de diámetros mayores a los de la
barrena. Las vibraciones laterales, axiales y torsionales que se presentan en el fondo del hueco,
representan movimientos en forma de remolino,
el rebote de la barrena y movimientos de colgamiento-deslizamiento (stick-slip) respectivamente (próxima página).18
Borde estándar Borde biselado
Tabla de diamante
Substrato
Cortador de PDC
> Cortadores avanzados. El rendimiento de los cortadores de PDC se ha mejorado no solamente
mediante el uso de un material de diamante con más resistencia al impacto y a la abrasión, sino también a través de la geometría. Una superficie no plana proporciona un bloqueo mecánico entre la
tabla de diamante y el substrato de carburo de tungsteno, y una superficie mayor para la difusión del
cobalto (izquierda). Esto mejora los perfiles de tensión respecto de los cortadores de PDC planos,
incrementa la resistencia al impacto y permite volúmenes de diamante mucho mayores. Los mejoramientos en la resistencia al impacto también contribuyen a una mejor resistencia a la abrasión
mediante la ligera reducción de la microdevastación de las tablas de diamante. No obstante, no se
trata simplemente de incrementar el volumen del diamante. Las tablas de diamante más gruesas presentan menor resistencia a la abrasión, de modo que deben optimizarse simultáneamente las características de abrasión y desgaste por impacto. Los cortadores biselados reducen las concentraciones iniciales de tensiones en los bordes del PDC (arriba a la derecha).
52
Cuando los cortadores de PDC alcanzan el
fondo del hueco en forma asimétrica, el centro de
rotación instantáneo se desplaza hacia ese
punto, y la barrena intenta girar alrededor de un
punto diferente a su centro geométrico. Esto crea
un movimiento hacia atrás, o en forma de remolino, a medida que el centro de rotación de la
barrena se mueve alrededor del hueco en dirección contraria a la rotación de la barrena. Esto da
como resultado patrones de lóbulos múltiples en
el fondo del hueco, en lugar de los cortes circulares concéntricos de una barrena estable. Las
vibraciones laterales y las cargas de alto impacto
en la parte posterior de los cortadores de PDC
reducen la vida útil de la barrena y pueden ocasionar fallas catastróficas de la barrena. El movimiento en forma de remolino hacia delante es
menos destructivo y ocurre cuando el centro de
rotación instantáneo se mueve en la misma
dirección que lo hace la rotación de la barrena.
Los diseños de barrena estable reducen el
movimiento lateral ajustando el tipo, el tamaño,
la densidad, la orientación y la ubicación del cortador, de modo que los cortadores se sigan unos
a otros y no muerdan tan profundo.19 La inclinación posterior del cortador controla la agresividad con que los cortadores envisten las
formaciones y pueden utilizarse para reducir las
vibraciones, pero los ángulos elevados también
limitan la profundidad de corte y la velocidad de
penetración. Además del refuerzo de los nuevos
bordes del cortador de PDC, los cortadores
TuffEdge que tienen un borde delantero biselado
reducen la agresividad de la barrena, lo cual también incrementa la estabilidad. Los cortadores de
PDC DiamondBack, colocados detrás de los cortadores primarios en la misma cuchilla y a la
misma profundidad de corte, ofrecen mayor estabilidad y más volumen de diamante en los rebordes de la barrena, lo que permite contornos más
estables y más cortos.
El perfil de la barrena y la estructura del contorno, o configuración, actúan para mantener la
estabilidad. En las pruebas de laboratorio, los
perfiles o contornos planos o que cuentan con
conos internos profundos reducen las vibraciones
de la barrena. Los tacos de apoyo laterales, dispuestos en forma de espiral, reducen la capacidad de una barrena de penetrar lateralmente o
de penetrar directamente en las paredes de una
perforación, mediante el aumento de la circunferencia de contacto. Los tacos de apoyo laterales
biselados limitan la agresividad del corte lateral
y reducen la tendencia de las barrenas para
asirse a la pared del hueco y provocar inestabilidad. Las posiciones asimétricas de la cuchilla
Oilfield Review
Vibración
Dinámica de la barrena
Movimiento
Axial
Rebote
Torsional
Colgamiento-deslizamiento
Lateral
En forma
de remolino
> Vibraciones en el fondo del hueco. La dinámica de la barrena de PDC involucra tres modos de
vibración principales: axial, torsional y lateral que resultan, respectivamente, del rebote de la barrena,
los movimientos de colgamiento-deslizamiento (stick-slip) y los movimientos en forma de remolino
(arriba a la izquierda). El movimiento en forma de remolino es cualquier movimiento regular caracterizado por la rotación de la barrena alrededor de un punto diferente a su centro geométrico. Los movimientos hacia atrás en forma de remolino, en los cuales el centro de rotación se mueve alrededor del
agujero en oposición a la dirección de rotación de la barrena, reducen el rendimiento de la barrena,
dañan los cortadores de PDC y producen formas en el fondo del hueco predeciblemente lobulares
(arriba a la derecha). Los lóbulos generalmente avanzan en el fondo del hueco siguiendo una forma
de espiral en la pared del hueco (abajo a la izquierda) (no confundirse con un agujero en espiral en
donde la línea central toma una forma helicoidal). Una barrena estable realiza cortes circulares concéntricos (abajo a la derecha). El movimiento de colgamiento-deslizamiento hace que la barrena
tienda a disminuir su velocidad o se detenga, que aumente el esfuerzo de torsión y posteriormente,
que se acelere a medida que gira libremente. El rebote ocurre cuando las barrenas vibran hacia
arriba y hacia abajo en el fondo. Los movimientos de la barrena en el fondo del hueco ocurren solos y
17. Matthias TR, Griffin ND y Fuller JM: “Elements
Faced with Superhard Material,” Patente de EUA, No.
5,590,728 (Enero 7, 1997).
18. Brett JF, Warren TM y Behr SM: “Bit Whirl: A New Theory
of PDC Bit Failure,” artículo de la SPE 19571, presentado
en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE
No 64, San Antonio, Texas, EUA, Octubre 8-11, 1989.
Brett JF: “The Genesis of Bit-Induced Torsional Drillstring
Vibrations,” artículo de la SPE/IADC 21943, presentado en
la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC,
Amsterdam, Países Bajos, Marzo 11-14, 1991.
Langeveld CJ: “PDC Bit Dynamics,” artículo de las
IADC/SPE 23867, presentado en la Conferencia de
Perforación de las IADC/SPE, Nueva Orleáns, Luisiana,
EUA, Febrero 18-21, 1992.
Kyllingstad A y Halsey GW: “A Study of Stick-Slip Motion of
the Bit,” artículo de la SPE 16659, presentado en la
Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 62,
Dallas, Texas, EUA, Septiembre 27-30, 1987; también en SPE
Drilling and Engineering 3, no. 4 (Diciembre 1988): 369-373.
Invierno de 2001
Warren TM y Oster JH: “Torsional Resonance of
Drill Collars with PDC Bits in Hard Rock,” artículo de la
SPE 49204, presentado en la Conferencia Técnica y
Exhibición Anual de la SPE No 73, Nueva Orleáns,
Luisiana, EUA, Septiembre 27-30, 1998.
19. Sinor LA, Powers JR y Warren TM: “The Effect of
PDC Cutter Density, Back Rake, Size, and Speed on
Performance,” artículo de las IADC/SPE 39306, presentado en la Conferencia de Perforación de las IADC/SPE,
Dallas, Texas, EUA, Marzo 3-6, 1998.
20. Warren TM, Brett JF y Sinor LA: “Development of a
Whirl-Resistant Bit,” artículo de la SPE 19572, presentado en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la
SPE No 64, San Antonio, Texas, EUA, Octubre 8-11, 1989.
Sinor LA, Brett JF, Warren TM y Behr SM: “Field Testing
of Low-Friction Gauge PDC Bits,” artículo de la SPE
20416, presentado en la Conferencia Técnica y
Exhibición Anual de la SPE No 65, Nueva Orleáns,
Luisiana, EUA, Septiembre 23-26, 1990.
rompen los patrones lobulares regulares del
hueco. Las cuchillas montadas en forma de espiral proporcionan asimetría adicional rompiendo
la única línea de contacto del cortador, de modo
tal que es menos probable que la barrena
muerda uniformemente en forma lateral las formaciones y establezca un punto de rotación diferente al centro de la barrena.
Los ambientes en el fondo del hueco provocan muchas fuerzas sobre las barrenas de perforación. El equilibrio de las barrenas que se logra
con el diseño de las cuchillas y de los cortadores
que minimizan las fuerzas en desequilibrio, ha
sido reconocido como una característica de estabilidad. A pesar de que variaciones, tales como
la anisotropía y la dureza de la formación tienden
a anular las estructuras de corte equilibradas, el
equilibrio de las fuerzas, por lo menos, minimiza
las vibraciones laterales inducidas por la
barrena. En muchas aplicaciones, las barrenas
con una o más características estándar de estabilidad reducen la dinámica de la barrena y proporcionan un rendimiento aceptable. Sin
embargo, si las vibraciones son severas e impactan en forma significativa los resultados de perforación, se harán necesarias otras medidas.
Otra técnica consiste en instalar un taco de
apoyo lateral grande de baja fricción (LFGP, por
sus siglas en Inglés) de un lado de la barrena, y
acomodar los cortadores de PDC de modo que las
fuerzas en desequilibrio se dirijan hacia el taco
de apoyo. El diseño antiremolino del LFGP fue
desarrollado por Amoco Research para minimizar
las vibraciones laterales.20 La desventaja es que
las fuerzas desequilibradas y sus direcciones son
difíciles de predecir. La estabilidad de una
barrena LFGP también puede verse comprometida por grandes fuerzas de acción lateral, como
las que se presentan durante la perforación
direccional.
Reed-Hycalog utiliza un LFGP más grande sin
elementos de corte para compensar dicha incertidumbre. Debido a que las barrenas antiremolino carecen de capacidad de corte lateral, los
conjuntos de fondo deben minimizar las fuerzas
laterales para lograr un rendimiento óptimo.
Además de las características de estabilidad
estándar y de las barrenas antiremolino LFPG, se
utilizan conceptos de diseños específicos para
favorecer la estabilidad de la barrena. Estos conceptos incluyen el taco de soporte lateral continuo y los cortadores híbridos.
53
C
D
B
Barrena con baja relación
largo-diámetro (LAR): AB <1
CD
Barrena con tacos de soporte lateral
de baja fricción (LFGP)
Estabilizador superior
Estabilizador inferior
Barrena
corta
Radio corto
Barrena
larga
Radio largo
Barrena Steeringwheel
Giro de perforación direccional de tres puntos
Las barrenas Steeringwheel utilizan un taco de
soporte lateral continuo de 360° para centralizar la
barrena y mantener la estabilidad lateral (arriba).21
Dado que el contacto de corte cubre todo el hueco, es menos probable que la barrena penetre en
la pared del hueco, lo que reduce la vibración lateral, incrementa la vida útil de la estructura de corte y mejora la calidad del hueco. Estas barrenas
generan esfuerzos de torsión reactivos y mínimas
fluctuaciones de los esfuerzos de torsión, y perforan huecos uniformes para facilitar el deslizamiento y la transferencia de peso; factores esenciales
para controlar la orientación direccional.
Las barrenas Steeringwheel combinan el rendimiento direccional de los conos giratorios con
las altas velocidades de penetración de las barrenas de PDC y reúnen todos los requisitos para
perforar pozos direccionales y horizontales, incluyendo las bajas relaciones largo-diámetro, (LAR,
por sus siglas en Inglés), la respuesta uniforme a
los esfuerzos de torsión y el desempeño antiremolino. Es más fácil hacer girar una barrena corta que
una barrena larga. Las barrenas LAR cuentan con
una relación entre dimensiones—longitud de la
barrena dividida entre su diámetro—menor a uno
y facilitan las operaciones de incremento o disminución angular y de giro. Las barrenas
Steeringwheel, que fueron diseñadas principalmente para aplicaciones de control direccional, cuentan con una reducida longitud de corte y
un perfil plano que cumplen con el requisito LAR.
54
Estabilidad y perforación direccional. Las barrenas antiremolino estándar
utilizan tacos de apoyo laterales grandes de baja fricción, (LFGP, por sus
siglas en Inglés) (arriba a la izquierda). Los cortadores de PDC están dispuestos de modo que las fuerzas en desequilibrio se dirijan hacia el taco de
apoyo. Las barrenas Steeringwheel van más allá del concepto de LFGP ya
que cuentan con un anillo de contorno de corte continuo de 360° (abajo a la
izquierda). Esta característica centraliza la barrena y restringe los movimientos laterales, evitando que los cortadores exteriores penetren en la formación, lo que reduce los movimientos en forma de remolino e incrementa la
vida útil de la estructura de corte. Estas barrenas perforan huecos suaves de
diámetro uniforme, presentan menos fluctuación de los esfuerzos de torsión
y cuentan con una transferencia de peso más predecible. La respuesta uniforme a los esfuerzos de torsión de las barrenas Steeringwheel, en combinación con la baja relación largo-diámetro, (LAR, por sus siglas en Inglés) y el
perfil de corte corto, hacen que estos diseños sean particularmente adecuados para la perforación direccional (derecha, arriba y abajo).
>
A
< Elementos de corte híbridos. La combinación de la tecnología del PDC y
de los insertos impregnados de diamante natural, ayuda a proteger a los
cortadores de PDC contra el desgaste abrasivo y el daño causado por las
vibraciones en el fondo del hueco, lo cual incrementa la durabilidad y prolonga la vida útil de la barrena. Cuando las barrenas híbridas están nuevas,
los insertos impregnados de diamante no hacen contacto con la formación
y la barrena se desempeña como las barrenas de PDC convencionales,
garantizando máximas velocidades de penetración (arriba). A medida que
los cortadores de PDC se desgastan con las formaciones duras, los insertos de diamante penetran la formación y toman una participación creciente
de la carga, lo que minimiza el daño del PDC (centro). En las rocas más
blandas, los cortadores de PDC más eficaces toman nuevamente la mayor
parte de la carga, y la eficiencia de corte permanece alta (abajo).
Los cortadores de PDC que se siguen, o rastrean unos a otros, tienden a dejarse llevar por las
ranuras o hendiduras creadas por los cortadores
frontales, lo cual actúa para recuperar la estabilidad. Sin embargo, un seguimiento profundo disminuye la eficiencia de corte y reduce las
velocidades de penetración hasta el 66%. Las barrenas Transformation utilizan disposiciones de
cuchillas duales con seguimiento moderado para
equilibrar la estabilidad y la velocidad de penetración (próxima página). Los cortadores en las cuchillas primarias remueven aproximadamente el 80%
de la roca. Los cortadores de las cuchillas secundarias remueven menor cantidad de material y no
reducen las velocidades de penetración como ocurre con los cortadores adicionales agregados a las
cuchillas de las barrenas convencionales. Cuando
las barrenas Transformation encuentran formaciones duras, las cuchillas secundarias se vuelven
más importantes. Los cortadores de seguimiento
reducen las cargas en los cortadores primarios y
mejoran la estabilidad de la barrena, otorgándole
así una vida útil más prolongada.
Las barrenas Steeringwheel y Transformation
ofrecen estabilidad adicional en comparación con
los diseños LFGP. Tanto las barrenas
Steeringwheel, como las barrenas Transformation
utilizan hidráulica avanzada. Un diseño patentado
de flujo transversal emplea una boquilla interior
dirigida a cada una de las cuchillas primarias, y
una boquilla exterior frente a cada una de las
Nueva barrena híbrida
Formación dura
Formación blanda
cuchillas secundarias.22 El fluido sale por las
boquillas exteriores, limpiando y enfriando únicamente los cortadores que se encuentran sobre
las cuchillas secundarias antes de fluir hacia
adentro. El flujo a alta velocidad proveniente de
las boquillas internas crea una caída de presión,
o efecto venturi, que drena fluido de las boquillas
externas a través del espacio reducido que hay
entre las cuchillas. Las cuchillas primarias reci-
Oilfield Review
Barrena Transformation de PDC de
seguimiento moderado
Barrena de PDC convencional de
seguimiento intenso
Cuchilla primaria
(P)
Cuchilla
frontal
60°
Cuchilla
posterior
180°
Cuchilla secundaria
(S)
P
S
Cortador removedor de roca
S
P
P
Primaria o frontal
Secundaria o posterior
Otros cortadores
S
Hidráulica
S
P
Diseño Switchblade
Diseño convencional
> Cortadores secundarios (de seguimiento) y mejoras en la hidráulica. Las cuchillas de las barrenas de PDC convencionales generalmente comparten la remoción de la roca en forma equitativa. Para perforar en forma eficaz las formaciones interestratificadas blandas y duras, se han acoplado las cuchillas primarias
(P) y secundarias (S) (arriba) en las barrenas Transformation. El espaciado variable que existe entre los cortadores secundarios dispuestos en cuchillas adyacentes, le permite a los cortadores de las cuchillas primarias remover mayor cantidad de roca que los cortadores que siguen la misma trayectoria de las cuchillas secundarias (arriba a la derecha). Esto le permite a las barrenas perforar más rápidamente las formaciones blandas. Por otro lado, se reducen las cargas
sobre el cortador en las rocas más duras. Los cortadores secundarios también reducen la vibración en el fondo del hueco. El canal hidráulico de la barrena de
PDC convencional fluye hacia fuera desde el centro (abajo a la derecha). La mayor cantidad de este flujo es ineficiente y contribuye poco a limpiar y enfriar los
cortadores. Las barrenas Transformation y Steeringwheel utilizan diseños hidráulicos avanzados Switchblade de flujo transversal que le dan un uso eficiente
al flujo, dirigiendo el fluido desde las cuchillas secundarias hacia adentro para maximizar el flujo a lo largo de las cuchillas primarias (abajo a la izquierda).
ben el flujo de las boquillas interiores y exteriores. Estos diseños Switchblade distribuyen la
energía hidráulica en forma más eficiente para
mejorar la limpieza, el enfriamiento y las velocidades de penetración de la barrena.23
Las barrenas híbridas combinan la tecnología
del PDC y del diamante natural.24 Los elementos de
corte de carburo de tungsteno impregnados de
diamante se colocan detrás de los cortadores principales de PDC. Cada cortador impregnado funciona como un compañero de reparto de la carga
para un cortador de PDC específico en las regiones
de alto desgaste de una barrena. Estos cortadores
secundarios protegen a los cortadores de PDC en
condiciones de perforación severas y reducen el
desgaste en formaciones duras y abrasivas
(página anterior, abajo).25 Los diseños híbridos
mejoran la estabilidad de la barrena evitando cortes excesivamente profundos, lo que minimiza las
vibraciones laterales y torsionales provenientes de
los movimientos arremolinados y de los colgamientos-deslizamientos. Los cortadores impregnados de diamante también soportan la mayor parte
del impacto proveniente del movimiento hacia
atrás de la barrena, asociado con los movimientos
en forma de remolino.
La vibración axial hacia arriba y hacia abajo, o
el rebote de la barrena, ocasiona variaciones en la
profundidad de corte que se traducen en un
esfuerzo de torsión excesivo. Los cortadores
impregnados limitan la penetración de la formación y suavizan las rápidas fluctuaciones del
esfuerzo de torsión. Los cortadores impregnados
se colocan más abajo que los cortadores de PDC,
de modo que a medida que se incrementa el peso
sobre la barrena, estos hacen contacto con la formación y disminuyen la respuesta del esfuerzo de
torsión respecto al peso sobre la barrena; un
aspecto particularmente importante en las aplicaciones de perforación direccional. Las cargas laterales que se aplican a las barrenas cuando se
efectúan perforaciones con motores direccionales
de fondo, exponen a los cortadores externos de
PDC al daño por impacto. Para mantener un contorno eficaz, las barrenas de PDC de Reed-Hycalog
utilizan husillos giratorios impregnados que otorgan una protección adicional al contorno.
21. Caraway D, Hayward J, Taylor MR, Roberts TS, Taylor S
y Watson GR: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No.
5,904,213 (Mayo 18, 1999).
Caraway D, Hayward J, Taylor MR, Roberts TS, Taylor S
y Watson GR: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No.
5,967,246 (Octubre 19, 1999).
Caraway D, Hayward J, Taylor MR, Roberts TS, Taylor S
y Watson GR: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No.
6,092,613 (Julio 25, 2000).
22. Taylor MR, Murdock AD y Evans SM: “High Penetration
Rates and Extended Bit Life Through Revolutionary
Hydraulic and Mechanical Design in PDC Drill Bit
Development,” artículo de la SPE 36435, presentado en la
Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 71,
Denver, Colorado, EUA, Octubre 6-9, 1996.
23. Newton A, Taylor MR, Murdock A y Clegg JM: “Rotary
Drill Bits,” Patente de EUA, No. 5,671,818 (Septiembre 30,
1997).
Caraway D, Watson G y Newton TA, “Rotary Drill
Bits Having Nozzles to Enhance Recirculation,” Patente
de EUA, No. 5,699,868 (Diciembre 23, 1997).
24. Fuller J: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No. 4,718,505
(Enero 12, 1988).
Fuller J y Gasan JA: “Rotary Drill Bit for Use in Drilling
Holes in Subsurface Earth Formations,” Patente de EUA,
No. 4,991,670 (Febrero 12, 1991).
25. Williams JL y Thompson AI: “An Analysis of the
Performance of PDC Hybrid Drill Bits,” artículo de las
SPE/IADC 16117, presentado en la Conferencia de
Perforación de las SPE/IADC, Nueva Orleáns, Luisiana,
EUA, Marzo 15-18, 1987.
Hanna IS y Hollister K: “PDC Bits Proved Effective in
Drilling Severely Depleted Sands in the Gulf of Mexico,”
artículo de la SPE 19567, presentado en la Conferencia
Técnica y Exhibición Anual de la SPE No. 64, San Antonio,
Texas, EUA, Octubre 8-11, 1989.
Invierno de 2001
55
Contorno convencional
Contorno activo
> Contorno activo. Las barrenas rotativas direccionales requieren estructuras de corte agresivas en el contorno. Para lograr las trayectorias requeridas
del pozo, la barrena debe cortar en la parte lateral del agujero de la misma
forma en que las herramientas direccionales rotativas aplican esfuerzo lateral para apuntar la barrena en la dirección adecuada. En contraste con la
protección del contorno convencional (izquierda), el contorno activo cuenta
con diámetros reducidos de la barrena, cortadores del contorno de PDC totalmente redondeados con ángulos de inclinación posterior agresivos a lo largo
de todo el contorno, y husillos giratorios híbridos de carburo de tungsteno
que controlan la profundidad del corte lateral (derecha). Un número máximo
de cortadores expuestos incrementa la capacidad lateral de corte e incrementa la durabilidad de la barrena. Los diámetros más pequeños de la
barrena reducen la fricción y mejoran el flujo de fluidos en la región del
contorno, para un mejor enfriamiento y una mayor limpieza.
Perforación direccional
y barrenas especiales
Las barrenas de PDC juegan un papel importante
en la perforación direccional y son componentes
clave de los sistemas avanzados que perforan
huecos horizontales y pozos de alcance extendido
con trayectorias complejas. Los avances tecnológicos que se han producido en aspectos tales
como las configuraciones de las barrenas, las
estructuras de corte, los diseños hidráulicos y la
protección del contorno, han mejorado el rendimiento de la perforación direccional. No obstante, para cumplir con los retos de la perforación
direccional, es necesario aplicar la tecnología
adecuada.
Para un desempeño óptimo de la barrena se
deben minimizar las fluctuaciones de los esfuerzos de torsión durante la perforación direccional.
Los esfuerzos de torsión variables en los motores
direccionales disminuyen la maniobrabilidad e
inhiben el control direccional. Para los montajes
giratorios, los esfuerzos de torsión generados por
los colgamientos-deslizamientos de la barrena
producen vibraciones torsionales perjudiciales. El
aumento de los ángulos del cortador, la disminución en el tamaño del cortador y la utilización de
56
cortadores de respaldo híbridos, impregnados con
diamante reducen los esfuerzos de torsión. La tecnología híbrida reduce también las fluctuaciones
de los esfuerzos de torsión. Los cortadores biselados TuffEdge se utilizan para minimizar el daño
del PDC. Las barrenas aptas para las perforaciones direccionales y horizontales utilizan pequeños
cortadores de PDC, contornos planos y longitudes
reducidas de la barrena. El incremento en los puntos de contacto en la barrena de PDC que se logra
aumentando el número de cuchillas, de cortadores y de tacos de apoyo laterales, también reduce
las fluctuaciones de los esfuerzos de torsión.
Hoy en día, se encuentran disponibles barrenas para sistemas direccionales rotativos que
perforan pozos horizontales y de alcance extendido. La tecnología de empuje de la barrena, tal
como la de los sistemas direccionales rotativos
PowerDrive, permite realizar ajustes direccionales desde la superficie durante la perforación
rotativa. En lugar de utilizar un motor direccional
para inclinar o apuntar la barrena, una fuerza
generada por la herramienta desvía la barrena en
la dirección necesaria.26 Independientemente del
esfuerzo de torsión, la trayectoria de la barrena
se controla por válvulas y tacos de apoyo coloca-
dos en el fondo del hueco. Estos sistemas tienen
menos arrastre, transfieren el peso a las barrenas en forma más eficaz y logran mayores velocidades de penetración. La rotación continua de la
tubería mejora la limpieza del agujero y reduce la
tortuosidad del hueco, lo que significa menos viajes de limpieza y menores costos de equipo de
perforación. Los sistemas de rotación direccionales permiten el uso de barrenas agresivas y ofrecen oportunidades para optimizar las barrenas.
Las características específicas de la barrena
de PDC maximizan el rendimiento del sistema
direccional rotativo.27 Las barrenas para estos
sistemas requieren baja relación largo-diámetro
y un contorno activo o una estructura de corte
con contorno agresiva (izquierda).
Las barrenas de PDC convencionales no tienen una capacidad de corte lateral significativa.
Los elementos tradicionales de protección del
contorno, como los insertos de carburo de tungsteno o impregnados de diamante, elementos de
un compuesto policristalino de diamante térmicamente estable (TSP) y los cortadores de PDC
previamente aplanados, se utilizan únicamente
para mantener el diámetro del hueco constante y
perforar agujeros de tamaño normal. El concepto
del contorno activo, desarrollado por primera vez
para las aplicaciones del Mar del Norte, ofrece
cortadores de PDC completamente redondeados
con husillos giratorios híbridos de carburo de
tungsteno en forma de domo, ubicados directamente detrás de éstos como protección. Además,
el diámetro del contorno es reducido y se prescinde de la protección de los insertos para incrementar la exposición del cortador.
Las altas densidades del cortador y los bajos
ángulos de inclinación posterior que se observan
en los diseños del contorno activo, proporcionan
capacidad lateral de corte agresiva y mejoran la
maniobrabilidad. Los puntos de contacto del contorno activo—cortadores y husillos giratorios
híbridos—reducen la fricción del taco de apoyo
lateral, el arrastre y el esfuerzo de torsión de la
barrena. Los diámetros más pequeños del contorno mejoran el flujo del líquido alrededor de la
barrena, lo que ayuda al enfriamiento y a la limpieza del taco de apoyo lateral y de los cortadores. El contorno activo se utiliza tanto en las
26. Colebrook MA, Peach SR, Allen FM y Conran G:
“Application of Steerable Rotary Drilling Technology to
Drill Extended Reach Wells,” artículo de las IADC/SPE
39327, presentado en la Conferencia de Perforación de
las IADC/SPE, Dallas, Texas, EUA, Marzo 3-6, 1998.
Downton G, Hendricks A, Klausen TS y Pafitis D:
“New Directions in Rotary Steerable Drilling,” Oilfield
Review 12, no. 1 (Primavera de 2000): 18-29.
27. Barton S: “Development of Stable PDC Bits for Specific
Use on Rotary Steerable Systems,” artículo de las
IADC/SPE 62779, presentado en la IADC/SPE Asia Pacific
Drilling Technology Conference, Kuala Lumpur, Malasia,
Septiembre 11-13, 2000.
Oilfield Review
barrenas de acero como en las barrenas de
matriz. Esta técnica proporciona protección adecuada al contorno, pero las barrenas de acero
requieren un revestimiento de metal duro resistente a la erosión, debido al incremento del flujo
a través de los tacos de apoyo.
La experiencia es un factor crítico a la hora de
proveer soluciones para la barrena de perforación
direccional. En cuanto a la perforación direccional, la experiencia de Schlumberger se manifiesta
en el concepto PowerSteering, una combinación
única de tecnología y experiencia. En las aplicaciones de perforación direccional, el proceso
PowerSteering suministra las especificaciones de
la barrena más adecuada para cada aplicación,
las modificaciones necesarias de las barrenas
existentes o el diseño de una barrena para satisfacer las necesidades específicas del cliente.
En algunas ocasiones, existe la necesidad de
agrandar los huecos existentes o de perforar agujeros más grandes de lo normal por debajo del
revestidor, especialmente para mejorar los trabajos de cementación o terminar pozos en las formaciones que se dilatan o derrumban. En el
pasado, se utilizaban las barrenas ensanchadoras mecánicas que se expandían para cortar un
diámetro más grande del agujero debajo del
revestidor. Hoy en día, las barrenas asimétricas
se encuentran disponibles para estas aplicaciones. Las barrenas Bicentrix pasan a través de un
diámetro más pequeño para perforar un agujero
que es de mayor diámetro que el de la sección
anterior o el del revestidor (derecha). Las versiones más recientes de estas barrenas combinan el
escariador Bicentrix y los diseños direccionales
SteeringWheel con un escariador, cuyo patentado está pendiente, que permite que un agujero
agrandado sea perforado sin hacer un viaje extra
para el cambio de la barrena después de perforar
el cemento. Las cuchillas más cortas del escariador tienen una forma tal que proporcionan un
espacio entre el revestidor y los cortadores exteriores de las cuchillas más largas.
Barrenas impregnadas de diamante
La selección de las barrenas para formaciones
extremadamente duras y abrasivas encierra una
situación de compromiso. Las barrenas de PDC
perforan rápidamente, pero no duran mucho en
condiciones abrasivas; las barrenas de conos
giratorios perforan más lentamente, pero se desgastan más rápidamente y hacen agujeros de
tamaños más pequeños que su diámetro. Las
barrenas de diamante natural cuentan con mejores velocidades de penetración y duran más, pero
su selección se ha visto limitada, especialmente
para las formaciones interestratificadas donde
Invierno de 2001
los delgados filones blandos recubren la parte
frontal de la barrena, disminuyendo el rendimiento de la perforación. Durante los últimos 10
años, las barrenas impregnadas de diamante han
dado un giro sustancial. Con mejores materiales
de matriz y de diamante, y con nuevas técnicas
de fabricación, la resistencia al desgaste se ha
incrementado significativamente. Las barrenas
impregnadas pueden diseñarse para perforar formaciones blandas o duras y abrasivas. Las turbinas y los motores de fondo también se han
mejorado y pueden permanecer más tiempo en el
hueco para aprovechar la larga vida útil de las
barrenas impregnadas.
Las primeras barrenas impregnadas de diamante, que se remontan a la década de 1800,
perforaban muy despacio y eran principalmente
el último recurso cuando las formaciones eran
demasiado duras, abrasivas o muy profundas
para las barrenas de conos giratorios, de PDC o
con diamantes naturales fijados en la superficie.
Hoy en día, las partículas de diamante están suspendidas en la matriz de carburo de tungsteno de
las cuchillas de la barrena, a fin de incrementar
en gran medida la resistencia al desgaste. En
lugar de cortadores individuales, la superficie
total de la barrena contiene elementos cortantes
situados tan profundamente como los canales de
la hidráulica de la barrena. Los diamantes pulverizan las formaciones duras y los filos de las
cuchillas cortan las formaciones blandas en
forma similar a las barrenas de PDC. La velocidad
de penetración se reduce gradualmente a
medida que las cuchillas pierden el filo. La matriz
se desgasta para exponer continuamente nuevos
y filosos diamantes. La vida útil de la barrena es
una función del volumen impregnado de diamante que puede colocarse en la parte frontal de
la barrena. En consecuencia, las cuchillas más
altas duran más.
En el pasado, el uso de las barrenas impregnadas de diamante se limitaba a la perforación
de formaciones duras y abrasivas con turbinas de
alta velocidad. Durante los últimos años, el rango
de las aplicaciones se amplió a arenas interestratificadas, lutitas (esquistos), carbonatos y car-
Barrena Bicentrix
Barrena Bicentrix
dentro del revestidor
Espacio intermedio
Contacto
Contacto
Corte de agujero de mayor tamaño
Contacto
Barrena Bicentrix Steeringwheel
> Barrenas excéntricas. Las barrenas Bicentrix cuentan con una estructura agrandada, o escariador
(ensanchador, rectificador) en un lado para perforar agujeros más grandes debajo del revestidor
(arriba a la izquierda). Sin rotación, la asimetría le permite a la barrena pasar a través de un diámetro
más pequeño. Las barrenas Bicentrix Steeringwheel están diseñadas para perforar cemento y continuar taladrando en aplicaciones direccionales (abajo a la izquierda). La forma de la sección del escariador evita que los cortadores hagan contacto con el revestidor mientras se perfora el cemento
(arriba a la derecha). Los cortadores que se encuentran sobre el escariador giran con la barrena para
perforar un agujero de mayor diámetro (abajo a la derecha).
57
bón, así como también a rocas ígneas, metamórficas y conglomeradas perforadas en forma direccional con motores de fondo. Hoy en día, las
barrenas impregnadas de diamante son capaces
de perforar diferentes tipos de formaciones
(abajo). Un balance entre las propiedades del diamante y de la matriz, optimiza el rendimiento de
la perforación y el ahorro en los costos, especialmente en las aplicaciones de perforación que utilizan motores y turbinas de desplazamiento
positivo de alta velocidad. Para extender el rango
de aplicaciones de estas barrenas, se encuentran
disponibles tres contornos distintos (cono doble
profundo, doble cono superficial redondeado y
contorno redondeado plano).
Debido a que las barrenas impregnadas se
utilizan también en formaciones interestratificadas, se ha incrementado la demanda de las
estructuras de corte más agresivas. Para forma-
ciones blandas con filones delgados duros, las
barrenas impregnadas se complementan con elementos de corte triangulares o cúbicos TSP para
incrementar la agresividad. Los diseños
Duradiamond Transformation utilizan contornos
estriados (cuyo patentado está pendiente) con
cuchillas primarias, secundarias y terciarias a
diferentes alturas. Los bloques TSP se colocan en
las estrías de los bordes frontales de cada cuchilla, a fin de mantener estos bordes filosos. Estas
barrenas inician la perforación con 5 cuchillas,
posteriormente se convierten en barrenas de 10
cuchillas y finalmente en barrenas de 15 cuchillas. Esto ocurre a medida que se desgastan los
rebordes de altura variable.
Debido a que no existen áreas de baja presión
para drenar el fluido a lo largo de la barrena, cauces de flujo secundarios se conectan directamente a los conductos principales de flujo, de
modo que el flujo radial de alta presión fluya a
cada uno de los conductos. Esto proporciona un
flujo uniforme hacia todas las partes de la
barrena y reduce el taponamiento. Los cauces de
flujo convergen a diferentes distancias radiales,
para luego esparcirse en las áreas sin diamantes
y reducir las fallas por desgaste. Los conductos
del flujo en forma de V son más fáciles de limpiar, maximizan el volumen de la cuchilla y de las
partículas de diamante para un área de flujo
dada, y proporcionan un borde cortante agresivo.
Adaptación del rendimiento
de la barrena de cortador fijo
La perforación en el campo Tunu en el delta de
Mahakam cerca de Balikpapan, Indonesia, es
complicada debido a la presencia de formaciones
interestratificadas en la sección del agujero de
121⁄4 pulgadas. La litología en la parte superior de
Barrena Duradiamond
Barrena Duradiamond
Transformation
Matriz demasiado blanda
Matriz demasiado dura
P4
P5
Doble cono,
agresivo
Doble cono,
intermedio
Dureza óptima de la matriz
P7
Redondeado
de uso general
Prueba de verificación del contorno de la barrena impregnada de diamante
80
Velocidad de penetración, pies/hr
Superficie de la barrena
Conductos principales para el flujo y
cauces espiralados de arrastre
60
Carbonato con 21,000 Ipc
de resistencia a la compresión
sin confinamiento (UCS, por
sus siglas en inglés)
Cuchilla de la barrena
40
P4 6 pulg
P5 6 pulg
P7 6 pulg
20
0
5
10
Peso sobre la barrena, 1000 lbm
15
Bloques policristalinos
térmicamente estables, (TSP)
en el filo frontal de cada estría
> Barrenas impregnadas. Las barrenas impregnadas de diamante son muelas abrasivas especializadas. La tecnología Duradiamond proporciona opciones
para manejar cualquier tipo de formación dura. Se han desarrollado mezclas especiales de diamantes y carburo de tungsteno para incrementar las velocidades de penetración y asegurar una vida útil más larga de la barrena. El paralelismo entre el desgaste de la matriz y el del diamante equilibra la vida útil de la
barrena y la velocidad de penetración. Si la matriz es demasiado blanda, los diamantes se liberan antes de que se desgasten, lo que acorta el tiempo de utilización de la barrena. Si la matriz es demasiado dura, los diamantes no se exponen adecuadamente y las velocidades de penetración se reducen. Se encuentran
disponibles tres contornos distintos (centro). El contorno más agresivo es un doble cono profundo (azul) para perforar formaciones interestratificadas blandas y
secciones horizontales. El doble cono superficial redondeado (rojo) se utiliza en formaciones de resistencia intermedia. El contorno redondeado más plano
(verde) es un diseño de uso general para formaciones abrasivas más duras y secciones de incremento angular en los pozos direccionales. Las barrenas
Duradiamond (arriba a la izquierda) y Duradiamond Transformation (arriba a la derecha) utilizan una hidráulica de flujo radial para proporcionar flujo uniforme
sobre la superficie de la barrena (abajo a la izquierda).
58
Oilfield Review
Invierno de 2001
Estándar
Nueva
Columna
de
perforación
Estructura
de la
barrena
Cortador
de PDC
Balikpapan
INDONESIA
Yakarta
Formación dura
1600
1400
1300
1200
1000
800
600
400
200
30
25
20
15
10
5
0
Formación blanda
Sección, m
Velocidad de penetración (ROP), mph
tal sección consiste de arena blanda y homogénea, y arcilla. Más abajo, las formaciones están
constituidas de una arenisca homogénea de
resistencia media y de lutitas. Además, se
encuentran capas de caliza y dolomita a lo largo
de todo el intervalo. Los filones delgados de
caliza, los cuales no son abrasivos y son mucho
más blandos que la dolomita, tienen hasta 2 m [7
pies] de espesor. Los filones de dolomita extremadamente duros presentan poca porosidad y
tienen alrededor de 0.5 m [1.6 pies] de espesor.
Cuando se inició el desarrollo del campo en
1973, la sección de 121⁄4 pulgadas se perforaba
con lodo a base agua, consumiendo entre 8 a 12
barrenas de conos giratorios, a una tasa de penetración promedio de unos 9 m/hr [30 pies/hr].
Para la década de 1980 se comenzaron a utilizar
barrenas de PDC y lodo a base de aceite (petróleo). Las primeras barrenas de PDC fueron de
diseños estándar. Para perforar la sección se
necesitaban tres barrenas de conos giratorios y
tres barrenas de PDC, lo que mejoró la velocidad
de penetración a 10 m/hr [33 pies/hr]. A finales
de la década de 1980 y principios de la década de
1990, las barrenas de conos giratorios fueron
reemplazadas por barrenas de PDC y se utilizaban de tres a cuatro de tales barrenas para terminar la sección. El análisis de las barrenas
aplanadas indicó que las cargas de alto impacto,
aplicadas frente a los filones dolomíticos duros
ocasionó fallas catastróficas, (cortadores rotos,
desvastados o perdidos). Después de la utilización de las barrenas antiremolino convencionales, se evaluó un nuevo diseño para mejorar el
desempeño de las barrenas.
Se necesitaron barrenas más estables a fin de
reducir la vibración de la barrena, principalmente
los movimientos laterales en forma de remolino,
y completar la sección con una sola barrena, sin
embargo, las formaciones interestratificadas
complicaron la selección de la barrena óptima.
Las características necesarias para los filones
duros se contraponían a las necesarias para las
formaciones más blandas. Las formaciones blandas requieren una limpieza hidráulica eficaz, contornos agresivos, cortadores grandes y elevados
volúmenes de diamante utilizables para lograr
altas velocidades de penetración. En filones
duros, se requiere la tecnología antiremolino,
una baja fricción del contorno para lograr estabilidad y diseños óptimos del cortador para una
vida útil prolongada de la barrena.
Las fallas del cortador son ocasionadas por el
contacto inicial con los filones duros y por el
incremento en las vibraciones que se producen
cuando se abandona la roca dura. Cuando se
penetra la roca dura, los cortadores de la saliente
PDC estándar PDC antiremolino Nuevo diseño
1991 a 1996
1993 a 1995
1996 a 1997
PDC estándar PDC antiremolino Nuevo diseño
1991 a 1996
1993 a 1995
1996 a 1997
> Barrenas de cortador fijo adaptadas para cubrir aplicaciones específicas. La combinación de las tecnologías del PDC, incluyendo los tacos de apoyo laterales LFGP, la optimización del contorno y la
hidráulica Switchblade, proporcionan una solución que perfora las formaciones interestratificadas en
forma consistente y sin comprometer el desempeño general. El contorno poco profundo de la barrena
minimiza el daño del cortador al penetrar o abandonar filones duros, distribuyendo las cargas uniformemente entre las áreas del cono interior y el reborde exterior. Este nuevo diseño (arriba a la derecha),
fue comparado con dos tipos de barrenas utilizadas desde junio de 1991 hasta abril de 1997 en el campo
Tunu cerca de Balikpapan en Indonesia (arriba a la izquierda). La primera era una barrena de PDC
estándar; se utilizó en 14 viajes. La segunda era una barrena antiremolino convencional y se usó en 42
viajes. La nueva barrena tenía 20 viajes al momento de efectuarse la comparación. Esta barrena perforó
180% más metraje (abajo a la derecha) y 141% más rápido (abajo a la izquierda) que las barrenas de
PDC estándar; y 68% más metraje y 70% más rápido que las barrenas antiremolino convencionales.
hacen contacto primero y se sobrecargan con
relación a los cortadores que aún se encuentran
en un filón blando. Esta sobrecarga se ve reducida mediante un contorno corto. Una vez que se
abandonan los filones duros, el reborde y los cortadores del contorno se sobrecargan. Esto es aún
más dañino, debido a que los cortadores del contorno se encuentran a un radio mayor que los cortadores frontales, lo que incrementa la inercia de
impacto. Este efecto se ve minimizado mediante
el diseño de la profundidad y la altura del cono
para que sean iguales, de modo tal que el
reborde, los cortadores del contorno y los cortadores del cono compartan el peso de la barrena y
las cargas en forma uniforme cuando la barrena
abandona un filón duro (arriba).
Las barrenas estaban equipadas con cortadores
grandes para mantener una penetración alta en las
formaciones blandas y para maximizar el volumen
de diamante disponible, a los efectos de lograr la
vida útil necesaria de la barrena, para perforar la
sección completa con una sola barrena. Se utilizó
una barrena LFGP para reducir las vibraciones y evitar los movimientos en forma de remolino. La acu-
mulación de material sobre la barrena en las formaciones blandas fue un problema, de modo que
se utilizó un diseño hidráulico Switchblade con el
fin de mejorar el flujo sobre la superficie de la
barrena y así lograr una mejor limpieza, particularmente en el área de la ranura para desechos rodeada por la barrena LFGP. Para esta aplicación, se
seleccionaron barrenas con estructura de acero
debido a que son elásticas y, por lo tanto, reducen
el daño del cortador frente al impacto.
Inicialmente, la nueva barrena perforó la arenisca a 120 m/hr [394 pies/hr] y la arcilla a 80 m/hr
[262 pies/hr]. A medida que la formación se tornó
más dura cerca de la parte final de la sección, se
perforó la arenisca a velocidades de hasta 40 m/hr
[131 pies/hr] y la arcilla a velocidades de hasta 30
m/hr [30 pies/hr]. Los filones de dolomita dura se
perforaron a aproximadamente 0.5 a 1 m/hr [1.6 a
3.3 pies/hr]. El análisis del nuevo diseño reveló
poco o ningún daño causado por el impacto, indicando suficiente estabilidad de la barrena. No
hubo daño por calentamiento o desgaste, lo que
sugirió que el diseño hidráulico estaba enfriando
los cortadores en forma eficaz.
59
La optimización de la barrena de 121⁄4 pulgadas
fue extremadamente exitosa. En 1997, TotalFinaElf
modificó parte del programa de perforación del
campo Tunu y comenzó a perforar pozos de diámetro reducido. Esto implicó que las secciones de 121⁄4
pulgadas tuvieron que reducirse a 81⁄2 pulgadas. Se
diseñó una barrena más pequeña basada en las
tecnologías del PDC para confirmar que estas
características podían transferirse a otros tamaños
de barrenas. Cuando las barrenas de 81⁄2 pulgadas
fueron sometidas a pruebas en el campo, el rendimiento fue el mismo que el de las barrenas de
mayor diámetro.
Diseño, prueba y selección de la barrena
La simulación y el diseño conducen a muchos de
los avances que se están realizando en el diseño
y en la optimización de la barrena. Las simulaciones computarizadas de la dinámica de los fluidos
(CFD) se utilizan para investigar el diseño y optimizar el flujo del fluido en diversas aplicaciones.
Las técnicas CFD complementan las pruebas de
laboratorio o sirven como una alternativa de la
información experimental. El modelado de la
hidráulica de la barrena mediante las técnicas
CFD genera resultados rápida y económicamente,
y es particularmente útil cuando las formas complejas y las condiciones de flujo son difíciles de
reproducir en forma experimental.
El análisis mediante simulaciones CFD influenció los diseños del cortador fijo, tal como la
hidráulica Switchblade, y es cada vez más utilizado para el diseño de la hidráulica de las barrenas
de conos giratorios (arriba).28 Los resultados de
simulación deben validarse cuantitativamente,
de modo que la simulación CFD no reemplace las
pruebas experimentales de flujo, especialmente
para formas y diseños radicalmente diferentes.
Sin embargo, la utilización de modelos computarizados será una herramienta sumamente importante para acelerar el proceso de diseño.
Una clave para el modelado de la barrena de
PDC la constituyen las ecuaciones para las fuerzas que actúan sobre el cortador y la roca, y sus
interacciones. El programa HYDI, una herramienta de diseño avanzado para predecir las
fuerzas que resultan de las interacciones entre
los cortadores de PDC y la roca, ha estado en
desarrollo por más de tres años. Durante este
tiempo, los algoritmos se han optimizado
mediante pruebas efectuadas sobre un solo cortador y llevadas a cabo en el Laboratorio
Presurizado de Perforación (PDL, por sus siglas en
Inglés). Actualmente, el programa HYDI se utiliza
principalmente para calcular los desequilibrios de
las fuerzas, pero también puede indicar la estabi-
60
Corriente de flujo
Barrena de cortador fijo
Barrena de conos giratorios
> Simulaciones computarizadas de la dinámica de los fluidos (CFD). Al igual que otros métodos de
análisis de elemento finito, los programas de simulación CFD modelan el flujo de fluido alrededor de las
barrenas dentro de un hueco. Además de simular la hidráulica de la barrena de PDC, las técnicas CFD
están siendo utilizadas para optimizar la remoción de los recortes y minimizar el repulverizado en los
diseños Mudpick y Mudpick II. Este moderno programa de diseño reduce el tiempo necesario para
introducir nuevas barrenas en el campo.
lidad inherente de la barrena. Las simulaciones
de la barrena pueden efectuarse en modo cinemático (movimiento) o dinámico (fuerzas). Otras
opciones disponibles incluyen el movimiento de
la barrena, la inclinación de la barrena y la densidad del PDC. Actualmente, se está desarrollando
y sometiendo a prueba un modelo torsional.
El software de diseño avanzado asistido por
computadora, (CAD, por sus siglas en Inglés) le
permite a los ingenieros diseñar herramientas y
barrenas en tres dimensiones y producir modelos
matemáticos para controlar máquinas numéricamente por computadora (CNC, por sus siglas en
Inglés), que reproducen los diseños en forma
exacta en acero o carburo de tungsteno. Estas
capacidades facilitan la optimización y fabricación para cubrir necesidades específicas, reduciendo el tiempo de espera. De este modo, la
transferencia de las barrenas de los sectores de
ingeniería a los de manufactura se produce en
semanas en lugar de meses.
En el pasado, las barrenas de perforación se
evaluaban principalmente ensayando componentes individuales y haciendo pruebas limitadas a
pequeña escala a las barrenas completas, seguidas por la prueba del prototipo en el campo. Este
enfoque es costoso en términos de tiempo y
dinero. Las decisiones de diseño, con frecuencia,
se basan en el desempeño incompleto o inconsistente en el campo, y los productos finales no
siempre se optimizan. La realización de pruebas a
las barrenas a escala natural, utilizando muestras
de roca bajo presión se iniciaron en TerraTek en
Salt Lake City, Utah, EUA en 1977. En 1982, Reed
construyó el primer Laboratorio Presurizado de
Perforación interno para cubrir la brecha entre
las pruebas efectuadas a los componentes y las
prueba en el campo (próxima página). Esta instalación le proporciona a los operadores soluciones
efectivas en materia de costos y reduce el
tiempo para comercializar los productos de la
nueva barrena, permitiendo una evaluación prolongada de los cojinetes, los sellos y la grasa.
Los componentes individuales como los
forros metálicos, los sellos y las estructuras de
corte todavía se someten a pruebas utilizando
equipo especializado. Se encuentra disponible
un Equipo de Prueba de Resistencia para someter a pruebas a las barrenas durante largos períodos y en tamaño natural, en lodo de perforación
presurizado, y a temperatura elevada. Luego, las
28. Watson GR, Barton NA y Hargrave GK: “Using New
Computational Fluid Dynamics Techniques to Improve
PDC Bit Performance,” artículo de las SPE/IADC 37580,
presentado en la Conferencia de Perforación de las
SPE/IADC, Amsterdam, Países Bajos, Marzo 4-6, 1997.
Ledgerwood LW, Wells MR, Wiesner BC y Harris TM:
“Advanced Hydraulics Analysis Optimizes Performance of
Roller Cone Drill Bits,” artículo de las IADC/SPE 59111,
presentado en la Conferencia de Perforación de las
IADC/SPE, Nueva Orleáns, Luisiana, EUA, Febrero 23-25,
2000.
29. Mason KL: “Three-Cone Bit Selection With Sonic Logs,”
artículo de la SPE 13256, presentado en la Conferencia
Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 59, Houston,
Texas, EUA, Septiembre 16-19, 1985.
30. Fabian RT: “Confined Compressive Strength Analysis Can
Improve PDC Bit Selection,” Oil & Gas Journal 92, no. 20
(Mayo 16, 1994): 59-63.
Oilfield Review
barrenas son desmontadas para determinar las
características del desgaste. El sistema es capaz
de aplicar carga sobre las barrenas y velocidades
de rotación similares a las utilizadas en condiciones reales. Durante las pruebas se registran las
temperaturas, las presiones y los esfuerzos.
Debido a que estas pruebas generan condiciones
similares a las experimentadas en el campo, los
resultados de las pruebas ayudan a implementar
mejoras en el diseño. La Cámara de Visualización
de Flujo permite visualizar la circulación sobre la
superficie de una barrena a través de un plástico
transparente. Las áreas de flujo insuficiente o
excesivo pueden identificarse y corregirse antes
de que los prototipos de las barrenas sean sometidos a pruebas en el fondo del hueco.
Normalmente, las selecciones de la barrena
se realizaban utilizando los datos y los registros
de los pozos vecinos, pero este enfoque no toma
en cuenta la resistencia de la formación. Debido
a que la velocidad sónica está relacionada con la
dureza de la formación, los registros sónicos del
pozo se han utilizado tradicionalmente como una
indicación de la resistencia de la formación.29
Recientemente, se han desarrollado programas
que utilizan la información del registro sónico
para calcular la resistencia a la compresión sin
confinamiento (esto es, la dureza de la roca a presión atmosférica). Esto representa un avance respecto de la utilización directa de las velocidades
sónicas, pero con frecuencia subestima la resistencia de la formación en sitio. El análisis de
resistencia a la compresión es un nuevo método
cuantitativo para calcular la dureza de la roca, el
cual puede utilizarse para identificar la aplicación
adecuada de una barrena.30
El programa de Análisis de Resistencia de la
Roca, (RSA, por sus siglas en Inglés), se desarrolló en 1993 para la selección de la barrena de
PDC y recientemente se adaptó para las barrenas
de conos giratorios. El sistema RSA define la
dureza de la roca en términos de la resistencia a
la compresión confinada (en condiciones de confinamiento), la cual se aproxima a la dureza en
sitio. El programa utiliza los registros sónicos y
de rayos gamma del pozo, además de los datos
provenientes de los registros del lodo de perforación. Dentro del rango de litologías para las
cuales este programa es válido, la dureza de la
roca puede determinarse en forma exacta. Los
resultados del programa se representan gráficamente en un formato de registro de pozo, que
muestra las líneas de registro de los datos tal
como fueron adquiridos en el pozo, la litología
> Laboratorio Presurizado de Perforación (PDL, por sus siglas en Inglés). Las
instalaciones del PDL, incluyendo la Cámara de Visualización de Flujo y el
Equipo de Prueba de Resistencia, fueron esenciales para el desarrollo de los
diseños hidráulicos Mudpick, Mudpick II y Switchblade, de los sellos radiales
texturizados y del cojinete Threaded Ring. El equipo principal es una estructura
triangular que soporta cilindros hidráulicos que proporcionan energía a la
barrena. Un recipiente a presión dentro de esta estructura contiene las muestras de roca. Dos bombas tricilíndircas de lodo de perforación de 500 hhp proporcionan el sistema de flujo y la presión. La presión del recipiente para simular las condiciones del subsuelo en el agujero se genera mediante un regulador
controlado por computadora, el cual crea la contrapresión adecuada. Las instalaciones del PDL cuentan con un completo sistema de lodo de perforación
que permite utilizar sistemas de lodo de perforación a base de agua o aceite.
Invierno de 2001
61
interpretada con ayuda de la computadora, los
cálculos de la resistencia a la compresión confinada y varios cómputos opcionales sobre la
mecánica de la roca (abajo).
La información del programa RSA se utiliza en
los diseños de las nuevas barrenas y en la modificación de los diseños actuales. El programa es
más eficaz cuando las formaciones son homogéneas, isotrópicas y plásticas, lo que es típico de
muchas de las rocas que contienen petróleo y gas.
Este programa no funciona bien para conglomerados, sedimentos no consolidados o rocas altamente quebradizas o no plásticas como son las
rocas ígneas y metamórficas. Además, el análisis
de resistencia a la compresión por sí mismo no
indica las formaciones abrasivas o los minerales
dañinos como la pirita.
Seguimiento y monitoreo del
rendimiento de la barrena
La manera más segura de optimizar las barrenas y
mejorar el rendimiento de la perforación es cuantificar la experiencia monitoreando los éxitos y los
fracasos. La base de datos de los viajes y, los parámetros de las barrenas, es vital para que los fabricantes de barrenas evalúen el rendimiento de la
perforación. Reed-Hycalog ha reconocido desde
hace tiempo las ventajas de contar con una base
de datos de los viajes de las barrenas para cerrar
el ciclo de diseño.
Una sola base de datos BitTrack de toda la compañía se encuentra vinculada a toda la organización, de modo que la información de rendimiento
de las barrenas y la información disponible de los
pozos vecinos estén disponibles en las locaciones
de campo en todo el mundo. Para analizar y solucionar los problemas, los ingenieros de todos los
sectores de la compañía utilizan la base de datos
BitTrack, tanto para las barrenas de conos giratorios como para las barrenas de cortadores fijos.
Las estrategias PowerSteering requieren que la
base de datos registre los factores y las variables
relacionadas con la perforación direccional, incluyendo los datos del conjunto de fondo, las especificaciones del motor, las trayectorias del pozo y los
datos de inclinometría. La base de datos BitTrack
es útil también para monitorear las pruebas de rendimiento de las barrenas, así como las barrenas en
su uso general. Al poder rastrear, manipular y evaluar los datos de rendimiento de las barrenas el
análisis se hace más fácil y más útil.
La dinámica del subsuelo afecta la vida útil
de la barrena, pero los fenómenos como los
movimientos en forma de remolino y de colgamiento-deslizamiento son difíciles de detectar y
monitorear con exactitud en la superficie, debido
> Análisis de Resistencia de la Roca, (RSA, por sus siglas en Inglés). El programa de análisis por computadora fue desarrollado para ayudar en la selección de barrenas de PDC. El programa utiliza la información de los datos sónicos y de rayos gama, obtenida de los registros del pozo, así como también
datos de los registros de lodo de perforación, para definir en forma exacta la dureza de la formación en términos de resistencia a la compresión confinada
o dureza en sitio. Los resultados del programa se representan gráficamente en un formato de registro de pozo, que muestra las líneas de los datos tal
como fueron adquiridos en el pozo, la litología interpretada con ayuda de la computadora, los valores calculados de la resistencia a la compresión
confinada y los parámetros de la mecánica de la roca.
62
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4
Obturador de
comunicación
2
1
0
-1
Colgamientodeslizamiento
120
80
40
0
5000
4000
-2
RPM
Sistema de
adquisición
de datos
Módulo del
sensor
Remolino
3
Pulgadas
Baterías
Esfuerzo de torsión, pies-lb
Conexión
roscada
regular
-3
3000
2000
1000
-4
0
-4
-3
-2
-1
0
1
Pulgadas
2
3
4
0
2
4
6
Segundos
> Registro de datos de la barrena en el fondo del hueco. El sistema del Equipo de Investigación de Perforación (DRT, por sus siglas en Inglés), contiene
acelerómetros para medir la aceleración lateral, axial y torsional (de rotación) y también para determinar la posición espacial de una barrena. Además, el
equipo mide la velocidad de la barrena y la orientación angular con un magnetómetro, y el peso sobre la barrena y los esfuerzos de torsión con extensímetros (strain gauges). Los sensores miden la temperatura y la presión (interna y externa).
a la masa de la columna de perforación, a la flexibilidad y a los efectos de amortiguamiento.
Como resultado, ha sido difícil desarrollar un
total entendimiento de la dinámica del subsuelo.
En forma similar, los datos de laboratorio no
siempre representan ambientes operativos reales. Para superar estas limitaciones, Reed desarrolló el paquete de sensores del Equipo de
Investigación de Perforación (DRT, por sus siglas
en Inglés), para capturar los datos de alta frecuencia del subsuelo, evaluar las barrenas en
ambientes operativos reales, identificar los nuevos desarrollos potenciales, validar las pruebas
de laboratorio y mejorar el diseño predictivo
(arriba). Actualmente, se están utilizando dos
equipos DRT (63⁄4 pulgadas y 91⁄2 pulgadas).
El equipo de 63⁄4 pulgadas se ha utilizado tanto
con barrenas de conos giratorios como con barrenas de cortadores fijos. El sistema DRT mide el
movimiento de la barrena (axial, lateral y las aceleraciones de rotación), la velocidad, la orientación angular, el peso sobre la barrena y los
esfuerzos de torsión, así como también las presiones y temperaturas internas y externas. Los
datos continuos de baja velocidad se registran
durante todo el viaje. Los aumentos bruscos que
se manifiestan en los datos a altas velocidades,
también pueden registrarse durante eventos específicos o lapsos de duración determinada. Esta
herramienta mejora el entendimiento de la dinámica del subsuelo, posiblemente el área más im-
Invierno de 2001
portante de las operaciones de perforación. La
predicción y el control de la dinámica de la barrena incrementará el rendimiento de la barrena
y facilitará la optimización de la misma. La combinación de los sensores de la herramienta DRT y
la base de datos BitTRack, constituyen una poderosa herramienta para optimizar los diseños de
las barrenas y el rendimiento de la perforación.
En el futuro
¿Cuál es el futuro de las barrenas de perforación?
Los nuevos productos y servicios de perforación
incluirán la adquisición sísmica durante la perforación, el posicionamiento global de las barrenas, el análisis del yacimiento frente a la
barrena, la predicción de la vida útil de la barrena, y el control y monitoreo de la dinámica de la
barrena en tiempo real. Las áreas de investigación en curso incluyen pruebas de laboratorio a
escala natural, monitoreo de los datos de fondo,
modelado para optimizar la barrena y la perforación, y la tecnología de materiales emergentes.
La especialización y fabricación de barrenas para
cubrir o satisfacer necesidades específicas, jugarán papeles cada vez más importantes en la
generación de productos, servicios y soluciones
relativos a las barrenas. La modernización del
proceso de manufactura mediante la colocación
de fresas y tornos juntos en celdas, ha facilitado
la fabricación de barrenas destinadas a aplicaciones específicas, han mejorado la eficiencia y
reducido el tiempo de fabricación. Esto permite
el rápido equipamiento con nuevas maquinarias
para tener en cuenta las revisiones de diseño.
Finalmente, el objetivo principal de cualquier
barrena de perforación es aplicar la mejor estructura de corte y optimizar la acción de corte para
ayudar a construir pozos efectivos en materia de
costos. La tecnología de materiales emergentes,
como los compuestos de diamante, seguirá
siendo importante en los futuros desarrollos de
barrenas. Todo el potencial de estos materiales
para mejorar el rendimiento de la perforación
depende del desarrollo de procesos necesarios
para fabricar formas cortantes más eficaces y
para producir materiales más resistentes.
También constituyen áreas activas de investigación las modificaciones de la interfase del substrato de carburo de tungsteno y el diamante, la
medición y modificación de la tensión residual y
los revestimientos de diamante de distintas calidades. Los nuevos procesos llevados a cabo a
alta presión y alta temperatura están incrementando la eficiencia en la producción de diamante, lo cual reduce los costos y amplía el
rango de aplicación de los elementos con compuestos de diamante que se encuentran a lo
largo de las estructuras de corte, tanto de las
barrenas de conos giratorios como de las barrenas de cortadores fijos.
– MET
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