Oilfield Review. Diseño de barrenas de perforación. Transporte de herramientas al fondo del pozo. La geoquímica de las rocas generadoras

Transcripción

1 Oilfield Review Volumen 23, no. 2 Diseño de barrenas de perforación Transporte de herramientas al fondo del pozo La geoquímica de las rocas generadoras Avances ambientales

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3 Desde la barrena hasta el piso de perforación: Un enfoque integrado basado en el BHA La primera patente correspondiente a la barrena rotativa para formaciones duras, registrada en el año 1909, marcó el nacimiento de la industria moderna de las barrenas de perforación. En esa época, las barrenas eran diseñadas con dos conos de dientes fresados interbloqueados, y la perforación de unos pocos metros se consideraba una buena carrera. Recién en la década de 1950, los ingenieros diseñaron las barrenas tricónicas que se asemejan más a las utilizadas actualmente. Hoy, las demandas que se imponen sobre las barrenas de perforación son más exigentes. Mientras que las barrenas de cortadores fijos y las barrenas de conos giratorios fueron diseñadas originalmente para ser corridas hasta su destrucción, ahora se espera no sólo que excedan las expectativas en materia de rendimiento de perforación sino que además terminen la carrera, intactas. La barrena de perforación moderna debe tener la capacidad para perforar rápidamente, proveer buena orientabilidad para el control direccional, y durar un tiempo prolongado en el fondo del pozo aun en los ambientes más extremos. Si bien los costos de las barrenas representan habitualmente menos del 1% del costo total de la construcción de un pozo, la barrena correcta puede mejorar inmensamente el rendimiento de perforación y, en consecuencia, generar un ahorro de varios millones de dólares para el operador. De hecho, la introducción de las barrenas de un compuesto policristalino de diamante (PDC) a comienzos de la década de 1970, junto con las mejoras permanentes de los componentes de las barrenas de conos giratorios, desempeñó un rol muy importante en la reducción de los costos totales de los pozos para nuestros clientes. Además, estos mejoramientos proporcionan a los ingenieros de nuestros días la capacidad para planificar pozos con trayectorias complejas, que son críticos para la rentabilidad de las compañías petroleras en yacimientos cada vez más complejos. A primera vista, puede ser difícil percibir las diferencias existentes entre una barrena de perforación de alta calidad y otra que perforaría con la mitad de la velocidad de penetración o que carecería de la orientabilidad. En efecto, sin un conocimiento considerable de las complejidades del diseño y la ingeniería de los materiales involucrados, es difícil apreciar el volumen de tecnología incorporada en las barrenas de perforación modernas o el enfoque científico aplicado a los métodos actuales de diseño y selección de las barrenas. Hoy en día, las mejoras significativas registradas en materia de ingeniería de materiales, software de diseño, y procesos de manufactura, proporcionan barrenas de perforación que son diseñadas a medida para cada aplicación. Estos diseños se validan rápidamente en el mundo virtual del modelado por computadora, y en una cuestión de días se envían al área de producción. Esto contrasta de manera rotunda con el enfoque de tipo prueba y error utilizado por los primeros fabricantes de barrenas. Esta nueva metodología permite que se proporcione la solución correcta con la primera iteración del diseño, lo que posibilita que nuestros clientes obtengan ahorros en forma inmediata en lugar de hacerlo luego de costosas y prolongadas pruebas de campo. Como individuo que ha estado involucrado en la industria de las barrenas de perforación durante 15 años, me complace que esta edición de Oilfield Review presente un artículo que explique algunas de las tecnologías de barrenas de perforación utilizadas actualmente por la industria (véase El diseño de las barrenas: Desde arriba hasta abajo, página 4). Pero, qué sigue ahora? El diseño de las barrenas y las mejoras de los materiales de diamante indudablemente seguirán evolucionando. La ingeniería de materiales es lo que impulsa el avance de las barrenas de perforación, y las inversiones en esa disciplina se están intensificando rápidamente. Las barrenas de PDC futuras podrán perforar rocas más duras que las que fue posible perforar en el pasado, y la meta de una barrena por intervalo se alcanzará con más frecuencia. No obstante, el objetivo a largo plazo es considerablemente más ambicioso que la evolución de las barrenas de perforación. Nos proponemos diseñar todo el arreglo de fondo de pozo (BHA) como un solo sistema más que como componentes discretos. Si bien la velocidad de destrucción de las rocas siempre tendrá una importancia significativa para los perforadores, la confiabilidad general de los sistemas y el emplazamiento óptimo de los pozos son facetas igualmente importantes de las operaciones de perforación verdaderamente eficientes. Por consiguiente, creemos que el próximo cambio radical en materia de rendimiento de perforación surgirá a través de un enfoque integrado, basado en los sistemas, de la ingeniería y el diseño del BHA completo, incluida la barrena de perforación, las herramientas de perforación y el fluido de perforación, además de las herramientas de perforación direccional, de obtención de mediciones durante la perforación y de adquisición de registros durante la perforación; todo, desde la barrena hasta el piso de perforación. La gama más amplia de productos y servicios ahora disponible en nuestro portafolio hará posible el desarrollo de productos que son necesarios para lograr este mejoramiento del rendimiento y de la confiabilidad. El mayor conocimiento de los problemas técnicos y la mitigación de los riesgos con antelación a los programas de perforación ayudarán a nuestros clientes a obtener ahorros significativos de costos y a mejorar el desempeño. Para hacer posibles estos ahorros de costos, estamos incrementando significativamente nuestras inversiones en proyectos de Investigación y Desarrollo de corto y largo plazo. Además, estamos empleando procedimientos únicos de resolución de problemas que atraerán la próxima generación de ingenieros y científicos especialistas en materiales hacia la industria de E&P. La industria siempre se esforzará por el mejoramiento continuo. Como compañía proveedora de servicios para los operadores de petróleo y gas de todo el mundo, Schlumberger asume este desafío con responsabilidad y pasión. Guy Arrington Presidente de Bits and Advanced Technologies Schlumberger Guy Arrington desde el año 2010 se desempeña como presidente de Bits and Advanced Technologies, una compañía de Schlumberger. Guy ha estado involucrado en la industria de perforación durante 24 años. Pasó 14 años en el negocio de las barrenas de perforación, trabajando en las áreas de manufactura, ingeniería de campo y desarrollo de negocios en EUA y a nivel internacional, y posteriormente, en manejo de productos y de ingeniería de campo. Ingresó en el segmento Drilling and Measurements de Schlumberger en el año 2001, primero como gerente de desarrollo de negocios y luego como vicepresidente para Europa, Asia Central y África. Guy fue vicepresidente de operaciones en aguas profundas antes de dirigir el equipo de integración de Smith Bits and Advanced Technologies, durante la fusión de Schlumberger con Smith. Posee licenciaturas en ingeniería industrial e ingeniería mecánica de la Universidad A&M de Texas. 1

4 Schlumberger Oilfield Review Editor ejecutivo Lisa Stewart Editores senior Matt Varhaug Rick von Flatern Editores Vladislav Glyanchenko Tony Smithson Colaboradores Ginger Oppenheimer Rana Rottenberg Mark Andersen Diseño y producción Herring Design Mike Messinger Ilustraciones Chris Lockwood Tom McNeff Mike Messinger George Stewart Impresión RR Donnelley-Wetmore Plant Curtis Weeks Traducción y producción Lynx Consulting, Inc. info@linced.com; Traducción Adriana Real Edición Antonio Jorge Torre Subedición Nora Rosato Diagramación Diego Sánchez 1 Desde la barrena hasta el piso de perforación: Un enfoque integrado basado en el BHA Artículo de fondo aportado por Guy Arrington, presidente de Bits and Advanced Technologies, Schlumberger. 4 El diseño de las barrenas: Desde arriba hasta abajo La elección de la barrena correcta desempeña un rol clave en la optimización de la ROP, en la minimización de los costos del equipo de perforación y en el acortamiento del tiempo existente entre la puesta en marcha de los proyectos y la primera producción. En una época, los ingenieros diseñaban las barrenas sencillamente en base a estimaciones aproximadas de las características de las rocas a perforar. No obstante, el surgimiento de las computadoras de alta velocidad hizo posible que los diseñadores de barrenas consideraran la barrena y todo el sistema de perforación con mucho más detalle y de una manera mucho más holística que nunca. 20 Transporte de herramientas en pozo abierto y entubado Las operaciones de evaluación y disparos, y la ejecución de servicios mecánicos en pozos horizontales y de alto ángulo plantean desafíos para los operadores y las compañías de servicios. Este artículo analiza algunos de los métodos utilizados para bajar los equipos y las herramientas de adquisición de registros al fondo del pozo para las operaciones en pozo entubado y en agujero descubierto; el artículo describe además las opciones en materia de operación de herramientas para la adquisición de registros en pozos de alto ángulo y pozos horizontales. Enlaces de interés: Schlumberger Archivo del Oilfield Review Glosario del Oilfield Review Dirigir la correspondencia editorial a: Oilfield Review 1325 S. Dairy Ashford Houston, Texas EUA (1) Facsímile: (1) editoroilfieldreview@slb.com Dirigir las consultas de distribución a: Joao Felix Teléfono: (55) (Vivian) Directo: (55) Facsímile: (55) jpfelix@slb.com Sussumu Nakamura Teléfono: (55) (Patricia) Directo: (55) Facsímile: (55) snakamura@slb.com 2

5 Diciembre de 2011 Volumen 23 Número 2 36 La geoquímica básica del petróleo para la evaluación de las rocas generadoras La búsqueda de áreas prospectivas en extensiones productivas cada vez más complejas está proporcionando a las compañías de E&P una apreciación renovada de uno de los principios fundamentales de la exploración: la viabilidad de cualquier yacimiento prospectivo depende de la existencia de una roca generadora efectiva. La geoquímica del petróleo está demostrando su valor para asistir a los operadores a evaluar las rocas generadoras y cuantificar los elementos y los procesos que controlan la generación de petróleo y gas. La geoquímica es, además, una herramienta importante para reducir la incertidumbre inherente a la exploración y la producción de las cuencas de frontera. Este artículo explora las técnicas geoquímicas básicas utilizadas para evaluar las nuevas áreas prospectivas. Consejo editorial Dilip M. Kale ONGC Energy Centre Nueva Delhi, India Roland Hamp Woodside Energy, Ltd. Perth, Australia George King Apache Corporation Houston, Texas, EUA Richard Woodhouse Consultor independiente Surrey, Inglaterra Alexander Zazovsky Chevron Houston, Texas 48 Tecnología para los avances medioambientales En los últimos años, la industria de E&P mejoró muchas tecnologías y prácticas para remover o mitigar los efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Estas mejoras han sido introducidas a lo largo de todo el ciclo de vida de los campos. Muchas de esas nuevas tecnologías demuestran además el mejoramiento del desempeño respecto de las tecnologías que reemplazaron. 58 Colaboradores 61 Próximamente en Oilfield Review 62 Nuevas publicaciones 65 Definición del concepto de exploración: La búsqueda de petróleo y gas El segundo de una serie de artículos que introducen los conceptos básicos de la industria de E&P. Oilfield Review es una publicación trimestral de Schlumberger destinada a los profesionales de la industria petrolera, cuyo objetivo consiste en brindar información acerca de los adelantos técnicos relacionados con la búsqueda y producción de hidrocarburos. Oilfield Review se distribuye entre los empleados y clientes de Schlumberger y se imprime en los Estados Unidos de Norteamérica. A menos que se indique lo contrario, las siglas que aparecen en esta publicación corresponden al idioma inglés. Cuando se menciona sólo el lugar de residencia de un colaborador, significa que forma parte del personal de Schlumberger Schlumberger. Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida, archivada o transmitida en forma o medio alguno, ya sea electrónico o mecánico, fotocopiado o grabado, sin la debida autorización escrita de Schlumberger. En la portada: Un técnico de laboratorio de Smith Bits, una compañía de Schlumberger, efectúa una prueba para cuantificar las fuerzas de los cortadores de las barrenas y los recortes como una función de los mecanismos de falla de las rocas y de las tasas de remoción de éstas. Estos datos se utilizan para el análisis del diseño de las barrenas. Además, se corren escenarios virtuales para determinar parámetros tales como el perfil óptimo de la barrena, el número de cuchillas y cortadores, la longitud del calibre, el patrón que producen las barrenas en el fondo del pozo y el balance de fuerzas sobre las barrenas de conos giratorios (inserto, izquierda) y las barrenas de PDC (inserto, derecha). 3

6 El diseño de las barrenas: Desde arriba hasta abajo Si bien las barrenas individuales son uno de los componentes menos costosos utilizados en las operaciones de perforación, el retorno de la inversión de varios millones de dólares a menudo depende tanto del rendimiento de la barrena como de cualquier otro componente de los complejos sistemas de perforación de nuestros días. Inducidos por esa realidad, los ingenieros están incorporando computadoras poderosas y de alta velocidad, y las versiones más modernas de los programas de modelado y simulación en la ciencia del diseño de las barrenas. Prabhakaran Centala Vennela Challa Bala Durairajan Richard Meehan Luis Páez Uyen Partin Steven Segal Sean Wu Houston, Texas, EUA Ian Garrett Brian Teggart Tullow Oil plc Londres, Inglaterra Nick Tetley Londres, Inglaterra Traducción del artículo publicado en Oilfield Review, Verano de 2011: 23, no. 2. Copyright 2011 Schlumberger. Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Guy Arrington, Ashley Crenshaw, Diane Jordan y Chuck Muren, Houston; y a Emma Jane Bloor, Sugar Land, Texas. DBOS, IDEAS, i-drill, ONYX y Spear son marcas de Schlumberger. Desde hace tiempo, la selección de la barrena se considera clave para el éxito de las operaciones de perforación. La barrena correcta desempeña un rol esencial en la optimización de la velocidad de penetración (ROP), lo que ayuda a minimizar los costos del equipo de perforación y acorta el tiempo existente entre la puesta en marcha de un proyecto y la primera producción. En los programas de desarrollo de campos petroleros, la predicción de la ROP es crítica para la asignación eficiente de equipos de perforación, personal y material. Los operadores están perforando pozos de alcance extendido cada vez más complejos, en los que una barrena que no se adecua correctamente a la formación, los parámetros de perforación, el BHA, o las herramientas de fondo de pozo, puede introducir aspectos dinámicos indeseados o generar fuerzas que produzcan la desviación del pozo respecto de la trayectoria planificada. Por el contrario, una barrena diseñada correctamente genera un pozo más calibrado y un trayecto menos tortuoso. Estas características del pozo permiten a los ingenieros registrar el pozo con más facilidad y luego instalar los tubulares, las herramientas y los instrumentos requeridos para la terminación planeada. 4 Oilfield Review

7 Rebote de la barrena Atascamiento-deslizamiento (stick-slip) Flexión Remolino Hacia atrás Rápido Lento Hacia adelante Movimiento axial Oscilaciones torsionales Impacto lateral Sarta de perforación excéntrica > Las fuentes de las vibraciones. El movimiento axial, o rebote de la barrena, posee una frecuencia característica cuyo valor es principalmente una función de: el tipo de barrena, la masa del conjunto de fondo (BHA), la rigidez de la sarta de perforación y la dureza de la formación. Las oscilaciones torsionales, o el fenómeno de atascamiento-deslizamiento (stick-slip), son provocadas por un esfuerzo de torsión (torque) excesivo en la sarta de perforación. Este tipo de movimiento posee además una frecuencia dependiente de la masa del BHA, de la rigidez torsional de la sarta de perforación y de los puntos de contacto de la pata de perro. El fenómeno de atascamiento-deslizamiento a menudo se traduce en impulsos transitorios de vibraciones laterales extremas. El impacto lateral se refiere a la flexión lateral del BHA, y a menudo se acopla caóticamente a los movimientos axiales y torsionales. El movimiento en forma de remolino del BHA es la flexión y la precesión del centro de la columna de perforación alrededor del pozo. Este movimiento excéntrico puede tener lugar hacia delante es decir, en la misma dirección de rotación que la tubería o hacia atrás. El movimiento hacia adelante en forma de remolino es muy común, y es inducido por las fuerzas centrífugas causadas por cualquier desequilibrio leve de los portamechas o lastrabarrenas. El movimiento hacia atrás en forma de remolino se produce cuando las fuerzas de fricción ejercidas entre el portamechas y el pozo son suficientes para producir el retroceso de la sarta de perforación a lo largo de la pared del pozo. En una época, los ingenieros diseñaban y seleccionaban las barrenas sencillamente en base a estimaciones aproximadas de la dureza de las formaciones, la profundidad de los intervalos y la hidráulica de perforación. No obstante, como sucede con muchos aspectos de las operaciones de perforación y producción, en los últimos años la ciencia del diseño de las barrenas ha evolucionado a un ritmo acelerado. Las opciones disponibles dentro de las categorías generales de barrenas de cortadores fijos y barrenas de conos giratorios se han incrementado y han pasado de unas pocas a una amplia variedad diferenciada por el material de manufactura, los procesos y las funciones. 1 Si bien las barrenas nunca fueron diseñadas en total aislamiento, las computadoras de alta 1. Para obtener más información sobre los tipos de barrenas y su manufactura, consulte: Besson A, Burr B, Dillard S, Drake E, Ivie B, Ivie C, Smith R y Watson G: Bordes cortantes, Oilfield Review 12, no. 4 (Invierno de 2001): Xianping S, Paez L, Partin U y Agnihorti M: Decoupling Stick-Slip and Whirl to Achieve Breakthrough in Drilling Performance, artículo IADC/SPE , presentado en la Conferencia y Exhibición de Perforación de las IADC/ SPE, Nueva Orleáns, 2 al 4 de febrero de velocidad de nuestros días han permitido considerar todo el sistema de perforación con mucho más detalle y de una manera mucho más holística que nunca. Además, los diseñadores pueden ajustar mejor la barrena a la formación y evitar de ese modo las ROP bajas o el tiempo no productivo (NPT) excesivo causado por los viajes requeridos para reemplazar las barrenas gastadas. El resultado más perjudicial del diseño deficiente de una barrena es la generación de impactos y vibraciones excesivos en el fondo del pozo. Las vibraciones pueden producir cualquier cosa, desde una ROP lenta inducida por el desgaste prematuro de la barrena hasta el daño y la falla total de los complejos y costosos componentes electrónicos de fondo de pozo. Y son causadas principalmente por fenómenos de perforación, a menudo vinculados, conocidos como rebote, atascamiento-deslizamiento (stick-slip), flexión y movimientos en forma de remolino (arriba). El rebote de la barrena se produce principalmente durante la perforación de pozos verticales a través de formaciones duras, en general con barrenas de conos giratorios, pero también puede ocurrir con barrenas de cortadores fijos. La acción de corte de las barrenas de tres conos tiende a crear formas lobulares en el fondo del pozo, lo que hace que la barrena sea desplazada axialmente tres, seis o incluso nueve veces por revolución, modificando el peso efectivo sobre la barrena (WOB) y levantando reiteradamente la barrena para luego bajarla de golpe hasta el fondo del pozo. Las vibraciones axiales resultantes dañan los sellos, las estructuras de corte y los cojinetes de las barrenas, y los componentes del conjunto de fondo (BHA), y además reducen la ROP y destruyen los sensores de fondo de pozo. Según un operador, el fenómeno de atascamiento-deslizamiento da cuenta de aproximadamente un 50% del tiempo de perforación en el fondo del pozo. 2 Dicho fenómeno, una función de la velocidad de rotación del BHA, tiene lugar cuando la barrena deja de girar debido a la fricción producida entre ésta y la formación. Cuando el esfuerzo de torsión (torque) dentro de la sarta de perforación es mayor que estas fuerzas de fricción, la barrena se suelta de la pared del pozo y gira por la acción de destornillado de la columna de perforación larga, con velocidades angulares muy altas, lo cual produce un movimiento lateral destructivo. Volumen 23, no. 2 5

8 Barrenas de perforación Cortador fijo Cono giratorio Compuesto policristalino de diamante (PDC) Diamante Diente fresado Inserto Diamante natural Diamante impregnado Cortador fijo Cono giratorio PDC Diamante natural Diamante impregnado Diente fresado Inserto > Diseños de barrenas de perforación. La selección comienza con la elección de una barrena cuyo mecanismo de corte se encuentra fijado al cuerpo de la barrena o bien con conos giratorios. A su vez, la selección de los cortadores fijos (izquierda) puede ser refinada posteriormente en base a la dureza de la formación; se opta por PDC o por diamantes naturales que se encuentran en las cuchillas de los cortadores o están impregnados en el cuerpo de la barrena. Los conos giratorios (derecha) constan de estructuras de corte de dientes fresados o insertos. La flexión es causada por la imposición de demasiada fuerza descendente sobre la sarta de perforación. Esto puede generar impactos laterales cuando la sarta se encuentra suficientemente deformada para hacer contacto con el pozo. Otro operador estimó que el 40% del total de metros perforados en todo el mundo es afectado por los movimientos en forma de remolino de la barrena. 3 Los movimientos en forma de remolino generan un movimiento lateral severo en la barrena y el BHA. A raíz de un problema de desequilibrio de la perforación, generado por una barrena mal seleccionada o una interacción negativa entre la barrena y el BHA, uno de los lados de la barrena es empujado contra la pared del pozo, lo cual crea una fuerza de fricción. Cuando se perfora un pozo calibrado, la barrena rota alrededor de su centro. Pero durante un movimiento en forma de remolino, el centro instantáneo de rotación pasa a ser un cortador en la cara o el calibre de la barrena, de la misma manera en que un eje de giro desplaza el centro instantáneo de rotación de la rueda de un automóvil hacia el camino. En consecuencia, la barrena trata de rotar alrededor de este punto de contacto. Dado que el centro de rotación de la barrena se mueve a medida que la barrena rota, uno de los resultados del movimiento en forma de remolino es la generación de un pozo con una zona de mayor diámetro. El movimiento producido en este pozo puede hacer que los cortadores se desplacen hacia atrás (respecto de la rotación de superficie), o lateralmente, lo cual provoca que la barrena recorra distancias más largas por revolución que en un pozo calibrado. Estas acciones generan cargas de alto impacto sobre la barrena y el BHA. El movimiento en forma de remolino también crea una fuerza centrífuga que empuja la barrena hacia la pared que incrementa la fuerza de fricción; esto a su vez refuerza el remolino. 4 Tradicionalmente, el perforador debe modificar el WOB o la velocidad de rotación de la tubería para contrarrestar las disfunciones de la perforación, tales como los fenómenos de rebote, atascamiento-deslizamiento, flexión, y los movimientos 6 Oilfield Review

9 en forma de remolino de la barrena. El incremento del WOB puede inducir problemas de atascamiento-deslizamiento y el aumento de la velocidad de rotación puede generar movimientos en forma de remolino. Es posible que la restricción de ambas variables reduzca los cuatro tipos de vibraciones, pero a la vez genere una ROP inaceptablemente baja. La tercera opción consiste en hallar una combinación optimizada de las dos variables, lo que sólo puede lograrse si la barrena, el BHA, la sarta de perforación y el programa hidráulico se encuentran integrados como parte de un sistema de perforación más que como componentes aislados. Si bien hace mucho tiempo que los ingenieros saben cómo modelar el sistema completo, el volumen de cálculos necesarios para implementarlo requirió una inversión de tiempo que históricamente volvió la tarea económicamente insostenible. Por otro lado, los parámetros calculados fueron válidos sólo para un caso registrado en una formación específica y en un pozo determinado. Estas limitaciones han sido superadas en los últimos años a través de la proliferación de computadoras poderosas y de alta velocidad, que permitieron a los diseñadores modelar el rendimiento de los sistemas de perforación para aplicaciones específicas. El resultado fue el incremento de la capacidad para minimizar las vibraciones axiales y laterales mediante la determinación del rango óptimo de WOB y rpm. Aún más importante es el hecho de que los ingenieros pueden diseñar los sistemas antes de su manufactura. Este artículo examina las herramientas disponibles para el diseño de las barrenas modernas e incluye los programas de simulación, modelado y análisis por elementos finitos. Algunos casos de estudio de las áreas marinas de África Occidental, Perú y EUA demostrarán el impacto que el incremento de la capacidad computacional está produciendo en las operaciones de perforación. 3. Xianping et al, referencia Brett JF, Warren TM y Behr SM: Bit Whirl A New Theory of PDC Bit Failure, SPE Drilling Engineering 5, no. 4 (Diciembre de 1990): Besson et al, referencia 1. El diseño de la sarta de perforación como un proceso iterativo El objetivo del diseño de las barrenas de perforación es la creación de una barrena que, cuando se combine con el BHA, con la herramienta de fondo de pozo, con la formación a perforar y con los parámetros de perforación correctos, exhiba un rendimiento óptimo como lo definen las siguientes variables: ROP durabilidad estabilidad orientabilidad versatilidad. Cada uno de estos parámetros métricos es considerado por el operador de acuerdo con las características específicas de la sección a perforar. Por ejemplo, si la obtención de una ROP alta es el factor principal en un intervalo dado, puede ser necesario sacrificar la durabilidad de la barrena para aumentar la velocidad de la perforación, lo que se traduce en un desgaste más rápido de la barrena. De un modo similar, si la orientabilidad es la preocupación principal, el operador puede verse obligado a utilizar una barrena menos agresiva y reducir la ROP. Guiados por los objetivos del operador y las características de las formaciones a perforar, los diseñadores de barrenas consideran muchas opciones para cada una de las facetas de estas herramientas. El diseñador debe optar primero entre una barrena de conos giratorios y una barrena de cortadores fijos (página anterior). En las barrenas de conos giratorios, los conos giran en forma independiente al mismo tiempo que el BHA rota en el fondo del pozo. Cada cono posee estructuras de corte de acero cementado o insertos de carburo de tungsteno. Por su diseño, cortan y trituran como si fuesen cinceles, o penetran y rompen como si se tratara de palas, dependiendo de la dureza de la formación. Por el contrario, las barrenas de cortadores fijos, o barrenas de arrastre, poseen cuchillas integrales que giran juntas. Sus estructuras de corte de acero pueden incluir diamantes naturales suspendidos en la matriz de la cuchilla. El cuerpo de la barrena de cortadores fijos es una pieza colada de matriz de carburo de tungsteno o acero mecanizado. Los cortadores fijos que consisten de un compuesto policristalino de diamante artificial (PDC), cizallan el fondo del pozo. 5 Históricamente, las barrenas y los BHAs se escogían mediante un proceso de eliminación. Para un programa de perforación dado, los ingenieros primero elegían una barrena en base a los 6. Bentson HG y Smith HC: Rock-Bit Design, Selection and Evaluation, artículo API , presentado en la Reunión de Primavera del Distrito de la Costa del Pacífico del API, División de Producción, Los Ángeles, Mayo de datos de pozos vecinos. El volumen y el valor de los datos varían de acuerdo con la localización, pero para los perforadores resultan de especial interés los registros de barrenas que incluyen el tipo y diseño de barrena utilizados, la ROP, los metros perforados por barrena y una clasificación exacta de barrenas de la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC). Sobre la base de esta información, se escoge y se corre un tipo específico de barrena. Cuando el perforador determina que la barrena ha dejado de ser efectiva por ejemplo, cuando la ROP se reduce por debajo de una tasa predeterminada se extrae la sarta de perforación y se inspecciona la barrena. Hoy en día, este proceso empírico de selección de la barrena se mantiene en muchos programas de perforación. Luego, la barrena se analiza para determinar el desgaste y la rotura de la estructura de corte. Históricamente, los perforadores aprendían a través de la experiencia cómo examinar una barrena usada, o barrena desgastada, para decidir qué tipo de barrena correr a continuación o qué modificaciones efectuar al tipo de barrena en cuestión. En la década de 1950, la industria estableció directrices generales para relacionar los patrones de desgaste habituales de las barrenas con las posibles causas. 6 En 1961, en respuesta a la necesidad de contar con un vocabulario en común y un método estándar de presentación de informes, la Asociación Americana de Contratistas de Perforación de Pozos Petroleros (AAODC) estableció el primer sistema de clasificación del desgaste de las barrenas. Este sistema clasificaba el desgaste de los dientes y los cojinetes en una escala de 1 a 4, en la que el número 4 indicaba la falta de un diente o la presencia de un diente totalmente romo (chato), o la falta o bloqueo de un cojinete. Al poco tiempo, el sistema se expandió para incluir una escala de 0 a 8 con un nivel adicional de detalle. 7 En marzo de 1985, la IADC, sucesora de la AAODC, reconoció la necesidad de actualizar nuevamente el sistema. Las barrenas han evolucionado desde la última actualización del sistema, sobre todo con la inclusión de los cojinetes de bancada y los insertos de carburo de tungsteno. 8 El nuevo sistema fue adoptado en marzo de Hampton SD, Garris S y Winters WJ: Application of the 1987 Roller Bit Dull Grading System, artículo SPE/IADC 16146, presentado en la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC, Nueva Orleáns, 15 al 18 de marzo de Hampton et al, referencia 7. Volumen 23, no. 2 7

10 Por otro lado, un sistema de clasificación del desgaste de las barrenas de cortadores fijos, creado en el año 1987, fue revisado en 1991 y presentado a la industria en 1992 (derecha). 9 Con esta estandarización del análisis del desgaste y la presentación de informes, fue posible crear registros de barrenas que pudieran utilizarse para seleccionar las barrenas y los componentes de la sarta de perforación para pozos similares. Smith, una compañía de Schlumberger, puso en marcha un Sistema de Registros de Perforación (DRS) en Hoy, esta base de datos de casi tres millones de carreras de barrenas de perforación incluye registros de todos los campos de petróleo y gas del mundo. No obstante, aunque exhaustivos, estos registros contienen un componente de subjetividad que puede incidir en la vida útil y el rendimiento de la barrena entre un pozo y el siguiente. Por otra parte, el rendimiento de la barrena puede ser afectado por una significativa variación litológica dentro de un campo. En las gestiones implementadas en el pasado para mejorar el rendimiento de perforación, los ingenieros utilizaron el diagrama de clasificación del desgaste de las barrenas para efectuar cambios en el diseño de la barrena, el BHA y los parámetros de perforación después de cada carrera. Conforme se corría cada configuración nueva, los ingenieros analizaban el rendimiento de la barrena, la clasificaban y efectuaban los cambios pertinentes en el sistema antes de perforar el tramo siguiente o el pozo siguiente. El proceso se reiteraba en sucesivos intentos para mejorar en forma incremental la ROP o la vida útil de la barrena. En ciertos casos, estos cambios se traducían en un avance limitado entre un pozo y el siguiente, y el perforador tenía que reiniciar el proceso. Con frecuencia, el método iterativo experimentaba al menos un éxito parcial ya que la ROP se incrementaba o bien la barrena lograba perforar más metros antes de ser reemplazada. Sin embargo, existen muchas historias de pozos en las que se observaron pocas mejoras después de muchas iteraciones, o, si el proceso iterativo demostraba ser exitoso, el éxito se lograba únicamente luego de muchos ciclos de tipo prueba y error. Un enfoque iterativo es particularmente deficiente cuando el primer pozo incluye pocos datos de pozos vecinos o el programa de perforación incluye sólo algunos pozos. El proceso iterativo para el desarrollo de configuraciones óptimas de barrenas y BHA también es obstaculizado por diversos factores inherentes al proceso. Los ingenieros con experiencias diferentes extraen conclusiones disímiles a partir de patrones de desgaste esencialmente iguales; por Hileras internas 0 Estructura de corte B G Observaciones Hileras externas Característica del desgaste Barrenas de cortadores fijos Hileras internas Código IADC para la clasificación del desgaste de barrenas Hileras externas Localización > Clasificación de barrenas desgastadas. Mediante la utilización de una escala lineal que se extiende de 0 a 8, los ingenieros asignan un valor a los cortadores de las hileras internas y externas de las barrenas para indicar la magnitud del desgaste. Los números aumentan con la magnitud del desgaste; el 0 representa la falta de desgaste. El número 8 indica que no queda ningún cortador utilizable. El desgaste de los cortadores de PDC también se mide en una escala lineal que varía de 0 a 8 a través de la tabla de diamante la sección de diamante por encima de la estructura de corte sin importar la forma, tamaño, tipo o exposición del cortador. En la actualidad, el sistema de clasificación del desgaste de las barrenas adoptado por la IADC incluye códigos que clasifican tanto el desgaste de las barrenas de cortadores fijos (izquierda) como el desgaste de las barrenas de conos giratorios (derecha). El ingeniero que evalúa el daño de las barrenas utiliza un diagrama que incluye ocho factores asociados con las barrenas. Los primeros cuatro puntos de este diagrama (extremo superior) describen la estructura de corte. El tercero y séptimo espacios sirven para anotar las características de desgaste de la barrena, que son los cambios físicos más prominentes respecto de su estado en el momento de su manufactura. El cuarto espacio, la localización, indica la ubicación de las principales características de desgaste anotadas en el tercer espacio. Para las barrenas de cortadores fijos, se utiliza uno o más de los cuatro códigos de perfil para indicar la ubicación de la característica de desgaste detectada. El quinto punto, B, se refiere a los sellos de cojinetes y no es aplicable a las barrenas de cortadores fijos. Este espacio siempre se marca con una X cuando se clasifican las barrenas de cortadores fijos. El sexto punto, G, se refiere a la medición del calibre. El espacio correspondiente al calibre se utiliza para registrar el estado del calibre de la barrena. Si la barrena sigue estando en calibre, aquí se coloca la letra I. De lo contrario, se registra la magnitud de la condición de bajo calibre, redondeada a la décimo sexta parte de pulgada más cercana. Los últimos dos espacios, las observaciones, se utilizan para indicar las características del desgaste y el motivo por el que se extrajo la barrena. ejemplo, algunos ingenieros pueden descubrir la causa de un determinado patrón de desgaste luego de formular supuestos falsos. El más común de estos supuestos es que el peso de la sarta de perforación es transferido a la barrena de manera eficiente. El WOB incide directamente en la ROP. Un ingeniero puede asumir que la selección deficiente de la barrena está dificultando la ROP cuando en realidad el WOB, que es una función del diseño del BHA, es en efecto inferior al valor Sellos de cojinetes Calibre 1 16 pulgadas Otras características Barrenas de conos giratorios Motivo de la extracción Estructura de corte interna (todas las hileras internas) Cono 1 Estructura de corte externa (hilera del calibre solamente) Cono 3 Cono 2 calculado. 10 Por el contrario, cuando el WOB es demasiado alto, la sarta de perforación y el BHA pueden flexionarse, lo que genera un pozo de mayor diámetro y produce vibraciones laterales destructivas ya que la barrena angular se acciona y corta la pared del pozo. En 1987, se realizaron gestiones para corregir este posible escollo con la introducción del BHAP, un programa computacional para la predicción del rendimiento del BHA. Las decisiones 8 Oilfield Review

11 relacionadas con el diseño del BHA incluyen el tipo, localización, forma y tamaño de todos los componentes situados por encima de la barrena. Antes de la introducción del BHAP, los ingenieros se basaban en modelos matemáticos que utilizaban descripciones de los componentes del BHA para predecir el WOB. Estos modelos eran bidimensionales, estáticos y utilizaban una curvatura de pozo constante. 11 Si bien fue diseñado para ser simple y de ese modo minimizar el tiempo de cómputo, el BHAP constituyó un avance respecto de las prácticas previas que tendían a considerar el rendimiento de la barrena en forma aislada. Para la implementación de procesos de modelado más complejos fue preciso esperar a disponer de una capacidad computacional que permitiera manejar volúmenes masivos de datos y cálculos a un costo y una velocidad razonables. Una respuesta elemental Cuando se introdujo el BHAP, los ingenieros disponían de una herramienta poderosa para generar una descripción más integral y más precisa de la sarta de perforación. En la década de 1940, científicos y matemáticos que procuraban analizar las vibraciones producidas en maquinarias complejas introdujeron al mundo el análisis por elementos finitos (FEA). El FEA involucra el modelado 2D o 3D y utiliza un sistema complejo de nodos para crear una cuadrícula denominada malla FEA. Esta malla se puebla con las propiedades de los materiales y las propiedades estructurales, que definen cómo reaccionará el sistema a las condiciones de carga. En todo el material, la densidad de los nodos depende de los niveles de esfuerzo anticipados de un área determinada. 9. Brandon BD, Cerkovnik J, Koskie E, Bayoud BB, Colston F, Clayton RI, Anderson ME, Hollister KT, Senger J y Niemi R: First Revision to the IADC Fixed Cutter Dull Grading System, artículo IADC/SPE 23939, presentado en la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC, Nueva Orleáns, 18 al 21 de febrero de Brandon BD, Cerkovnik J, Koskie E, Bayoud BB, Colston F, Clayton RI, Anderson ME, Hollister KT, Senger J y Niemi R: Development of a New IADC Fixed Cutter Drill Bit Classification System, artículo IADC/SPE 23940, presentado en la Conferencia de Perforación de las IADC/SPE, Nueva Orleáns, 18 al 21 de febrero de Williamson JS y Lubinski A: Predicting Bottomhole Assembly Performance, artículo IADC/SPE 14764, presentado en la Conferencia de Perforación de las IADC/SPE, Dallas, 10 al 12 de febrero de Williamson y Lubinski, referencia Introduction to Finite Element Analysis, sv.vt.edu/classes/mse2094_notebook/97classproj/num/ widas/history.html (Se accedió el 8 de febrero de 2011). 13. Frenzel MP: Dynamic Simulations Provide Development Drilling Improvements, artículo OTC 19066, presentado en la Conferencia de Tecnología Marina, Houston, 30 de abril al 3 de mayo de > Malla FEA. Una malla FEA representa un cuerpo modelado en este caso una sarta de perforación con los elementos de la malla que se conectan en los nodos (líneas negras) con los componentes críticos que afectan el desempeño de la perforación. Esta malla se utiliza en el programa IDEAS para optimizar las estructuras de corte de la barrena (cilindros negros). En este caso, los parches rojo y verde indican que las fuerzas laterales ejercidas sobre la barrena durante esta simulación están siendo impuestas sobre el calibre de una cuchilla (rojo), más que sobre las otras cinco cuchillas (verde). Para concentrar la capacidad computacional donde se necesita, las regiones que reciben grandes cantidades de esfuerzos normalmente exhiben mayor densidad de nodos que las que experimentan esfuerzos escasos o nulos. Desde cada nodo, un elemento de la malla se extiende hasta cada uno de los nodos adyacentes (arriba). 12 En la década de 1970, el análisis FEA era utilizado normalmente por los ingenieros mecánicos, si bien su aplicación se mantuvo limitada a unos pocos usuarios que podían disponer de la capacidad computacional necesaria. En consecuencia, la mayoría de los cómputos asociados con la optimización de la perforación se basaban más en datos de pozos vecinos que en las técnicas FEA para planificar los pozos. Las pruebas de estos programas para evaluar y predecir el comportamiento de la sarta de perforación y de la barrena se limitaban al análisis estático o de estado estacionario, diseñado para entender una parte específica del sistema en un momento determinado. Estas evaluaciones resultaron más útiles como descripciones postmortem de las fallas del sistema de perforación y sólo identificaron una fracción del problema. 13 Para optimizar la selección y la localización de los componentes de la barrena y de la sarta de perforación, los ingenieros necesitaban entender la interacción dinámica de todos los componentes a medida que avanzaba la perforación. Finalmente, esto fue posible con la difusión de las computadoras de alta velocidad y gran capacidad en la década de Los ingenieros comenzaron a recrear digitalmente y analizar los sistemas de perforación y su comportamiento con el tiempo, en forma relativamente rápida y a un costo razonable. En vez de efectuar pruebas de campo costosas y prolongadas, los ingenieros provistos ahora de capacidades de modelado dinámico comenzaron a precisar la causa de la falla de los sistemas de perforación para luego probar las soluciones utilizando un prototipo virtual. Los modelos dinámicos pueden ser corridos para analizar el comportamiento de los componentes individuales, tales como la barrena o el BHA, o pueden abordar todo el sistema en conjunto. Las fuerzas y momentos netos que actúan sobre una barrena se obtienen a partir de las sumas vectoriales de las contribuciones de los cortadores individuales. Las fuerzas de las barrenas de cortadores fijos se obtienen a partir de datos de pruebas de laboratorio; las fuerzas de los insertos de las barrenas de conos giratorios se basan en modelos simples de trituración y cizalladura. Volumen 23, no. 2 9

12 Baja Las ecuaciones de movimiento se integran utilizando un procedimiento de incrementos de tiempo variable. 14 Para el cuerpo de la barrena se consideran seis grados de libertad (DOF): tres traslaciones y tres rotaciones. Para las barrenas de conos giratorios, las funciones DOF pueden ser conmutadas para simular un cono atascado. 15 El modelado dinámico Los ingenieros primero aplicaron el modelado dinámico a las operaciones de perforación para mejorar la eficiencia y proteger los componentes costosos de fondo de pozo de las vibraciones destructivas de la sarta de herramientas. Este método incluía la planeación, el monitoreo en tiempo real y el análisis detallado posterior a las tareas. Durante la planeación, los ingenieros identifican las disfunciones dinámicas probables que Profundidad del corte Alta > Diseño de los cortadores. Los ingenieros especialistas en diseño de barrenas comienzan con una estructura de corte inicial (cilindros negros) modelada dentro del programa IDEAS. Cada cortador de cada cuchilla es analizado utilizando vectores de fuerza (líneas verdes y rojas), que representan los componentes del esfuerzo de corte. La longitud de los vectores representa la magnitud de la fuerza relativa. El color representa la profundidad del corte, de acuerdo con la escala. Los ingenieros utilizan esta información para posicionar cada estructura de corte en términos de altura por encima de la superficie de la cuchilla, su radio considerado desde el centro de la barrena, el ángulo superior de inclinación y el ángulo de inclinación lateral, el tamaño del cortador y su ángulo de perfil. El ángulo superior de inclinación es el ángulo de la cara del cortador con respecto al fondo del pozo, y el ángulo de inclinación lateral se refiere a su ángulo con respecto al radio de la cara de la barrena. causan el rebote, el aplastamiento-deslizamiento de la barrena, y el movimiento en forma de remolino de la barrena y el BHA. Luego, se utilizan los modelos matemáticos para diseñar los BHAs en base al control direccional y la ROP deseada y para contrarrestar las disfunciones previstas. Los sensores de fondo de pozo y de superficie monitorean las vibraciones relacionadas con disfunciones. Sobre la base de las mediciones obtenidas con los sensores, los resultados de los modelos y la experiencia previa en operaciones de perforación en el campo, los ingenieros ajustan los parámetros de perforación para optimizar la ROP y minimizar las vibraciones destructivas. 16 Normalmente, la estabilidad dinámica de la barrena se establece a través de pruebas de laboratorio que determinan la ROP o el WOB que obligará a la barrena a volverse inestable a una velocidad de rotación dada. El modelado de la dinámica de la barrena permite al fabricante eliminar los diseños deficientes antes de la fabricación de las barrenas y determinar los rangos óptimos de velocidad de rotación para un diseño y un ambiente de fondo de pozo dados. Las simulaciones de la dinámica de la sarta de perforación se basan en métodos de elementos finitos. Como los modelos de la dinámica de las barrenas, cada nodo del modelo BHA posee seis DOF y las ecuaciones de movimiento se integran utilizando un procedimiento de incrementos de tiempo variable. Cuando los modelos de la dinámica de la sarta de perforación y la barrena se combinan, se pueden predecir y evitar así las disfunciones que obstaculizan el rendimiento de la perforación. En la década de 1990, los científicos de Smith introdujeron un programa FEA integral destinado a modelar con precisión todo el sistema de perforación. El sistema integrado de análisis dinámico de ingeniería IDEAS predice el rendimiento de la barrena de perforación como parte de todo un sistema de perforación (izquierda). Basado en datos físicos de entrada y de la mecánica de perforación, obtenidos en laboratorios, este sistema utiliza un equipo que caracteriza con precisión la mecánica interactiva de la estructura de corte durante los procesos de trituración y cizalladura, en una amplia gama de muestras de rocas. Estos datos de entrada, obtenidos a partir de una serie de pruebas de indentación y raspado, son adquiridos bajo presiones controladas en un laboratorio para reflejar la interacción dinámica existente entre la estructura de corte de una barrena y una muestra de roca específica (próxima página). Los experimentos cuantifican las fuerzas reales de los cortadores y los recortes generados en términos de magnitud y orientación, tanto como una función de los mecanismos de falla de las rocas como de las tasas de remoción de las mismas. Estos datos se utilizan luego para el análisis de diseños, en litologías comparables con la aplicación de campo específica. En ciertos casos, estas pruebas se llevan a cabo en muestras de núcleos reales obtenidas en pozos vecinos cercanos al pozo nuevo. El modelo de simulación puede incorporar barrenas de conos giratorios o bien barrenas de cortadores fijos. También a comienzos de la década de 1990, Smith desarrolló el sistema de optimización de las barrenas de perforación DBOS, que permite a los ingenieros caracterizar cada intervalo de interés en términos de la resistencia a la compresión no confinada (UCS) de la roca, un índice de abrasión y un índice del impacto de la roca sobre los cortadores. Sobre la base de esta evaluación, 10 Oilfield Review

13 el sistema define luego el tipo y las características de la barrena adecuada con la cual perforar cada cambio de intervalo de profundidad. A lo largo de los años, Smith ha creado una base de datos de estudios DBOS, que incluye los tipos de barrenas y las formaciones perforadas. La base de datos de caracterización de formaciones DBOS, combinada con las simulaciones IDEAS, permite que los ingenieros seleccionen los archivos de pruebas de rocas correctos para una aplicación dada. Los datos del laboratorio IDEAS sobre rocas y mecánica de cortadores se importan en un ambiente de perforación virtual junto con la información relacionada con la barrena de perforación específica a evaluar. Esta evaluación incluye los siguientes elementos: localización precisa, propiedades del material y dimensiones de los cortadores datos dimensionales de los componentes de fondo de pozo y las características físicas de cada elemento del BHA geometría del pozo propuesto parámetros operativos planificados. 17 Por consiguiente, el rendimiento de la barrena puede ser examinado en un ambiente confinado durante la etapa inicial de desarrollo del diseño. El proceso predice además el rendimiento de la barrena y considera al mismo tiempo el BHA, la geometría del pozo, los parámetros de perforación y las variaciones litológicas. Todo esto se realiza en una simulación dinámica que considera las influencias sobre la barrena, lo más similares posibles a las que ésta encontrará durante la perforación. Los datos de salida resultantes permiten que los diseñadores ajusten el rendimiento proyectado de la barrena a los objetivos de perforación, tales como la ROP, los metros perforados por barrena y las características direccionales específicas. Los diseñadores utilizan el software IDEAS como una herramienta interactiva para comprobar los efectos de los cambios iterativos de las 14. Los algoritmos que utilizan un procedimiento con incrementos de tiempo variables monitorean la precisión de la solución en forma permanente, durante el transcurso del cómputo, y modifican de manera adaptativa el tamaño del incremento de tiempo para mantener un nivel de precisión consistente. El tamaño del incremento puede cambiar muchas veces durante el transcurso de los cómputos; se utilizan incrementos de tiempo más grandes cuando la solución varía lentamente e incrementos más pequeños cuando la solución varía rápidamente. 15. Dykstra MW, Neubert M, Hanson JM y Meiners MJ: Improving Drilling Performance by Applying Advanced Dynamics Models, artículo SPE/IADC 67697, presentado en la Conferencia de Perforación de las SPE/IADC, Ámsterdam, 27 de febrero al 1º de marzo de Dykstra et al, referencia Garrett I, Teggart B y Tetley N: FEA Modeling System Delivers High-Angle Well Bore Through Hard Formations, E&P 83, no. 9 (Septiembre de 2010): Garrett et al, referencia 17. Fuerza vertical, lbf Variación de la fuerza vertical con los incrementos de las DOC 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0, Ángulo del cortador, grados > Pruebas de raspado e indentación. Un inserto de cono giratorio (extremo superior) raspa una muestra de roca mármol de Carthage en este caso con una resistencia a la compresión no confinada (UCS) de lpc [20,7 MPa], en diversas profundidades de corte (DOC). En la gráfica (extremo inferior), la fuerza vertical medida (rojo) y las DOCs (verde) se registran para los diversos ángulos de los cortadores. Luego, se carga esta información en la aplicación IDEAS como un archivo de rocas, que es específico de esta combinación de roca y cortador. características de la barrena sobre el desempeño integral en aplicaciones específicas. Los programas de modelado revelan cómo los cambios sutiles de la posición y la orientación de un cortador afectan significativamente el rendimiento de la perforación y la estabilidad dinámica de la barrena y el BHA. El ingeniero puede optimizar rápidamente el diseño y utilizar luego el proceso de modelado para certificar las capacidades de rendimiento de cada barrena a través de una metodología de modelado y simulación dinámicos. 18 En busca de problemas En el año 2004, Smith comercializó el sistema de perforación diseñado i-drill. Este servicio de ingeniería utiliza la plataforma del programa IDEAS con el fin de identificar cuantitativamente las fuerzas, las vibraciones y la ROP para un sistema de perforación complejo específico a lo largo del tiempo. Diversas profundidades de corte (DOC), pulgadas El sistema prueba los efectos dinámicos del tipo de barrena, el diseño del BHA, el mecanismo de transmisión y los parámetros de perforación como una función del tamaño del pozo y de las características de la formación. Este modelo de simulación de perforación FEA utiliza más de un millón de líneas de código para describir con precisión todo el sistema de perforación. La simulación se crea mediante la combinación de un modelo de barrena-corte de roca, basado en extensivas pruebas de laboratorio, con el análisis FEA de la barrena y la sarta de perforación. Luego, los ingenieros de diseño evalúan el comportamiento de diversas combinaciones de barrenas, componentes y configuraciones de la sarta de perforación, parámetros de superficie y presiones de sobrebalance. El comportamiento dinámico de todo el sistema de perforación puede ser analizado a través de múltiples formaciones geológicas con Volumen 23, no. 2 11

14 > Modelado de la operación de una barrena de dientes fresados. Esta vista de la aplicación de una barrena de dientes fresados, generada con el software i-drill, incluye fuerzas de desplazamiento y contacto en los patines del sistema de perforación rotativa direccional (RSS) (rectángulos azules, extremo superior izquierdo). En este caso, un corte transversal del RSS orientado a lo largo del eje de la sarta de perforación muestra que la herramienta se encuentra centrada. Esto indica que no existe ninguna fuerza de contacto sobre los patines, lo que significa que la trayectoria del pozo no está siendo modificada en el instante en que se registran los datos. Se muestra el patrón producido por la barrena en el fondo del pozo (extremo inferior izquierdo) al igual que los puntos de contacto críticos entre el BHA y la pared del pozo a lo largo del BHA (líneas rojas, derecha). una resistencia a la compresión, ángulo de echado, homogeneidad y anisotropía variables, para lograr un rendimiento de la perforación óptimo a través de las transiciones formacionales. El proceso i-drill integra datos de pozos vecinos, mediciones de superficie y de fondo de pozo, y el conocimiento de los productos y aplicaciones disponibles, como parte del proceso de diseño. Además, considera parámetros geométricos detallados de entrada y datos de mecánica de las rocas. Estos datos de entrada permiten que los ingenieros simulen una operación de perforación específica y de ese modo evalúen y, a través del análisis dinámico corrijan, las causas raíces del comportamiento ineficiente y perjudicial del BHA. El sistema i-drill crea simulaciones de perforación dinámicas que ayudan a los ingenieros a visualizar el ambiente de fondo de pozo antes de proceder a la perforación; esto es lo opuesto a contar solamente con análisis estáticos, que proveen sólo un pequeño corte de datos para un punto fijo en el tiempo. El proceso de modelado i-drill comienza mediante la utilización de los datos de pozos vecinos disponibles para calibrar el software de simulación para cada aplicación. El conjunto de datos puede incluir lo siguiente: detalles sobre las características físicas de toda la sarta de perforación, el BHA y la barrena de perforación levantamientos direccionales y registros de calibrador para caracterizar la geometría del pozo parámetros operativos de superficie y de fondo de pozo, tales como el WOB, el esfuerzo de torsión y las rpm datos de registros de lodo y de registros adquiridos con herramientas operadas a cable para evaluar las formaciones que se están perforando. Los diseñadores utilizan esta información para construir un modelo computacional del arreglo de perforación del pozo vecino, las formaciones y el pozo (arriba). El programa simula la operación del arreglo de perforación como una función del tiempo. Dado que permite el análisis de la litología específica de interés y del comportamiento de cada componente del BHA, cualquier comportamiento sospechoso es identificado, cuantificado e ilustrado utilizando las capacidades gráficas avanzadas del sistema. Mediante piezas cortas de video se ilustra con precisión lo que ocurriría en el fondo del pozo. El proceso identifica las disfunciones que producen daños y reducen la eficiencia, tales como las fuerzas de contacto altas de los sistemas de perforación rotativa direccional (RSS), el movimiento en forma de remolino de la barrena y los momentos flectores excesivos. Una vez identificadas las causas subyacentes de las características de perforación indeseadas, el ingeniero puede reconfigurar el arreglo de perforación modelado y utilizar los análisis de simulación para corregir los problemas. Las medidas correctivas pueden incluir la adopción de una barrena de perforación diferente, el intercambio de estabilizadores por rectificadores, el reposicionamiento de los componentes individuales del BHA, la modificación de los parámetros de operación, o combinaciones de modificaciones que producirán mejoras significativas en el rendimiento. Por último, el software genera un informe global que documenta los resultados y el proceso de análisis, que los diseñadores pueden presentar al operador. Ese informe contiene los resultados de cada simulación e identifica todos los cambios 12 Oilfield Review

15 Hyedua-1 Odum-1 Mahogany-1 Mahogany-2 J-02 UCS 0 psi UCS 0 psi UCS 0 psi UCS 0 psi UCS 0 psi Porosidad Prof., Porosidad Prof., Porosidad Prof., Porosidad Prof., Porosidad 50 % 0 m 50 % 0 m 50 % 0 m 50 % 0 m 50 % Prof., m > Registros de pozos del campo Jubilee. Para determinar la litología y la UCS, se utilizaron las interpretaciones de los registros sónicos y de rayos gamma de cuatro tramos de 12 1 /4 pulgadas de los pozos del campo Jubilee perforados a diferentes profundidades. El primer carril, correspondiente a la litología, incluye lutitas (verde), areniscas (rojo) y margas (azul). El segundo carril muestra la UCS (línea azul oscuro) y la porosidad (sombreado aguamarina). potenciales que podrían efectuarse en el arreglo de perforación y el efecto que cada cambio produciría en el rendimiento de la perforación. Luego, el operador puede seleccionar la mejor opción para satisfacer los objetivos de perforación, minimizar los problemas y mejorar el rendimiento. 19 Los sistemas de modelado dinámico permiten a los ingenieros procesar una multitud de simulaciones que representan cualquier combinación de opciones en materia de barrenas de perforación, componentes del arreglo de perforación, diseño de sartas de perforación, localización de los componentes y parámetros operativos. Dado que el método es altamente preciso, los ingenieros pueden evaluar cuantitativamente diversos escenarios y luego optar por una solución en la que se logre un desempeño específico en la operación de perforación. Este método ayuda a identificar los límites técnicos operacionales, lo que evita el NPT, y elimina las ineficiencias producidas por operar muy por debajo de los límites técnicos. Además, ayuda al operador a evitar viajes innecesarios para cambiar las barrenas y los BHAs, que son el resultado de utilizar métodos de prueba y error para resolver desafíos de perforación determinados. El proceso de modelado dinámico fue utilizado en el año 2007, después de que Tullow Oil plc perforara los pozos de exploración exitosos Mahogany-1, Mahogany-2 y Hyedua-1 en el área marina de Ghana, África Occidental, lo que condujo al descubrimiento del campo Jubilee. Los resultados de tres pozos de evaluación perforados en el año 2008 confirmaron que el campo corresponde a una trampa estratigráfica continua. El campo Jubilee es uno de los pocos desarrollos de aguas profundas del mundo que contiene formaciones duras y abrasivas a través de las secciones de interés. Los ingenieros identificaron estas formaciones desafiantes durante la perforación de los primeros cuatro pozos de la región. Con los datos de registros de los primeros tres pozos de prueba, un programa de mecánica de rocas cuantificó la UCS de la formación entre lpc y lpc [41,4 MPa y 68,9 MPa] con intercalaciones de turbiditas de hasta lpc [172 MPa] (arriba). Debido a las dificultades observadas en los primeros cuatro pozos, el operador encargó la ejecución de un estudio i-drill completo, basado en todos los datos disponibles. Este estudio recomendó la utilización de una barrena inicial de PDC de siete cuchillas para perforar un punto de un núcleo planificado. Después de la operación de extracción de núcleos, se reco- 19. Garrett et al, referencia 17. Volumen 23, no. 2 13

16 Nombre del pozo Hyedua Hyedua Hyedua Jubilee Jubilee Jubilee Jubilee Número Fecha de inicio de la perforación 25 de oct. de de oct. de de oct. de de abr. de de jul. de de ago. de de ago. de 2009 Tipo de barrena PDC 6 PDC 4 TCI 527 PDC 5 PDC 5 PDC 5 PDC 5 Extracción, m Perforado, m Horas 56,0 18,5 48,5 126,6 80,5 90,5 71,1 TCI = inserto de carburo de tungsteno. Código de clasificación de barrenas: I = estructura de corte interna; O = estructura de corte externa; C = cono; L = localización; S = faldón; A = todas las áreas; #1, #2, #3 = cojinete; E = efectividad del sello; X = sin cojinetes; G = calibre; O = otras características de desgaste; LT = pérdida de cortador; NO = sin características de desgaste; WT = cortadores gastados; RO = remoción del anillo; R = motivo de la extracción; CP = punto de extracción del núcleo; PR = velocidad de penetración; TD = profundidad total, profundidad de entubación. > Detalles de las carreras en la sección de 12 1 /4 pulgadas. En comparación con los promedios de los pozos vecinos (marrón), la barrena de PDC recién diseñada, corrida en los pozos J-05, J-11 y J-12 (verde), perforó 165% más metros, con un incremento de la ROP del 122%. La barrena se encontraba en buen estado al ser extraída. ROP, m/h 17,8 3,1 2,0 9,0 21,1 16,4 19,0 Clase de barrenas Inclinación, grados BHA I O C L #1 14 BHA RO S X Vertical Rotativo 1 2 WT S X Vertical Rotativo 5 4 BT A E 38 BHA WT A X 49 BHA WT S X 40 BHA WT S X 44 BHA WT S X #2 #3 G O R X X 1 LT CP X X 1 NO PR E E 2 WT TD X X 1 CT TD X X 1 NO TD X X 1 NO TD X X 2 RO TD mendó una barrena de PDC más durable de nueve cuchillas. Cuando el operador perforó el primer pozo de evaluación Hyedua-2 la primera barrena se desgastó rápidamente una vez que comenzó a penetrar el yacimiento, reconfirmando la naturaleza abrasiva del yacimiento. 20 La barrena más durable fue corrida por debajo de la sección de la que se extrajo el núcleo, pero luego de perforar sólo una distancia corta, fue extraída en respuesta a una baja ROP. Una vez recuperada, también se observó que la barrena se encontraba intensamente desgastada. El proceso i-drill predijo con éxito qué barrenas conformarían un sistema estable; esto permitió a los ingenieros centrar su atención más concretamente en la durabilidad de la barrena. Mediante la utilización de un sistema de modelado basado en el análisis FEA, los ingenieros pusieron en marcha una serie de pruebas virtuales para identificar una barrena de PDC optimizada para la sección de interés. Mientras que los ingenieros analizaron los resultados del pozo Hyedua-2 y desarrollaron un diseño mejorado de barrena y cortador, el operador perforó tres pozos de desarrollo más y probó diversos diseños de barrenas. En el año 2009, se fabricó una barrena optimizada. Al mismo tiempo, Smith desarrolló el cortador patentado de PDC ONYX, altamente resistente a la abrasión, que fue incorporado en la barrena optimizada. En su primera aplicación en el pozo J-02, perforó toda la sección dura y abrasiva de 12 1 /4 pulgadas en una sola carrera. La refinación posterior de la barrena mejoró el rendimiento. Luego, los ingenieros enfocaron su atención en el diseño del BHA en un esfuerzo para reducir los altos niveles de vibración que causaban la falla de la herramienta LWD, lo que a su vez obligó al operador a obtener registros con herramientas operadas con cable que demandan mucho tiempo. El problema fue abordado mediante el análisis del pozo vecino más reciente, el J-02, en un estudio i-drill de seguimiento cuyo enfoque se centró en los fenómenos de atascamiento-deslizamiento y vibraciones laterales. Primero, los ingenieros identificaron las condiciones existentes en el pozo, que producían fenómenos de atascamiento-deslizamiento y movimientos de la barrena en forma de remolino; luego, reflejaron esas condiciones en una simulación. Después de entender mejor la dinámica de perforación del pozo, los ingenieros corrieron las simulaciones utilizando un BHA, un WOB y velocidades de rotación variables. A partir de estos resultados, los ingenieros recomendaron cambios en la configuración del BHA y optimizaron los rangos de operación para el WOB y la velocidad de rotación; además, recomendaron la misma barrena pero con un motor para asistir un sistema RSS de empuje de la barrena. Éste se utilizó con éxito en los tres pozos siguientes, J-05, J-11 y J-12. Los esfuerzos posteriores de optimización de la barrena, enfocados en los parámetros de perforación, permitieron a los ingenieros mantener estos éxitos utilizando el sistema RSS únicamente. Estas recomendaciones fueron aplicadas en el pozo J-05, que requirió una sección tangente con una inclinación de 49 antes de alcanzar la TD a m [ pies]. Los resultados incluyen un mejoramiento de la ROP, que pasó de 8,9 a 21,1 m/h [29,2 a 69,2 pies/h] y un ahorro proporcional del tiempo de equipo de perforación de aproximadamente USD 1 millón/día. Cuando se recuperaron, la barrena, la herramienta LWD y el sistema RSS se encontraban en buen estado debido a una reducción de la vibración respecto de los del pozo J-02. El desempeño de perforación de los tres pozos vecinos indicó que la nueva barrena de PDC perforó un metraje 165% superior, con un incremento del 122% de la ROP, en tanto que el intervalo de interés se perforó en una sola carrera (arriba). 21 Este sistema fue utilizado en los dos pozos siguientes, J-11 y J-12. Los esfuerzos posteriores de optimización de las barrenas, enfocados en los parámetros de perforación, permitieron a los ingenieros mantener estos éxitos utilizando el sistema RSS únicamente. Desde julio de 2009, con parámetros y un BHA optimizados, el operador utiliza barrenas del mismo diseño para perforar todas las secciones salvo una de 12 1 /4 pulgadas, en una sola carrera. Casos de necesidades especiales Algunos escenarios de perforación son inherentemente más difíciles de optimizar que otros. Por ejemplo, los pozos profundos a menudo plantean a los perforadores un escenario particularmente desafiante en el que el agujero inicial, mientras es perforado, necesita ser agrandado o ensanchado, más allá del tamaño de la barrena. Para satisfacer esta necesidad, el BHA a menudo incluye una herramienta que incluye un rectificador y un dispositivo para aumentar el diámetro del pozo (ensanchador), localizada por encima de la barrena (próxima página). Una vez iniciada la perforación en un tramo de pozo a ensanchar, los ingenieros envían una señal que expande las cuchillas del rectificador, lo cual crea una herramienta de corte de mayor diámetro que el diámetro interno de la sarta de revestimiento previa. El objetivo de la operación consiste en anticipar la reducción del diámetro del pozo, cuando se instalan muchas sartas de revestimiento cada vez más pequeñas a lo largo de las zonas de transición encontradas durante la perforación de pozos profundos. Esta estrategia también se emplea extensiva- 14 Oilfield Review

17 Controlador Z Sistema de accionamiento tipo machihembrado Estructura de corte rectificadora Patín de estabilizador calibre Estructura de corte de la formación > Rectificador ensanchador del pozo. Un rectificador está diseñado de manera tal que su estructura de corte puede expandirse hasta alcanzar un tamaño mayor que el diámetro de la barrena piloto, una vez que ambos salieron de la zapata de entubación e ingresaron en el intervalo a ensanchar. Este rectificador concéntrico incluye un diseño de tipo mecanismo de extensión y bloque de cortador de una sola pieza. El sistema de accionamiento de tipo machihembrado pasa por debajo de los bloques de la estructura de corte de la formación de PDC y la ensancha hasta que alcanza un diámetro preseleccionado, que es mantenido por el patín del estabilizador-calibre abiertos simultáneamente. Al mismo tiempo, existen tres estructuras de corte rectificadoras bloqueadas en su lugar para permitir que el rectificador ensanche el pozo durante el viaje de salida, si se requiere. Los bloques se traban en su lugar con el sistema hidráulico de la herramienta. El diseño del cuerpo de una sola pieza incrementa el esfuerzo de torsión (torque) de la herramienta y su capacidad de carga, lo que asegura que manipule en forma eficiente el gran peso del BHA del sistema rotativo direccional. mente en operaciones de aguas profundas, en las que deben utilizarse muchas sartas de revestimiento para controlar las pérdidas de fluido de perforación ya que la ventana de presión de poro y gradiente de fractura se estrecha rápidamente. Con un pozo de mayor diámetro también se puede abordar el desafío que plantean las ventanas de perforación pequeñas mediante las caídas de presión por fricción reducidas en el espacio anular, lo que genera una densidad de circulación equivalente (ECD) más baja. El resultado buscado es un huelgo interno suficientemente grande, a través de la sarta de la tubería de revestimiento de producción, para admitir todo el equipamiento de terminación necesario. El ensanchamiento del pozo durante la perforación puede ser problemático en ciertas situaciones. En combinación con los motores de fondo de pozo o los arreglos de sistemas de perforación rotativa direccional, el rectificador debe ser suficientemente sólido para soportar el peso adicional del arreglo direccional suspendido por debajo de éste y, así y todo, mantener una flexibilidad suficiente para producir un pozo de calidad a través de los cambios de trayectoria que a veces son significativos. No obstante, quizás los desafíos más grandes para el diseñador del BHA y de la barrena son las dificultades que surgen cuando el rectificador y la barrena están penetrando formaciones de diferente dureza. Esta diferencia puede hacer que se perfore a velocidades diferentes, lo cual genera vibraciones torsionales y laterales en la sarta de perforación. En el campo Pagoreni, la compañía operadora Pluspetrol estaba experimentando problemas de vibraciones que producían una ROP inaceptablemente baja y la destrucción de las costosas herramientas de obtención de mediciones de fondo de pozo. El campo Pagoreni se encuentra ubicado en tierra firme, en una faja plegada y corrida andina, en la porción sur de la cuenca del río Ucayali de Perú. Pluspetrol comenzó a desarrollar el campo en mayo de El pozo desviado Pag1001D alcanzó la profundidad de m [ pies] a aproximadamente 1,6 km [1 mi] al sudeste de la localización de superficie y confirmó la presencia de cantidades comerciales de gas húmedo en la formación Nía Superior. Esta situación condujo a la compañía operadora a lanzar un programa de desarrollo de seis pozos, destinados a recuperar un volumen estimado de reservas recuperables probadas y probables de millones de m 3 [3,5 Tpc]. En los primeros tres pozos se desarrollaron problemas de vibraciones, mientras la compañía operadora estaba perforando un agujero piloto de 10 5 /8 pulgadas que fue ensanchado hasta alcanzar 12 1 /4 pulgadas, utilizando un rectificador expansible. En estos pozos se planteaban problemas de atascamiento-deslizamiento y altas vibraciones axiales y laterales durante la perforación de las secciones tangentes. Los enfoques de tipo prueba y error respecto de los cambios del BHA permitían aliviar levemente las vibraciones axiales y laterales, pero exacerbaban la severidad del fenómeno de atascamiento-deslizamiento. 22 La sección problemática incluía la siguiente secuencia estratigráfica: La formación Vivián: una arenisca cuarzosa friable dura, fina a muy fina, con una UCS de lpc [75,8 MPa] Chonta Superior: una formación de arcilla y lutita de naturaleza blanda y calcárea con una UCS de lpc [34,5 MPa] Chonta Inferior: capas de caliza dura con una UCS de lpc [96,5 MPa]. Imposibilitada de superar las disfunciones de perforación a través de procesos iterativos, la compañía operadora solicitó al equipo de ingeniería i-drill de Smith la optimización del diseño del BHA y la selección de la barrena de PDC para su cuarto pozo Pag1004D. El equipo de trabajo comenzó organizando los datos y la información de pozos vecinos sobre las prácticas de perforación de los tres pozos problemáticos previos: Pag1001D, Pag1002D y Pag1003D. 20. Murphy D, Tetley N, Partin U y Livingston D: Deepwater Drilling in Both Hard and Abrasive Formations; The Challenges of Bit Optimisation, artículo SPE , presentado en la Conferencia Técnica de África Septentrional de la SPE, El Cairo, 14 al 17 de febrero de Murphy et al, referencia Cassanelli JP, Franco M, Pérez J, Páez LC, Pinheiro C y Frenzel M: Dynamic Simulation: Solving Vibration/ Stick-Slip Issues Achieves Record ROP, Pagoreni Field, Perú, presentado en el Sexto Seminario Internacional sobre Exploración y Explotación de Hidrocarburos (INGEPET), Lima, Perú, 13 al 17 octubre de Volumen 23, no. 2 15

18 Profundidad medida Formación Vivián UCS, lpc Formación Chonta Superior UCS, lpc Formación Chonta Inferior UCS, lpc Rectificador 1 Barrena > Cuatro escenarios críticos. Los ingenieros identificaron cuatro situaciones críticas encontradas durante la perforación de la sección tangente a través de las formaciones Vivián, Chonta Superior y Chonta Inferior con un rectificador de 12 1 /4 pulgadas y una barrena piloto de 10 5 /8 pulgadas. Los escenarios críticos durante los cuales es más probable que se produzcan vibraciones perjudiciales tienen lugar cuando la barrena y el rectificador se encuentran en la formación Vivián (1), el rectificador se encuentra en la formación Vivián mientras la barrena está en la formación Chonta Superior (2), la barrena y el rectificador se encuentran en Chonta Superior (3) y mientras el rectificador se encuentra en Chonta Superior y la barrena en Chonta Inferior (4). Estos datos de pozos vecinos fueron ingresados en el programa de modelado del BHA. El modelo incluyó la barrena de PDC, el sistema RSS, la unidad LWD, el rectificador expansible y la sarta de perforación operada con el sistema de comando Profundidad medida Formación Vivian UCS, lpc Formación Chonta Superior UCS, lpc Formación Chonta Inferior UCS, lpc Rectificador 1 Barrena Rectificador 2 Barrena Rectificador 3 Barrena Rectificador 4 Barrena de superficie. Todas las dimensiones y materiales de la sarta de perforación de los pozos vecinos, además de una medición del calibrador de los pozos vecinos, fueron incorporadas en el modelo. Luego, el modelo se calibró utilizando otros datos Rectificador 2 Barrena Rectificador 3 Barrena Peor escenario para la barrena Peor escenario para el rectificador Rectificador 4 Barrena > Conclusiones de las operaciones de perforación en zonas de transición. En base a su análisis, los ingenieros llegaron a la conclusión de que el escenario 2, en el que la barrena se encuentra en la formación relativamente blanda, Chonta Superior, y el rectificador en la formación dura, Vivián, es el más crítico de todos los escenarios. El escenario 2 es también el menos eficiente para el rectificador. El peor escenario para la barrena se genera cuando el rectificador se encuentra en la formación blanda Chonta Superior y la barrena, en la formación dura Chonta Inferior. En base a los puntajes resultantes, el modelado indicó la mejor barrena para cada escenario. El estudio se basó en una ecuación de resultados normalizados, en la que a cada parámetro de perforación seleccionado se le asignó un peso específico de acuerdo con la importancia del operador. En este proyecto específico, se efectuó una distribución equitativa del peso para la ROP promedio, la barrena, el rectificador y el fenómeno de atascamiento-deslizamiento (stick-slip) de superficie, la barrena y las vibraciones laterales del rectificador, y el cambio de la velocidad de rotación en el fondo del pozo. de pozos vecinos; éstos incluían la velocidad de rotación, el WOB, el esfuerzo de torsión en la superficie y la carga en el gancho, además de datos derivados de las mediciones de fondo de pozo. Las simulaciones fueron corridas y ajustadas reiteradas veces hasta que se duplicaron las condiciones de los pozos vecinos para lograr un ajuste estadístico. Las simulaciones permitieron que los ingenieros visualizaran la interacción de los sistemas previos y los pozos, y determinaran la causa raíz de los rendimientos de perforación deficientes en los primeros tres pozos. Luego se probó el modelo virtual resultante para predecir los efectos de los diferentes tipos de barrenas, diseños de BHA, mecanismos de empuje y parámetros de operación, como una función del tamaño del pozo y la litología. Para determinar perfil de la barrena de PDC, el número de cuchillas y cortadores, la longitud del calibre, los patrones de fondo de pozo y el balance de fuerzas óptimos ejercidas sobre las cuatro barrenas, se corrió una serie de casos virtuales. Las pruebas de laboratorio ayudaron a determinar las estructuras de corte más adecuadas en términos de agresividad, cuando se utilizan en combinación con la barrena de 12 1 /4 pulgadas con cortadores de 13 mm [0,51 pulgada]. Los técnicos de Smith pudieron efectuar esta determinación utilizando el laboratorio IDEAS para simular la presión de confinamiento de las formaciones específicas a perforar. Luego se calculó la ROP potencial utilizando un modelo FEA que considera las dimensiones precisas y las propiedades de la estructura de corte, la dureza de la roca, o la UCS, la litología y la presión confinada en base a las pruebas de laboratorio. Los ingenieros modelaron los componentes del BHA para probar diversos escenarios destinados a reducir las vibraciones. Para el campo Pagoreni, el equipo de trabajo i-drill identificó cuatro escenarios críticos con potencial de inducción de vibraciones, que podrían plantearse durante la perforación de las zonas de transición entre las formaciones Vivián, Chonta Superior y Chonta Inferior (izquierda, extremo superior). Estos escenarios incluyeron las siguientes situaciones: barrena y rectificador en Vivián rectificador en Vivián, barrena en Chonta Superior barrena y rectificador en Chonta Superior rectificador en Chonta Superior, barrena en Chonta Inferior. 16 Oilfield Review

19 Para entender mejor la dinámica involucrada en los cuatro escenarios, los ingenieros efectuaron cinco análisis virtuales en profundidad, utilizando las cuatro barrenas candidatas en combinación con el rectificador: distribución del peso (WOB y peso sobre el rectificador) versus ROP vibración lateral (barrena y rectificador) versus ROP vibración por esfuerzo de torsión (barrena y rectificador) versus ROP esfuerzo de torsión promedio (barrena y rectificador) versus ROP riesgo de atascamiento-deslizamiento versus ROP. Sobre la base de estos análisis, los ingenieros llegaron a la conclusión de que el escenario más crítico era aquél en el que la barrena se encontraba en la formación blanda Chonta Superior y el rectificador en la formación dura Vivián. Ésa era además la sección en la que el rectificador resultaba menos eficiente. No obstante, el peor caso para la barrena se daba cuando el rectificador se encontraba en la formación Chonta Superior y la barrena en la formación Chonta Inferior, más dura (página anterior, abajo). 23 En conjunto, el método óptimo para balancear los requerimientos de ROP máxima y reducción de las vibraciones, considerando los cuatro escenarios desafiantes, implicó el empleo de un diseño de barrena de seis cuchillas compatibles con el sistema rotativo direccional. Los desafíos asociados con la perforación de lutitas gasíferas En las formaciones arcillosas de todo el mundo se están descubriendo recursos masivos de gas. Debido a su permeabilidad extremadamente baja, a estos yacimientos de lutitas se accede utilizando pozos horizontales largos, perforados usualmente con barrenas de PDC con insertos de carburo de tungsteno. Luego, la formación se abre a través de múltiples fracturas hidráulicas. En la lutita Marcellus del noreste de EUA, los operadores observaron que la perforación de pozos laterales largos con barrenas de PDC convencionales producía fallas prematuras de las barrenas y carreras cortas debido a problemas de empastamiento de las barrenas, un comportamiento direccional deficiente y la pérdida de control de la orientación de la herramienta. El fenómeno de empastamiento taponaba las boquillas de las barrenas y empacaba los cuerpos de estas herramientas (arriba, a la derecha). Los recortes no Boquillas Ranuras para detritos Cara de la barrena > Taponamiento de las boquillas. Un problema común en la perforación de pozos de alcance extendido en formaciones de lutita es la tendencia de los recortes a acumularse frente a la cara de la barrena porque la sarta de perforación se encuentra inactiva mientras los perforadores realizan conexiones y las bombas están desactivadas. Si el diseño del cuerpo y de las ranuras para detritos no permite el movimiento eficiente de los recortes más allá de la barrena, cuando se reanuda la circulación después de volver a accionar las bombas, puede producirse una acumulación de recortes que se introducen en las boquillas y las taponan (izquierda). Del mismo modo, es posible que los recortes queden estrangulados entre el agujero y el calibre de la barrena, lo que impide la limpieza adecuada del pozo (derecha). eran transportados de regreso por el espacio anular, sino que se acumulaban alrededor de la barrena, lo cual generaba el posible atascamiento de la columna de perforación. Todo esto reducía significativamente la ROP e incrementaba el atascamiento-deslizamiento de la sarta de perforación. Dado que la lutita Marcellus corresponde a una extensión productiva relativamente nueva, los ingenieros de Smith debieron diseñar una barrena con pocos datos de pozos vecinos a mano. La historia disponible daba cuenta de numerosos operadores con configuraciones diversas de sartas de perforación, BHA y barrenas, lo que dificultaba el análisis. No obstante, basándose en el sistema IDEAS, estos ingenieros proveyeron un diseño que mejoró efectivamente la ROP pero no abordó en su totalidad el problema del control de la orientación de la herramienta y el taponamiento de las boquillas. En el primer intento, se creó una línea base a partir de la cual los ingenieros pudieron diseñar una segunda barrena. Esta segunda iteración satisfizo los requerimientos de orientabilidad de los perforadores direccionales y produjo una ROP aceptable a través de la sección de incremento angular, lo que hizo más fácil, más rápida y menos costosa la construcción de una curva en el trayecto del pozo con el ángulo, el azimut y la tasa de incremento angular deseados. Estructuras de corte Cara de la barrena Capa de recortes Cuerpo de la barrena No obstante, las ROPs logradas a través de los tramos laterales de 610 a 914 m [2 000 a pies], que representaron la porción más grande del costo de perforación, fueron menos que satisfactorias. Los ingenieros sabían que las operaciones de perforación con los equipos normalmente disponibles en América del Norte estaban siendo retrasadas por problemas de limpieza deficiente de los pozos como consecuencia de la baja energía hidráulica disponible en la barrena, lo que es común a la hora de perforar pozos horizontales en formaciones arcillosas. Las iteraciones del diseño, que reorientaron y reposicionaron las boquillas de las barrenas, no ayudaron demasiado a aliviar el problema. Los técnicos del laboratorio IDEAS de Smith no lograron obtener muestras reales de la roca a perforar, pero pudieron utilizar el análisis DBOS para equiparar las rocas Marcellus con las lutitas Wellington y Mancos almacenadas en su biblioteca. El propósito de su diseño era el logro de una buena orientabilidad a través de la curva para mantener un buen control de la orientación de la herramienta y efectuar menos correcciones del curso, y al mismo tiempo generar tasas de incremento angular oscilantes entre 8 y 12 cada 30 m [100 pies]. Además, los técnicos procuraban lograr un incremento significativo de la ROP en los tra- 23. Cassanelli et al, referencia 22. Pared del pozo horizontal Volumen 23, no. 2 17

20 Cuerpo de matriz > Solución para la lutita Marcellus. Dado que la erosión del cuerpo de la barrena genera menos preocupación durante la perforación de lutitas que durante la perforación de arenas más abrasivas, el cuerpo de la barrena pudo fabricarse en acero. Esto permitió a los diseñadores utilizar un cuerpo más aerodinámico (extremo superior derecho) porque las cuchillas de acero menos frágil pudieron hacerse más largas y más delgadas sin estar sujetas a las fallas producidas por episodios de rotura por impacto. Además, el acero permite la construcción de barrenas más cortas (extremo inferior derecho) que las que son posibles en el caso de las barrenas con cuerpo de matriz (extremo inferior izquierdo), lo que mejora su capacidad para atravesar ángulos con cambios extremos utilizando un motor de perforación. mos laterales. Las pruebas IDEAS indicaron que las estructuras de corte con perfiles más planos proporcionan menos resistencia a los cambios de inclinación; por ende, estas estructuras fueron adoptadas en el diseño. Además, los técnicos optaron por cortadores con un diámetro oscilante entre 11 y 13 mm [0,43 y 0,51 pulgada] porque las pruebas demostraron que exhibían menos profundidad de corte (DOC) que los cortadores más grandes cuyo diámetro variaba entre 16 y 19 mm [0,63 y 0,75 pulgada]. El incremento de la DOC genera una respuesta instantánea de mayor esfuerzo de torsión, que puede producir la pérdida del control de la orientación de la herramienta y de ese modo obstaculizar la respuesta Ranuras para detritos Cuerpo de acero Diferencia en la longitud de enrosque direccional. Por otro lado, se efectuaron mejoras de los materiales con endurecimiento superficial de las barrenas de perforación para proteger el acero contra la acción erosiva del fluido de perforación. Los diseñadores llegaron a la conclusión de que los recortes no estaban siendo desplazados de la barrena porque las áreas de flujo existentes entre las cuchillas de los cortadores y el espacio anular, denominadas ranuras para detritos, eran demasiado estrechas. Para incrementar estas áreas de flujo, los ingenieros podían aumentar la altura de las cuchillas de la barrena y al mismo tiempo reducir su ancho, pero eso planteaba un problema. Los diseños de las matrices de las barrenas actuales son limitados por la relación de aspecto (relación entre la altura y el ancho de la cuchilla) ya que la matriz de carburo de tungsteno es relativamente frágil y las cuchillas que exceden una cierta relación a menudo se rompen ante el impacto con la formación. Con el tiempo, las barrenas que previamente se fabricaban con acero fueron reemplazadas por las barrenas de carburo de tungsteno, lo que permitió que toleraran las fuerzas erosivas generadas por la arena de las formaciones abrasivas y los fluidos de perforación que fluían más allá del cuerpo de la barrena. En consecuencia, el uso de barrenas de PDC con cuerpo de acero raramente se considera en nuestros días, salvo para perforar tramos relativamente cortos y de bajo costo. La solución se halló en una práctica previa. Dado que la lutita se caracteriza por su baja capacidad abrasiva, el acero es suficientemente duradero como para perforar estas formaciones sin preocuparse por la erosión. Y, dado que el acero es menos frágil que la matriz de carburo de tungsteno, las cuchillas pueden ser extendidas a más distancia respecto del cuerpo de la barrena con mucho menos potencial de rotura por impacto (izquierda). Mediante el incremento de la altura y la reducción del ancho de la cuchilla, el área de flujo existente entre el cuerpo de la barrena y la pared del pozo se incrementó significativamente y los recortes de perforación pudieron pasar con más libertad al espacio anular, lejos de la estructura de corte. La roca fresca quedó expuesta y la ROP se incrementó. Mediante la utilización de acero, los diseñadores lograron perfeccionar el cuerpo de la barrena para facilitar el barrido de los recortes desde el centro de la barrena hacia el interior de las ranuras para detritos. El diámetro del cuerpo de la barrena también pudo reducirse, con lo cual se incrementó la distancia existente entre el pozo y el cuerpo de la barrena en la ranura para detritos. Además, se calculó la dinámica de fluidos para simular el régimen de flujo en la barrena. Esto permitió emplazar y orientar las boquillas para minimizar la recirculación en la cara de la barrena, lo que aseguró la remoción eficiente de los recortes y la eliminación de los fenómenos de empastamiento y taponamiento. Los ángulos de contorno de las cuchillas también fueron diseñados para optimizar el flujo de fluidos en la barrena, y a lo largo y por encima de ésta, con el fin de minimizar la erosión del acero por la acción del lodo de perforación que acarrea los recortes (próxima página). La hidráulica resultante, existente en la cara de la barrena, también incre- 18 Oilfield Review