UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA ELECCIÓN DE BROCAS DE PERFORACIÓN EN POZOS PETROLEROS DE ACUERDO A LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS FORMACIONES Y AL PERFIL DEL POZO TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE TECNÓLOGO EN PETRÓLEOS SANTIAGO GIOVANNI QUILCA GUALSAQUÍ DIRECTOR: ING. RAÚL BALDEÓN LÓPEZ QUITO NOVIEMBRE 2012 i
Universidad Tecnológica Equinoccial. 2012 Reservados todos los derechos de reproducción ii
DECLARACIÓN Yo Santiago Quilca, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente. ------------------------------------------------ Santiago Quilca iii
CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Santiago Quilca, bajo mi dirección y supervisión. --------------------------------------- Ing. Raúl Baldeón López DIRECTOR DEL TRABAJO iv
AGRADECIMIENTO Agradezco a la Universidad Tecnológica Equinoccial y a todos los que la conforman, por haberme dado la oportunidad de retomar mis estudios, ayudándome de ésta manera a demostrarme que nunca es tarde cuando uno quiere crecer en conocimientos. Un agradecimiento muy profundo para mi amada esposa Silvia y para mis dos maravillosos hijos Cristian y Kevin, por su sacrificio y comprensión demostrada cuando el tiempo que era para ellos, yo les dedicaba a mis estudios, a mis padres, hermanos y sobrinos gracias por todo ese apoyo moral que nunca me falto. Agradezco a todos los docentes que supieron sembrar en mí todos sus conocimientos, los cuales los sabré cosechar y poner en práctica de la mejor manera y en el momento indicado. Mi sincero y especial agradecimiento al Ing. Raúl Baldeón, mi director de tesis, por ser un excelente profesional y haberme entregado todo el conocimiento y apoyo necesario para la elaboración y culminación de mi tesis. A todos gracias. v
DEDICATORIA Dedico ésta tesis a Silvia Chalá mi amada esposa, que gracias a su apoyo y a la confianza que depositó en mi, pude culminar con éxito mis estudios, gracias por creer en mi y por incentivarme todos los días a seguir adelante. Santiago Giovanni Quilca Gualsaquí vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA CARÁTULA... i DERECHOS....ii DECLARACIÓN... iii CERTIFICACIÓN... iv AGRADECIMIENTO... v DEDICATORIA... vi ÍNDICE DE CONTENIDOS... vii ÍNDICE DE TABLAS... ix ÍDICE DE FIGURAS... x ÍNDICE DE ANEXOS... xi RESUMEN...xii SUMMARY...... xiv CAPÍTULO 1...1 1.1 La broca...1 1.2 Introducción...2 1.3 El problema...3 1.4 Objetivos...3 1.4.1 Objetivo general...3 1.4.2 Objetivo específico...3 1.5 Marco teórico...4 CAPÍTULO 2...6 2.1 Clasificación de las brocas...6 2.2 Brocas tricónicas...6 2.2.1 Estructura de corte o conos...7 2.2.2 Cojinetes...9 2.2.3 Cuerpo de las brocas...11 El código IADC para brocas tricónicas...12 Mecanismo de corte de las brocas tricónicas.....14 Cuerpo de Carburo de Tungsteno... 16 vii
PÁGINA Cuerpo de acero......17 Clasificación de las Brocas y código IADC.. 18 Evaluación del daño de una broca...20 CAPÍTULO 3...23 3.1 Brocas de cortadores fijos...23 3.1.1 Componentes de la broca con cortadores PDC...26 3.1.1.1 Estructura de Corte de corte de una broca PDC...26 3.1.1.2 Cuerpo de una Broca con Cortadores PDC...27 3.1.1.3 Espiga (Shank)...28 3.1.2 Brocas Policristalinas PDC Bits...29 3.1.3 Brocas de Diamantes...30 3.1.4 Broca Corazonadora y Barriles...32 El Código IADC para Brocas PDC...33 Clasificación de las brocas de diamante..34 Costo por pie perforado..36 Brocas especiales......37 CAPÍTULO 4...38 4.1 Factores para la selección de las brocas... 38 4.1.1 Factores importantes... 38 4.1.2 Factores que afectan su selección... 39 4.1.3 Factores que afectan su desgaste... 40 CAPÍTULO 5...41 5.1 Análisis del lo investigado... 41 5.1.1 Conclusiones... 41 5.1.2 Recomendaciones... 42 5.2 Bibliografía... 43 5.3 Anexos... 44 viii
ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 1. Código IADC para Brocas Tricónicas... 16 Tabla 2. Código IADC para Brocas PDC... 31 ix
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Figura 8. Figura 9. Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13. Figura 14. Figura 15. Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19. Figura 20. Figura 21. Figura 22. Figura 23. Figura 24. Figura 25. PÁGINA Tipos de brocas...5 Brocas Tricónicas...10 La estructura de Cortes o Conos...11 Cojinetes...12 Vista Interna de un Cojinete...13 Partes del Sistema de Rodamiento...13 Componentes de una Broca Tricónica...14 Partes Internas de una Broca TC...15 Mecanismo de Corte de las Brocas Tricónicas...17 Tipos de Brocas Tricónicas...18 Dientes o Insertos de Perforación...18 Brocas PDC...20 Partes de la Broca PDC...21 Secciones de la Broca PDC...21 Estructura de Corte de una Broca PDC...22 Componentes de una Broca PDC...23 Cuerpo de Carburo de Tungsteno...24 Cuerpo de Acero...24 Broca de Cortadores Fijos...,...25 Brocas Policristalinas...26 Partes del Carburo de Tungsteno...27 Tipos de Brocas de Diamante...27 Broca Corazonadora...29 Brocas Especiales...33 Optimización de Eficiencia de Corte...36 x
ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO 1... 44 Tipos de Brocas de Perforación ANEXO 2... 45 Diagrama de Tipos de Brocas ANEXO 3...46 Brocas de cortadores fijos ANEXO 4...47 Cortadores PDC ANEXO 5...48 Tipos de Desgaste de Cortadores PDC ANEXO 6......49 Brocas Tricónicas ANEXO 7.. 50 Partes de las brocas tricónicas ANEXO 8..51 Brocas Tricónicas luego de ser Usadas ANEXO 9.. 52 Presentación de Diferentes Brocas de Perforación ANEXO 10....53 Herramientas xi
RESUMEN La única manera de saber realmente si hay petróleo en el sitio donde la investigación geológica propone que se podría localizar un depósito de hidrocarburos, es mediante la perforación de un pozo. El petróleo se halla a gran profundidad, generalmente a 3000 o 4000 metros, aunque existen pozos de 5000 o 6000 metros de profundidad, de acuerdo con la profundidad proyectada del pozo, las formaciones que se van a atravesar y las condiciones propias del subsuelo, se selecciona el equipo de perforación más indicado. La mayoría de los pozos petroleros se perforan con el método rotatorio. En este tipo de perforación rotatoria, una torre sostiene la cadena de perforación, formada por una serie de tubos acoplados. La cadena se hace girar uniéndola al banco giratorio situado en el suelo de la torre. La broca de perforación situada al final de la cadena suele estar formada por tres ruedas cónicas con dientes de acero endurecido. Para la perforación de pozos petroleros se utilizan muchos tipos de brocas, las cuales varían de acuerdo a su conformación y contextura según el tipo de roca que deben atravesar. La broca es la herramienta de corte que permite perforar. Es y ha sido permanentemente modificado a lo largo del tiempo a fin de obtener la geometría y el material adecuados para vencer a las distintas y complejas formaciones del terreno que se interponen entre la superficie y los hidrocarburos (arenas, arcillas, yesos, calizas, basaltos), El siguiente estudio se ha desarrollado en base a un programa que nos hable de las brocas que se requieren para la perforación direccional, tomando en cuenta que se deben seleccionar los tipos de brocas que se xii
utilizan con respecto a las características de las formaciones y al perfil del pozo. Se revisó los fundamentos teóricos de las brocas, con el objeto de conocer más a fondo sus características y aplicaciones para realizar un uso correcto de ellas, mejorando su rendimiento y así obtener un mejor programa para la perforación del pozo. xiii
SUMMARY The only way to really know if there is oil at the site of geological research suggests that one could locate a hydrocarbon reservoir is by drilling a well. Oil is found deep underground, usually at 3000 or 4000 meters, although there are wells 5000 to 6000 meters deep, according to the projected depth of the well, the training will be through and the conditions of the subsoil, select the most suitable rig. Most oil wells are drilled with rotary method. In this type of rotary drilling, a tower supporting the drill string, comprising a series of tubes coupled. The string is rotated rotary uniting the bank located on the floor of the tower. The drill bit at the end of the chain is usually made by three bevel gears with teeth of hardened steel. Drilling for oil is used by many types of bits, which vary according to their shape and texture depending on the type of rock that must traverse. The drill is cutting tool which allows drilling. It is and has been continually modified over time to obtain the geometry and material suitable to overcome the various and complex landforms that stand between the surface and mineral oils (sand, clay, gypsum, limestone, basalt) The following study was developed based on a program that we talk about the bits that are required for directional drilling, taking into account that must select the types of bits that are used with respect to the characteristics of the formations and views the well. We reviewed the theoretical foundations of the drills, in order to better understand their characteristics and applications to make good use of them, improving their performance and get a better program for drilling the well. xiv
CAPÍTULO 1 1
CAPÍTULO 1 1.1. La Broca. Es una herramienta de corte, la cual se utiliza para triturar y cortar las formaciones del subsuelo durante el proceso de perforación rotaría, se encuentra localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación y su función es perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión y de la rotación de la broca. En la actualidad existen varios tipos de brocas para la perforación de pozos petroleros que difieren entre sí, ya sea en su estructura de corte o por su sistema de rodamiento, como se demuestra en la figura 1, por ejemplo, cuando son de tres conos o por los materiales usados en su construcción. De acuerdo con lo anterior, las brocas se clasifican en: Brocas tricónicas, Broca de cortadores fijos y Brocas especiales. Brocas Tricónicas Brocas de Cortadores Fijos Brocas Especiales Figura 1. Tipos de Brocas de perforación 2
1.2. Introducción El petróleo se encuentra acumulado en el subsuelo en estructuras geológicas denominadas trampas, dentro de éstas, los hidrocarburos están contenidos en una roca porosa (o con espacios porosos) que se llama roca yacimiento. La trampa de hidrocarburos es una condición geológica de las rocas del subsuelo que permite la acumulación del petróleo o del gas natural. Las trampas pueden ser de origen estructural (pliegues y fallas) o estratigráfico (lentes, acuñamiento de rocas porosas contra rocas no porosas denominadas rocas sello). La tecnología en las operaciones de perforación de pozos petroleros cada día es más avanzada, y es nuestra obligación es estar al tanto de estos avances. La broca, en todos los sistemas de perforación implementados en el mundo, es una herramienta muy necesaria y ha jugado un papel muy importante desde los inicios de la historia de la perforación, evolucionando en cuanto a sus avances de diseño, tamaños, materiales de construcción etc. El método rotatorio de perforación de un pozo implica necesariamente el empleo de una broca, su correcta selección y las condiciones óptimas de operación son dos premisas esenciales para lograr éxito en el proceso. En la actualidad existe gran variedad de brocas fabricadas por varias compañías para diferentes tipos de trabajo. Por ello, se debe examinar adecuadamente las condiciones de la formación que se pretende perforar y el equipo disponible. Este estudio muestra los fundamentos del diseño de un programa de brocas que el ingeniero en perforación debe dominar, con el fin de entender los requerimientos y procedimientos operativos, para lograr una adecuada selección del plan de brocas. 3
1.3. El problema La inadecuada producción de una broca en un suelo no apto para la misma, ocasiona problemas y demora en la producción, por lo que se debe elegir una broca de acuerdo a la producción y perfil del pozo. La producción diaria de pozos de perforación puede verse afectada por diversas producción, entre las cuales se encuentran las ocasionadas por usar brocas que no corresponden al tipo de suelo del pozo, provocando pérdidas en la producción por la para del pozo. Perdidas como estas deben ser minimizadas al máximo para lo cual se realiza este estudio. 1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General Describir la variedad de brocas existentes que se usan en la perforación de pozos petroleros, para determinar así, cual es la que se debe usar en el momento adecuado. 1.4.2. Objetivo Específico a) Demostrar que una adecuada selección de la broca es el paso más importante en el proceso de optimización. b) Forma de excavar y su desgaste. 4
1.5. Marco Teórico En los primeros años de la perforación rotatoria, el tipo común de brocas fue de arrastre, fricción o aletas, compuesta por dos o tres aletas. La base afilada de las aletas, hechas de acero duro, se reforzaba con aleaciones metálicas más resistentes para darle mayor durabilidad. Algunos tipos eran aletas reemplazables. Este tipo de broca se comportaba bien en estratos blandos y semiduros, pero en estratos duros el avance de la perforación era muy lento o casi imposible. El filo de la aleta o cuchilla se tornaba romo rápidamente por el continuo girar sobre roca dura, no obstante el peso que se le impusiese a la broca para lograr que penetrara el estrato. Al surgir la idea de obtener una muestra cilíndrica larga (núcleo) de las formaciones geológicas, la broca de aleta fue rediseñada integrándole un cilindro de menor diámetro, concéntrico con el diámetro mayor de la broca. Así que durante la perforación la desmenuza una superficie circular creada por la diferencia entre los dos diámetros y el núcleo, de diámetro igual al del cilindro interno de la broca, se va cortando a medida que la broca corta-núcleo avanza. A partir de 1909 la broca de conos giratorios hizo su aparición. Este nuevo tipo de broca gano aceptación muy pronto y hasta ahora es el tipo más utilizado para perforar rocas, desde blandas hasta las duras y muy duras. Las brocas se fabrican de dos, tres o cuatro conos. A través de la experiencia acumulada durante todos estos años, el diseño, la disposición y características de los dientes integrales o los de forma esférica, semiesférica o botón incrustado, tienden a que su durabilidad para cortar el mayor volumen posible de roca, se traduzca en la 5
economía que representa mantener activa la broca en el hoyo durante el mayor tiempo posible. Cada cono rota alrededor de un eje fijo que tiene que ser muy fuerte para que cada cono soporte el peso que se le impone a la broca y pueda morder bien la roca para desmenuzarla. Por lo tanto, el encaje del cono debe ser muy seguro para evitar que el cono se desprenda. El movimiento rotatorio eficaz del cono se debe al conjunto de rolineras internas empotradas alrededor del eje, las cuales por lubricación adecuadamente hermética mantienen su deslizamiento. Además, la disposición, el diámetro y las características de los orificios o boquillas fijas o reemplazables por donde sale el lodo a través de la barrena, han sido objeto de modificaciones técnicas para lograr mayor eficacia hidráulica, tanto para mantener la broca en mejor estado físico como para mantener el fondo del hoyo libre de ripios que produce el avance de la broca. Poca gente tiene un buen entendimiento de las propiedades de las formaciones que van a perforar y no realizan análisis de muestras de pozos vecinos para establecer las propiedades de las formaciones. Por los detalles mencionados se apreciara que la fabricación de brocas requiere la utilización de aceros duros y aleaciones especiales que respondan a las fuerzas de desgaste que imponen a las diferentes partes de la broca, la rotación y el peso, la fricción, el calor y la abrasión. 6
CAPÍTULO 2 7
CAPÍTULO 2 2.1. Clasificación de las brocas Dentro de la gran gama de brocas utilizadas en la industria petrolera podemos mencionar: Brocas Tricónicas. Brocas compactas (PDC). Brocas especialmente diseñadas para corazonar. En este texto vamos a tratar de ampliar un poco lo que es esta gran gama de brocas de perforación y en qué tipos de formación son más utilizadas cada una de ellas. 2.2. Brocas Tricónicas La patente de las brocas tricónicas datan de antes de 1866, sin embargo, solamente tres fueron emitidas antes del descubrimiento del yacimiento de Spindletop cerca de Beaumont, Texas en 1901, aquí se hicieron evidentes las ventajas del proceso rotario de perforación, su aceptación se debe a que son universales y tienen gran versatilidad y buenos resultados en la perforación de pozos petroleros. Las brocas tricónicas están formadas por tres conos cortadores que giran sobre su propio eje, como se demuestra en la figura 2. 8
Figura 2. Brocas Tricónicas Varían de acuerdo con la estructura de corte, pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno y cambiar en función de su sistema de rodamiento. Los principales componentes de las brocas tricónicas de rodamiento son: La estructura de corte o cortadores. Cojinetes. Cuerpo de la broca. 2.2.1. La Estructura de Corte o Cortadores. Las brocas tricónicas emplean dos tipos de cortadores: Dientes de Acero.- Se fabrican a partir de piezas forjadas de aleación de acero con níquel, molibdeno y cromo. Las brocas con dientes de acero son las más económicas; cuando se usan apropiadamente pueden 9
perforar por varias horas y se diseñan para trabajar en formaciones blandas, medias y duras. Dientes con Insertos de Carburo de Tungsteno.- En estas brocas el fabricante introduce insertos duros de Carburo de Tungsteno aplicando presión en huecos perforados en el cono de la broca. Su tiempo de vida útil es mayor debido a que el Carburo de Tungsteno es más resistente al desgaste durante la perforación que el acero. Este tipo perfora desde formaciones blandas, medianas, hasta muy duras. En general, la estructura de corte está montada sobre los cojinetes, que rotan sobre pernos y constituyen una parte fundamental del cuerpo de la broca, como se aprecia en la figura 3. Figura 3. Estructura de Corte de una Broca tricónica 10
2.2.2. Cojinetes Permiten a los conos girar alrededor del cuerpo de la broca como se observa en la figura 4. Se clasifican en dos tipos principales: Cojinetes de bolas y rodillos: posicionados de tal forma que soporten la carga radial. Cojinete a fricción (journal): es un perno sólido unido a la superficie interna del cono que se convierte en el principal elemento del cojinete que soporta la carga radial, son los más usados en estos días por desarrollar una vida más prolongada. Figura 4. Cojinetes de bolas y de fricción 11
Figura 5. Vista Interna de los cojinetes. Figura 6. Partes del Sistema de Rodamiento. 12
2.2.3. Cuerpo de una Broca Uno de los propósitos del cuerpo de la broca es dirigir el fluido de perforación para lograr una limpieza más efectiva en el fondo del pozo. Anteriormente, los orificios en el cuerpo estaban ubicados para dirigir el fluido de perforación de forma tal que limpiaban los conos de la broca. En la actualidad, la mayoría de las brocas son del tipo a chorro, donde el fluido apunta hacia el fondo del pozo. El Cuerpo de una Broca Tricónica está compuesto por las siguientes partes externas como lo demuestra la figura 7. Una conexión roscada (piñón) que une la broca con la tubería de perforación. Tres ejes (muñón) del cojinete en donde van montados los conos. Tres conos. Los depósitos que contienen el lubricante para los cojines. Los orificios (toberas) a través de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar del fondo el recorte que perfora la barrena. Cortadores (dientes o insertos). Hombro de la barrena. Figura 7. Partes Externas de una Broca tricónica 13
Figura 8. Partes Internas de una Broca El Código IADC para Brocas Tricónicas La Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las brocas tricónicas y evitar que exista confusión entre los tipos de brocas equivalentes en relación con los distintos fabricantes. Para este propósito se creó el sistema (código IADC) de clasificación de tres dígitos, que se explica en la siguiente tabla: 14
Tabla 1. Código IADC para brocas tricónicas 15
Las Brocas Tricónicas están diseñadas para una amplia variedad de aplicaciones, pueden perforar formaciones muy duras, muy abrasivas, blandas, plásticas, pegajosas y cualquier combinación de estas aplicando distintos parámetros operativos como se demuestra en la figura 9. Mecanismo de Corte de las Brocas Tricónicas La broca Tricónica perfora la roca por compresión (trituración). Cuando se tritura la formación, se ejerce una carga perpendicular a la roca dando lugar a una serie de fracturas que se propagan radialmente desde el punto de contacto hacia el radio del hueco. Figura 9. Mecanismo de Trituración Es muy importante anotar que la correcta selección del diámetro de las boquillas o jets juega un papel muy importante en la perforación como se observa en la figura 10, pues esto no genera una energía adicional al realizar la operación. 16
Figura 10. Jet o Boquilla usadas para la Perforación Teniendo en cuenta que no todas las formaciones a perforar tienen la misma litología y características de compactación, dureza, etc., se diseñaron las brocas con insertos de carburo de tungsteno, como ya sabemos este material es más resistente a la abrasión y desgaste que pueden generar dichas formaciones. Figura 11. Tipos de Brocas Tricónicas. 17
Cuerpo de Carburo de Tungsteno Consiste de una matriz hecha a partir de carburo de tungsteno en polvo, con una aleación de níquel-cobre que actúa como aglutinante, como se representa en la figura 12. La matriz protege y soporta los cortadores y define la dirección en que circulan los fluidos (incluyendo los conductos interiores) y las áreas de los canales de limpieza. Figura 12. Cuerpo de Carburo de Tungsteno 18
Cuerpo de Acero El material es un acero de alta aleación, que provee buena resistencia y elasticidad como se observa en la figura 13. Al finalizar el proceso de fabricación, la corona se suelda a la espiga y simultáneamente los cortadores se adhieren a la broca mediante soldadura. Dado que el acero ofrece resistencia a la abrasión y a la erosión mucho menor que la matriz de carburo de tungsteno, es necesario aplicar material duro (hardfacing) en zonas críticas del cuerpo, con el fin de prolongar su vida útil. Figura 13. Cuerpo de Acero 19
Con el fin de observar un poco más en detalle la posición que adoptan los dientes o insertos en la operación de perforación y la función que desempeñan se presenta la figura 14. Figura 14. Dientes o Insertos Clasificación de las Brocas y código IADC. Un sistema de clasificación para brocas de conos de acuerdo al tipo de dientes sean éstos de acero o insertos de carburo de tungsteno, el tipo de formación a ser perforado y las características mecánicas de las brocas, fue desarrollado por la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación IADC. De acuerdo a un código alfa numérico con una serie de tres dígitos, las brocas pueden ser clasificadas de la siguiente manera. El primer dígito va de 1 a 8 y dentro de éste rango la serie 1,2 y 3 son reservados para brocas de dientes de acero en formaciones suaves, medias y duras. Las series del 4 al 8 son para brocas de insertos en formaciones suaves, medias, duras y extremadamente duras. 20
El segundo dígito corresponde a una sub-clasificación de las series y va de 1 hasta 4, lo cual permite una mejor caracterización de las formaciones a ser perforadas. El tercer dígito va desde la columna 1 hasta la 9, donde, desde la columna 1 hasta la 7 corresponde a características específicas de las brocas en cuanto al tipo de cojinetes, protección al calibre, etc. Las columnas 8 y 9 han sido removidas y reservadas para el desarrollo de futuras brocas. Por ejemplo, una broca de dientes de acero ATJ-4 de la compañía HUGHES CHRISTENSEN corresponde a una broca 216 dentro del código IADC, por otra parte una broca de insertos de carburo de tungsteno S53A de la compañía REED, corresponde al código IADC 535. El código IADC permite estandarizar las brocas de todos los fabricantes, dependiendo de su aplicación. Se puede ver en el selector de broca en la siguiente tabla. Tabla 2. Ejemplo de Selector de Brocas 21
Evaluación del daño de una broca La IADC estableció un código de evaluación del daño ocurrido a una broca después de haber operado por un tiempo determinado en el hueco. Toda broca debe ser evaluada después de ser sacada de un pozo, independientemente de su condición, puesto que podría decidirse correrla nuevamente. Los casilleros para la evaluación de la broca están distribuidos de la siguiente manera: 4 casilleros para los cortadores 1 casillero para los cojinetes 1 casillero para el calibre de la broca 1 casillero para el desgaste secundario de los cortadores y 1 casillero para expresar la razón por la que fue sacada la broca. El desgaste de los dientes internos y externos es evaluado de 0 a 8, donde 0 quiere decir que no tiene desgaste y 8 es desgaste total, llenando en los casilleros 1 y 2 respectivamente. El tercer casillero es para especificar la característica del desgaste El cuarto casillero es para definir su ubicación El quinto casillero permite calificar la condición de los cojinetes ya sean sellados o no En el sexto casillero se debe colocar la evaluación del calibre de la broca en dieciseisavos de pulgada, se debe disponer del anillo de calibración correspondiente para evaluar el desgaste. El séptimo casillero permite especificar un desgaste secundario. El octavo casillero es para indicar la razón por la cual la broca fue sacada del pozo. Los siguientes casos representan ejemplos de brocas que estuvieron perforando y fueron sacadas del pozo para luego ser evaluadas de acuerdo a su condición como lo demuestra las figuras 15,16 y 17. 22
Figura 15. Desgaste 1 ( 7, 1, BT, M, E, I, WT, PR ) Figura 16. Desgaste 2 ( 7, 1, BT, M, E, I, WT, PR ) 23
Figura 17. Desgaste 3 ( 0, 0, NO, A, E, I, LN, PP ) 24
CAPÍTULO 3 25
CAPÍTULO 3 3.1. Brocas de Diamante. Dos tipos de brocas de diamante son usadas para aplicaciones especiales donde su acción de raspado es más eficiente como se observa en la figura 18. La de cortadores fijos PDC, que usa cortadores compactos de diamante policristalino, mientras que el otro tipo usa cortadores de diamante natural embebidos en una matriz que cubre la cabeza de la broca. Figura 18. Brocas de Diamante. Las brocas PDC pertenecen al conjunto de brocas de diamante con cuerpo sólido y cortadores fijos, estas brocas son fabricadas con diamante natural o sintético. Los cortadores se diseñan y fabrican en forma de pastillas (compactas de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la broca, las brocas 26
de diamante tienen un diseño muy elemental y a diferencia de las tricónicas, carecen de partes móviles como lo vemos en la figura 19. Están construidas de acuerdo a las características de sus fabricantes, el cuerpo fijo puede ser de acero, de carburo de tungsteno o combinación de ambos, la dureza extrema y la alta conductividad térmica del diamante lo hacen un material con alta resistencia para perforar en formaciones duras a semiduras y en algunos casos hasta en formaciones suaves. Por su diseño hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda, actualmente este tipo de broca es la más usada para la perforación de pozos petroleros. También presenta ventajas económicas por ser reutilizables. Una desventaja son los problemas de acuñamiento en formaciones poco consolidadas y en pozos en donde se debe repasar el agujero debido a constantes derrumbes de la formación, situación que contribuye a que sean atrapadas más fácilmente que una tricónica. Figura 19. Vista de una Broca de Cortadores Fijos PDC. 27
Figura 20. Partes de la Broca de Cortadores Fijos. Figura 21. Secciones de una Broca de Cortadores fijos. 28
3.1.1. Componentes de la Broca con Cortadores PDC La estructura de una broca de diamante se compone de tres partes: la estructura de corte, el cuerpo (también denominado corona) y la espiga (shank). Todas las brocas de diamante poseen esencialmente los mismos componentes pero distintos elementos de corte y sistemas hidráulicos. Las brocas de diamante no usan toberas de lodos para circular el fluido de control para aprovechar su hidráulica, están diseñadas de tal manera que el fluido de perforación pueda pasar a través del centro de la misma, alrededor de la cara de la broca y entre los diamantes por unos canales llamados vías de agua o de circulación. 3.1.1.1. Estructura de Corte de una broca PDC La estructura de corte de una broca PDC está constituida por diamantes sintéticos. El tipo de elemento de corte depende de la formación en la que se trabajará. Cortadores PDC: Un cortador PDC consiste de una serie de diamantes sintéticos unidos a una base de carburo de tungsteno. Los cortadores PDC se sueldan a la broca después de haberse unido al cuerpo y su principal objetivo es obtener un cortador de mayor duración y más resistente al desgaste. Figura 22. Cortadores PDC. 29
3.1.1.2. Cuerpo de una Broca con Cortadores PDC Puede estar fabricado de acero o de carburo de tungsteno y sus partes se reflejan en la figura 23 y consta de: Una conexión roscada (piñón) que une la broca con una doble caja del mismo diámetro de las otras brocas. Numerosos elementos de corte policristalino (cortadores). Aletas (en algunos modelos). Los orificios (toberas) a través de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar del fondo el recorte que perfora la broca. Hombro de broca. Figura 23.- Componentes de una Broca PDC. 30
3.1.1.3. Espiga (Shank) Es la que vincula la broca con la sarta de perforación y está representada en la figura 24, se fabrica con acero de alto porcentaje de aleación tratado térmicamente. Figura 24. Representación de una Espiga A las brocas de cortadores fijos también se conocen como brocas de cabeza fija, éstas tienen cortadores, pero los fabricantes los embeben en la cabeza de la broca, la cual solo se mueve cuando la broca rota, no tiene partes móviles, vienen en varios tamaños que van desde 2 o 3 pulgadas (50 75 mm) hasta más de 36 pulgadas (1 m). Tenemos tres tipos de brocas con cortadores fijos y son: 31
a) Brocas Policristalinas de Diamantes Compactos (PDC) b) Brocas de Diamante. c) Brocas Corazonadora. 3.1.2. Brocas Policristalinas PDC Bits. La broca PDC tiene cortadores hechos de diamantes artificiales y de Carburo de Tungsteno como se observa en la figura 25. Cada cortador hecho de diamante y Carburo de Tungsteno se conoce como compacto. Los fabricantes colocan los compactos en la cabeza de la broca. A medida que la broca rota sobre la roca, los compactos cortan la formación. Figura 25. Brocas Policristalinas Las brocas PDC son bastante costosas, sin embargo, cuando se usan apropiadamente, pueden perforar en formaciones blandas, medianamente duras o duras por varias horas y sin fallar. 32
Compacto de PDC PDC Compact. La capa de un compacto de PDC es muy fuerte y bastante resistente al desgaste, un ejemplo se puede apreciar en la figura 26. Los fabricantes adhieren los cristales de diamante al inserto de Carburo de Tungsteno a altas presiones y elevadas temperaturas. Fig. 26.- Capa de un compacto de PDC. La parte de Carburo de Tungsteno le da al compacto de PDC alta resistencia al impacto, reforzando las propiedades de resistencia al desgaste de los cortadores. 3.1.3. Brocas de Diamantes Los fabricantes hacen las brocas de diamantes a partir de diamantes industriales como se demuestra en la figura 27. 33
Los diamantes son los cortadores de la broca. Figura 27. Brocas de Diamantes Los diamantes son una de las sustancias más duras conocidas; algunos tipos de diamantes son: a) Regular. b) Premium. c) Octahedron d) Carbonato e) Magnífico Magnific. La broca de diamantes rompe la formación comprimiéndola, cortándola o rapándola, el diamante actúa como una lija, desgastando la formación. 34
Los fabricantes embeben el diamante en la matriz de metal que conforma la cabeza de la broca. Las brocas de diamantes son costosas, sin embargo, cuando se usan adecuadamente, pueden perforar por muchas horas sin fallar. 3.1.4. Broca Corazonadora y Barriles. Los miembros de la cuadrilla corren una broca corazonadora y un barril cuando el geólogo necesita un corazón de la formación que está siendo perforada. Normalmente una broca corazonadora es una broca de cortadores fijos de PDC o de diamante, como se demuestra en la figura 28. Tiene un hueco en el medio. Esta abertura permite que la broca obtenga el corazón. Los diamantes y PCS se encuentran alrededor de la abertura y a los lados de la broca. Figura 28. Broca Corazonadora 35
El Código IADC para Brocas PDC Similar que para las brocas tricónicas existe un código IADC para las brocas PDC, el cual se muestra a continuación en la tabla 3. Tabla 3.- Código IADC para Brocas PDC 36
Clasificación de las brocas de Diamante (Cortadores Fijos) El código IADC de 4 caracteres para brocas de diamante se viene usando desde 1987. El primer caracter es una letra para describir el tipo de cortador y el material del cuerpo. El segundo caracter detalla el perfil de la selección transversal de la broca, es el modelo del fondo de la broca referida a los cortadores. Nueve perfiles básicos son definidos numéricamente basados en dos parámetros del perfil; altura del calibre y concavidad interna (altura del cono). El tercer caracter describe el diseño hidráulico de la broca, es definido numéricamente asó como el caracter de perfil de la broca. El cuarto caracter denota el tamaño y densidad de ubicación de los cortadores, una matriz numérica 3x3 es usada para éste propósito. Una consideración importante es la selección del tamaño de la broca, puede ser corrida dentro de un casing para perforar los accesorios de cementación usados en el casing (tapones, válvula flotadora, zapato guía, etc.) y luego continuar con la siguiente sección del pozo. El siguiente cuadro presentado en la tabla 4, puede ser usado como guía para tal propósito. 37
Tabla 4.- Dimensiones de las brocas. 38
Costo por pie perforado. No siempre la broca más rápida resulta ser la más económica, ni tampoco la broca que permanezca más tiempo en el hueco, ante ésta situación, no es fácil decidir cual será la próxima broca para perforar el siguiente pozo, sin embargo, usando la ecuación de costo por pie perforado, es posible realizar un mejor análisis y posiblemente decidir cuál es la broca más conveniente. Donde: C = Costo por pie perforado ( US $/Pie ) B = Costo de la broca ( US $ ) R = Costo de operación del taladro ( US $ /Hr ) T = Tiempo de perforación o rotación ( Hr ) t = Tiempo de viaje redondo ( Hr ) F = Piesaje ( Pie ) Es importante aclarar que ésta ecuación puede ser aplicada para establecer si un set de brocas tricónicas que perforó una determinada sección sería económicamente más conveniente que una broca PDC para perforar la misma sección. 39
Brocas Especiales Son brocas que como su nombre lo indica, se usan para operaciones muy específicas y por tanto, no se considera su análisis económico comparativo para su aplicación directa. Dentro de las brocas especiales tenemos: Brocas Desviadoras Brocas Monocónicas y Brocas Especiales Las brocas de chorro desviadoras a veces se emplean para la perforación direccional de formaciones blandas durante operaciones de desviación del agujero. La tubería de perforación y la broca especial son bajadas dentro del agujero, y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión de las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en una dirección específica. Una broca considerada para trabajar en condiciones especiales es la barrena para perforar con aire. Las brocas de chorro de aire están diseñadas para la perforación con aire, gas o neblina, como medio de circulación. Estas brocas están provistas de conductos para circular parte de aire, gas o neblina a través de los cojinetes no-sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios. Los filtros de tela metálicos colocados sobre la abertura de la entrada de aire, evitan que los ripios u otras materias extrañas obstruyan a los cojinetes. Existen también las brocas especiales ampliadoras, las brocas para cortar tuberías de revestimiento, las brocas para perforar diámetros demasiado grandes o demasiado pequeños con aplicación de tubería flexible. 40
CAPÍTULO 4 41
CAPÍTULO 4 4.1. Factores para la selección de las brocas. Entre los factores que se deben tomar en cuenta para la selección de brocas tenemos: Factores importantes Factores que afectan su selección y Factores que afectan su desgaste. 4.1.1. Factores importantes Todos los factores son importantes, pero destacaremos algunos: Rendimiento de la broca.- Perforar la mayor cantidad de metros en un tiempo de rotación aceptable es uno de los principales objetivos de los técnicos, es decir perforar un pozo en el menor tiempo posible. Longitud de la sección a perforar. Dureza y Abrasividad de la formación. Litología.- La información geológica es lo primero que se necesita para poder seleccionar adecuadamente una broca, tipo de roca, homogeneidad, dureza. Objetivos de la perforación direccional. Sistema de rotación. Tipo de fluido de perforación Trayectoria del pozo.- Las brocas de diamante en una perforación horizontal tienen ventaja a las tricónicas por su gran alcance y poder perforar horizontalmente. Economía.- Es muy importante el factor económico en la selección de brocas. 42
4.1.2. Factores que afectan su selección. Perfil de la broca.- Afecta la capacidad de dirigir las brocas PDC, no tomar en cuanta éste perfil puede incluir consecuencias como la reducción de la vida de la broca debido a la menor remoción de elementos y una limpieza pobre debido a una inadecuada configuración de la hidráulica. La capacidad hidráulica, el ensamblaje de fondo y la evaluación de formaciones tienen un rol importante en la elección del mejor perfil de la broca. Eficiencia de corte.- Los especialistas de servicio optimizan la eficiencia de corte para una aplicación direccional específica y para maximizar las ratas de penetración a través del mejoramiento del control direccional de la broca y ante los problemas que se presentan, ellos usan las configuraciones de corte trac set y single set como se observa en la figura 29, para optimizar la estabilidad, la capacidad de dirección y el desempeño. Figura 29. Optimización de Eficiencia de Corte 43
Fuerza de balance.- La estabilidad de la broca es un factor clave en el logro de un desempeño aceptable y de las expectativas de dirección, la calidad del pozo es también importante para ver cómo reacciona la broca para alcanzar los resultados deseados. 4.1.3. Factores que afectan su desgaste Dentro de los factores que afectan su desgaste podemos mencionar los siguientes: Factor geológico.- Considerado el factor más importante para la selección de una broca, ya que conociendo la composición y la dureza de la roca, se puede determinar los materiales abrasivos de la misma y que son la causa del desgaste prematuro de la broca. Factor operativo.- Se puede considerar dos factores. Peso sobre la broca.- Los cortadores de las brocas se van desgastando conforme se va perforando, por lo que se necesita de más peso sobre la broca para que su desgaste no sea prematuro. Limpieza del fondo del pozo.- Al mantener una limpieza continua en el fondo del pozo, se evita el embolamiento de la broca y a la vez un desgaste por exceso de temperatura. 44
CAPÍTULO 5 45
CAPÍTULO 5 5.1. Análisis del lo investigado Realizado el análisis respectivo de todo lo investigado se llega a: 5.1.1. Conclusiones Para perforar un pozo, la información que se puede obtener de los pozos es: litología, parámetros operacionales, registros geofísicos, entre otros; es de vital importancia para diseñar el programa de brocas más óptimo. El conglomerado superficial (zona de cantos rodados) se debe perforar triturándolo, mediante el uso de brocas tricónicas de dientes de acero. La selección del tipo de broca se facilita conociendo la litología a perforar y características, tales como dureza, abrasión y composición permitirán establecer la estructura de corte más adecuada. El peso del lodo es la propiedad del fluido de perforación más influyente en el comportamiento hidráulico de las brocas, no se debe perforar con pesos elevados de lodo, a excepciones estrictamente necesarias, ya que pesos altos disminuyen la tasa de penetración. Un alto torque indica que la broca probablemente tenga algún daño en su estructura de corte o la inclinación del pozo está cambiando, se debe hacer una revisión de todas las herramientas usadas en el BHA, principalmente los estabilizadores, los cuales podrían estar generando dicho torque. Para que la estructura de corte se mantenga perforando a una óptima ROP se debe aplicar peso sobre la broca antes que aumentar la velocidad rotaria, tanto para la tricónica como la PDC, logrando además estabilizar la broca y evitar remolino. 46
5.1.2. Recomendaciones Para atravesar Lutitas (shales) suaves y limpias se debe aumentar la velocidad de rotación (RPM) y disminuir el peso sobre la broca (WOB) con el fin de mejorar la tasa de penetración (ROP). No se recomienda trabajar con HSI mayores a 3 debido a que los mismos pueden ocasionar su derrumbe y posteriores problemas en la perforación. Para perforar calizas (limestone) duras se recomienda incrementar el peso sobre la broca (WOB) y disminuir la velocidad de rotación (RPM) para permitir que los cortadores cizallen de mejor manera la formación. Se debe tener en cuenta que debido a la dureza de estas formaciones las ROP que se obtienen normalmente no son altas (menores a 50 ft/hr). Para maximizar la tasa de penetración (ROP) en areniscas (sandstone) duras se debe aumentar el peso sobre la broca (WOB) y disminuir la velocidad de rotación (RPM); de esta manera se asegura reducir el desgaste de los cortadores por abrasión y continuar con una buena estructura de corte en toda la sección de arenisca y en los estratos siguientes. Debido a su comprobada resistencia y eficiencia para la perforación del Conglomerado de Tiyuyacu (estrato chertoso) se aconseja mantener el uso de una broca de insertos estableciendo los topes precisos a fin de perforar con seguridad dentro del intervalo y optimizar los parámetros operacionales. Realizar siempre la perforación de la sección Superficial con broca Tricónica de dientes hasta atravesar la zona de Boulders con el fin de no tener inconvenientes en la perforación del mismo. El uso de brocas PDC en esta sección no es recomendable debido a que esta litología causa rotura y astillamiento de los cortadores por impacto. 47
5.2. Bibliografía BAKER HUGHES, Drill Bit Foundation, Capítulo 2-3, Pag. 5 132. Barrenas e Hidráulica de Perforación, PDF, Pag. 30 41, 80. Diseño de la Perforación Pozos, PDF, Pag. 90 97. Fluidos de Perforación e Hidráulica, PDF, Pag. 2 10, 25 29. STEVE TAYLOR, Procedimiento para correr brocas de perforación http://www.scribd.com/doc/24882797/brocas-de-perforacion-by-halliburton http://www.scribd.com/doc/19414708/brocas-de-perforacion http://es.scribd.com/doc/52785339/tomo-04-barrenas-e-hidraulica-de- Perforacion http://www.ingenieriadepetroleo.com/2010/01/brocas-triconicas-y-pdc-partes-yfotos.html http://petroshaggy.blogspot.com/2010/07/brocas-de-perforacion-triconicas-ypdc.html 48
5.3 Anexos Anexo 1. Tipos de Brocas de Perforación. 49
Anexo 2. Diagrama de Tipos de Brocas. 50
Anexo 3. Brocas de cortadores fijos. 51
Anexo 4. Cortadores PDC. 52
Anexo 5. Tipos de Desgaste de Cortadores PDC. 53
Anexo 6. Brocas tricónicas. 54
Anexo 7. Partes de las brocas tricónicas. 55
Anexo 8. Brocas Tricónicas luego de usarlas. 56
Anexo 9. Presentaciones de Diferentes Brocas de Perforación. 57
Anexo 10. Herramientas 58