Introduccin a la Ingeniera de Petroleos

Brocas de PerforacinLas brocas de perforacin son la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforacin que se utiliza para cortar o triturar la formacin durante el proceso de la perforacin rotatoria.

Para realizar la perforacin, las brocas funcionan con base en dos principios esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y de compresin.

El principio de ataque de la barrena se realiza mediante la incrustacin de sus dientes en la formacin y posteriormente en el corte de la roca al desplazarse dentro de ella; o bien, mediante el cizallamiento generado por los cortadores de la broca y que vence la resistencia de la roca.

DefinicinSeleccin de las brocas

Antes de seleccionar una nueva broca, consulte al gelogo acerca de las formaciones que se esperan, sus caractersticas litolgicas y espesor estimado. Los bit record de pozos vecinos, son intiles sin la adecuada correlacin geolgica.

Determine la litologa y el grado IADC de las brocas (bit grading) corridas anteriormente en la seccin a perforar.

La compaa que suministra las brocas puede utilizar los registros sonico-GR, para calcular la compresibilidad de la broca y optimizar el diseo.

Seleccione una proteccin al calibre cuando se anticipa la presencia de formaciones abrasivas.

Seleccin de las brocas

Establecer el requerimiento de direccionabilidad (steerable). El ingeniero direccional optimiza el conjunto Broca / motor / MWD.Tipos de brocas

Los tipos de brocas de perforacin ms utilizados para la perforacin de pozos petroleros, as como el empleo de brocas para operaciones especiales, se clasifican genricamente de la siguiente manera:

Brocas tricnicasBrocas de cortadores fijosBrocas especiales Las brocas tricnicas tiene 3 conos los cuales se van interfiriendo y luego limpiando entre s, con filas de cortadores en cada cono.

Los conos son principalmente de dos tipos: o bien dientes tallados o de insertos de carburo de tungsteno (Tungsten Carbide Inserts, TCI) y pueden ser de varios tamaos y durezas de acuerdo a las litologas previstas.

Cada boquilla est posicionada encima de cada cono, son reemplazables y pueden ser instaladas en varios tamaos, siendo mayor la velocidad del lodo por la boquilla a media que esta es ms pequea.

Los tamaos de las boquillas se expresan en treintaidosavos de pulgada.

Si no se instala una boquilla, se conoce como boquilla abierta o full open.

Brocas TricnicasSerieTipo de estructura de corte1SuaveDiente tallado2Media3Dura4Muy suaveCincelInserto Carburo Tungsteno5Suave6MediaCnica7Dura8Muy duraTipoGrado de dureza de la estructura de corte1 - 41 Ms suave4 Ms duroOpcin de diseoDiseo de rodamiento y proteccin de calibrador1Producto estndar2Perforacin con aire3Calibre del dimetro protegido4Rodamiento sellado5Calibrador protegido y rodamiento sellado6Rodamiento de buje sellado por friccin7Rodamiento de buje sellado por friccin, calibre del dimetro protegido8Direccional9OtraClasificacin IADC de BrocasBrocaCdigo IADCDescripcinHughes ATM22517 Con dientes TCI para formacin blanda, la ms blanda en el rango, con rodamientos sellados y proteccin de calibre del dimetroReed MHP13G137 Con dientes blandos tallados, para formacin medianamente dura dentro del rango de la broca, con rodamientos sellados por friccin y proteccin de calibre del dimetroBrocas TricnicasPor ejemplo:Brocas TricnicasThe 4th Character IADC codeManufacturerFeature and 4th CharacterSecurity / DBSHughesReedSmithAAir application (journal bearing with air nozzles)AAABSpecial bearing bitStandard **ATM*CCentre jetJ4C*JCCDDeviation controlD*A1EExtended jets (full length)ET*JXEGExtra gauge / body protectionG*, M*, D, SS*M*, D, GJKG, L, D, ODHHorizontal / Steering ApplicationHx*, SS*, MM*M*M*JJet deflectionJDJDBH*LLug padsLP*JLLMMotor applicationSS*, MM*, M*MAX*M*M*SStandard steel tooth modelTC*A1TTwo cone2*DDwEnhanced cutting structureD XPredominantly chisel toothed inserts-AYPredominantly conical insertsCFZOther shaped insertsC*Tipos de rodamiento:

Sin sello: Estn llenos con grasa y expuestos. Su vida por lo tanto es corta pues los rodamientos estn expuestos a la fatiga del metal y a la abrasin por slidos.

Sellados y autolubricados: An existe fatiga del metal, pero la abrasin por slidos se ha eliminado mientras el sello permanezca.

Bujes sellados: Estos tienen una vida ms larga, pero puede haber desgaste ocasionado por las superficies de metal rozando en la parte inferior de los bujes.

Brocas TricnicasDientes:

Formaciones blandas: Los dientes escogidos normalmente sern largos, delgados y ampliamente espaciados. Los dientes entre ms largos logran mayor penetracin en la formacin blanda. El amplio espaciamiento entre dientes impide el empacamiento de la formacin blanda entre los dientes. La accin de corte se produce por tallado y raspado y los cortes producidos sern grandes y angulosos.

Formaciones de mediana dureza: Se usan dientes ms cortos. Un amplio espaciamiento permite una eficiente limpieza, aunque el empacamiento no es una consideracin tan importante como en las formaciones blandas.

Brocas TricnicasDientes:

Formaciones duras: Se usan dientes cortos y an ms anchos, los cuales producen un efecto de aplastamiento y fragmentacin ms que de arranque y deformacin en la roca. No se requiere espaciamiento entre los dientes ya que los cortos producidos sern ms pequeos, en mayor concentracin o volumen. Las ratas de perforacin sern menores.

Formaciones ms duras: An ms pocos y ms pequeos dientes facilitan que los rodamientos pedan ser ms grandes y resistentes y as puedan soportar las grandes fuerzas necesarias para lograr el fallado fsico de la formacin.

Brocas TricnicasRequisitos para la operacin:

Las formaciones abrasivas y duras requieren fuerza sobre la broca (WOB). El mayor peso obviamente tendr su impacto en los rodamientos, de forma que una rotacin ms lenta deber ser aplicada, con el fin de no desgastar en exceso los rodamientos.

Las formaciones ms suaves requieren menor WOB con el fin de lograr una buena penetracin, por lo tanto se puede aplicar un valor mayor de RPM. Demasiado peso puede en efecto quebrar los dientes o insertos ms largos de las brocas usadas en estas formaciones.

Brocas TricnicasRequisitos para la operacin:

Generalmente la rata de penetracin (ROP) es mayor cuando se aplica un peso mayor (WOB) y/o unas RPMs ms altas, pero demasiado peso puede resultar en efectos contraproducentes como empacamiento de la broca en formaciones blandas, desgaste en los rodamientos y en rotura de dientes o insertos.

Brocas TricnicasBrocas Tricnicas

Estructura de corte convencional Estas brocas tienen una larga vida pues sus cortadores son muy duros y no hay rodamientos ni partes mviles. Los diamantes industriales de origen natural empleados son colocados manualmente en diseos geomtricos que cubren el fondo de la broca, en forma redundante que permita el funcionamiento de la misma si hay rotura de alguno de ellos.

En las brocas PDC, los diamantes policristalinos son montados en una matriz de carburo de tungsteno. Los diamantes realizan la perforacin, o el corte, mientras el carburo de tungsteno los sostiene proveyndoles de resistencia y rigidez.

Los cortadores de diamante comienzan su trabajo afilados y se desgastan mantenindose afilados, mientras que la mayora de cortadores se desgasta con el uso. Esto y su vida ms larga hacen extremadamente efectivas en costo para perforaciones profundas y en formaciones duras y abrasivas. Brocas Policristalinas y de Diamante Dado que no tienen partes mviles, son econmicas y permiten altos regmenes de rotacin (RPM), (mayores que los permitidos para brocas con rodamientos) producidos con motores de fondo.

Tienen una larga vida, aunque las ratas de penetracin (ROP) son generalmente menores. La distancia perforada tendr que ser mayor para justificar el alto costo que implican estas brocas.

La accin cortante de los diamantes es del tipo de fallamiento o pulverizacin, lo cual produce cortes que son mucho ms finos que los producidos por una broca tricnica. Brocas Policristalinas y de Diamante17 Las brocas de diamante tienen diferentes requerimientos operacionales que las brocas tricnicas. Generalmente tienen un dimetro ligeramente menor que el tamao del hueco para reducir desgaste durante los viajes para adentro y para fuera del pozo.

El rendimiento ptimo se logra con bajos WOB y la ms alta RPM posible, y con altas velocidades de lodo alrededor de las superficies cortantes de la broca.Brocas Policristalinas y de DiamanteBrocas Policristalinas y de DiamanteBit BlankFeed BoreSoft Powder TC Hard Powder -TCBit CrownImpreg MixCrow FootPinGauge PathBrocas Policristalinas y de Diamante

Las coronas tienen dos funciones: perforar el pozo y formar el ncleo. Por lo tanto adicionalmente a las consideraciones de diseo de la estructura de corte general comunes para brocas de perforacin deben tenerse en cuenta tambin la calidad del ncleo, especficamente, evitar los disturbios mecnicos y la invasin de fluidos.

Las caractersticas de las coronas son:

Aletas + estructura de corte rea de desalojamiento de recortes (junk slots) + puertos Dimetro exterior/pads gage Dimetro interno/ Calibre interno

Coronas (Core Heads)Partes de la seccin superior:

Shank: Rosca Estandard (STD), Rosca Heavy Duty (HDT) Conexin Caja (Box up) Ranuras del cuadro de apriete (Breaker slot)

Principales objetivos de desempeo:

Recuperacin (objetivo=100 %) Calidad del Ncleo: Dimetro y forma, formaciones no problemticas (fracturada, permeable, atascamientos), preservacin de los fluidos de la formacin de invasin de lodo.

Criterios Secundarios: Total de metros perforados, velocidad de penetracin (ROP)

Coronas (Core Heads)

Coronas (Core Heads)

Coronas (Core Heads)

Barriles interiores en fibra de vidrio

Barriles interiores de aluminio acanaladosJunta de seguridad ajustableEvaluacin de desgaste IADCExternaEstructura de corteInternaCaracterst.UbicacinCojinetes/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacar134567821 Estructura de corte interna (Todas las hileras internas)2 Estructura de corte externa (Hileras del calibre solamente)3 Caracterstica de desgaste principal (Use cdigos de estructura de corte)4 Ubicacin (Dnde ocurre la caracterstica de desgaste)5 Cojinetes /Sellos (Condicin de los conos)6 Calibre (Dimetro final del calibre)7 Otra caracterstica de desgaste (No limitado a estructura de corte)8 Razn de la sacada (Porqu finaliz la carrera)1 Estructura de corte interna (Todas las hileras internas)2 Estructura de corte externa (Hileras del calibre)Medida de la altura del dienteEstructura de corteCaracterst.UbicacinCojinete/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacar345678InternaExterna12

InternaExterna12InternaExterna12InternaExterna12InternaExterna12En brocas de insertos:Por desgastePrdida de insertosRotura de insertosEstructura de corteCaracterst.UbicacinCojinete/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacar345678InternaExterna12

InternaExterna12InternaExterna12InternaExterna12InternaExterna123 Caractersticas de desgaste (Use solamente cdigos estructura de corte)*BC - Cono Roto BT - Dientes/Cortadores Rotos BU - Broca Embolada*CC - Cono Agrietado*CD - Cono Arrastrado CI - Interferencia de Conos CR - Coronado CT - Dientes/Cortadores Astillados ER - ErosinFC - Desgaste PlanoHC - Dao por CalorJD - Dao por Chatarra*LC - Cono PerdidoLN - Boquilla PerdidaLT - Dientes/Cortadores PerdidosOC - Desgaste ExcntricoPB - Broca ContradaPN - Boquilla TaponadaRG - Calibre RedondeadoSD - Dao del FaldnSS - Desgaste Auto-afiladoTR - SeguimientoWO - Broca LavadaWT - Dientes/Cortadores GastadosNO - Sin Caracterstica de Desgaste

* Mostrar el # del cono en la ubicacin (4)Estructura de corteUbicacinCojinete/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacarCaracterst.345678InternaExterna12Caracterst.3Caracterst.3Caracterst.3Caracterst.34Ubicacin N - Hilera de la Nariz Cono # M - Hilera del Medio 1 G - Hilera del Calibre 2 A - Todas las Hileras 3 Estructura de corteCojinete/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacarCaracterst.3Ubicacion45678InternaExterna12Ubicacion4Ubicacion4Ubicacion4Ubicacin45 Cojinetes/Sellos

Cojinete No-Sellado Cojinete Sellado

0 = Sin Uso E = Sellos Efectivos8 = Toda la vida usadaF = Sellos Fallados

X = Broca de cortadores fijosN = No se puede evaluarEstructura de corteCalibreOtraCaract.Razn deSacarCaracterst.3Ubicacin4Cojinete/Sellos5678InternaExterna1255556 Calibre (Medido en fracciones de pulgada)

I = En Calibre2/16 =1/8 Bajo Calibre 1/16 = 1/16 Bajo Calibre 4/16 =1/4 Bajo CalibreEstructura de corteCalibreOtraCaract.Razn deSacarCaracterst.3Ubicacin4Cojinete/Sellos5678InternaExterna126666La medida en Tricnicas se debe multiplicar por 2/37 Otra caracterstica de desgasteEstructura de corteUbicacinCojinete/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacarCaracterst.345678InternaExterna127777*BC - Cono Roto BT - Dientes/Cortadores Rotos BU - Broca Embolada*CC - Cono Agrietado*CD - Cono Arrastrado CI - Interferencia de Conos CR - Coronado CT - Dientes/Cortadores Astillados ER - ErosinFC - Desgaste PlanoHC - Dao por CalorJD - Dao por Chatarra*LC - Cono PerdidoLN - Boquilla PerdidaLT - Dientes/Cortadores PerdidosOC - Desgaste ExcntricoPB - Broca ContradaPN - Boquilla TaponadaRG - Calibre RedondeadoSD - Dao del FaldnSS - Desgaste Auto-afiladoTR - SeguimientoWO - Broca LavadaWT - Dientes/Cortadores GastadosNO - Sin Caracterstica de Desgaste

* Mostrar el # del cono en la ubicacin (4)8 Razn de la sacada / terminacin de la corridaBHA - Cambio de BHADMF - Falla del motor de fondoDTF - Falla de herramienta de fondo (MWD, etc)DSF - Falla de la sarta de perforacinDST - Prueba de sarta de perforacinLOG - Corrida de registroLIH - Perdida en el huecoCM - Condicin del lodoCP - Punto de ncleoDP - TapnFM - Cambio de formacin litolgicaHP - Problemas en el huecoHR - Horas de la brocaPP - Presin de bombaPR - Rata de penetracin

Estructura de corteUbicacinCojinete/SellosCalibreOtraCaract.Razn deSacarCaracterst.345678InternaExterna128888RIG - Reparaciones del taladro TD - Profundidad total / Punto de revestidorTQ - TorqueTW - Rotura de la sarta de perforacinWC - Condiciones climticasWO - Lavado de la sarta de perforacin33

BROKEN CONE34Interferencia de conosSe dej caer la brocaLa broca golpe un borde durante un viaje o conexinFragilidad por H2SBroken Cone (BC)Cono Roto35

BROKEN TEETH36

BROKEN TEETH37

BROKEN TEETH38Broca corrida sobre chatarraBroca golpeada o se dej caerExcesivo WOB (hileras internas)Excesivas RPM (hileras externas)Inapropiado asentamientoFormacin muy duraBroken Teeth (BT)Dientes/Insertos Rotos39

BALLED UP40

BALLED UP41Pobre hidrulicaPropiedades del lodoForzar la broca contra la formacin con las bombas apagadasFormacin pegajosa y/o plsticaBalled Up (BU)Broca Embolada42

CRACKED CONE43La broca corri sobre basuraLa broca fue golpeada contra un salienteSe dej caer la brocaRecalentamiento de la brocaReduccin del grosor de la carcaza del cono debido a erosinFragilidad por H2SCracked Cone (CC)Cono Agrietado44

CONE DRAGGED45Falla de cojineteConos trabados por chatarraBroca fue forzada en un hoyo de menor tamao EmbolamientoAsentamiento inapropiadoCone Dragged (CD)Cono Arrastrado46

CONEINTERFERENCE47

CONEINTERFERENCE48Repaso de un hoyo bajo calibre con excesivo pesoForzar la broca en un hoyo de menor dimetroFalla de cojineteCone Interference (CI)Interferencia de Conos49

CORED BIT50

CORED BIT51Abrasividad de la formacin desgasta la estructura de corte en las narices de los conosAsentamiento inapropiadoErosin en la nariz del conoChatarra que rompa los insertos de la narizCored (CR)Broca Coronada52

CHIPPED TEETH53

CHIPPED TEETHVibracin de la sartaImpactoInterferencia de conosBroca muy agresiva para la formacinChipped Teeth (CT)Dientes/Insertos Astillados55

EROSION

EROSIONErosin (ER)Contacto de una formacin abrasiva con la carcaza del cono (tracking, excesivo WOB)Retrituracin de ripios debido a pobre hidrulicaExcesivos regmenes de flujoLodos abrasivos o pobre control de slidos58

FLAT CRESTEDWEARFlat Crested Wear (FC)Desgaste PlanoBajo peso sobre la broca y altas revoluciones por minuto para control de desviacin, por ejemplo.60

HEAT CHEACKINGHeat Checking (HC)Dao por CalorLos conos han sido arrastradosRepasos de hoyos ligeramente reducidos a altas RPMAltas RPM en formaciones abrasivas62

JUNK DAMAGEJunk Damage (JD)Dao por ChatarraChatarra cada desde superficieChatarra cada del ensamblaje de fondoChatarra dejada por una broca corrida anteriormenteChatarra de la misma broca64

LOST CONELost Cone (LC)Cono PerdidoLa broca se dej caer dentro del hoyo durante una conexin o un viajeFalla de cojinete (sistema de retencin)Fragilidad por H2S66

LOST NOZZLELost Nozzle (LN)Boquilla PerdidaInstalacin inadecuada de la boquillaBoquilla inapropiadaErosin de la boquilla y/o su sistema de retencin68

LOST TEETH

LOST TEETHLost Teeth (LT)Inserto PerdidoErosin de la carcaza del conoAgrietamiento de la carcaza del conoFractura producida por H2S71

OFF CENTEROff Center Wear (OC)Desgaste ExcntricoCambio de una formacin quebradiza a plsticaInadecuada estabilizacinPeso sobre la broca inadecuadoPresin hidrosttica excede la presin de formacin 74

Pinched Bit (PB)Broca ContradaLa broca es forzada en un hoyo reducidoBroca tricnica que es forzada en hoyo previamente perforado por una broca de cortadores fijosForzar la broca a travs de un revestidor con un drift no apropiado menor a su dimetroBroca forzada dentro un bit-breaker inapropiado 76

PLUGGED NOZZLE

PLUGGED NOZZLEPlugged Nozzle (PN)Boquilla TaponadaMaterial anti-prdidaBasura en los tanques de lodoBasura proveniente de un motor de fondo y/o MWDSellos de las bombas 79

ROUNDED GAGERounded Gage (RG)Calibre RedondeadoPerforar una formacin abrasiva con demasiadas RPMRepaso de un hoyo reducidoBroca con demasiado offset 81

SHIRTTAIL DAMAGE

SHIRTTAIL DAMAGEShirttail Damage (SD)Dao del FaldnBasura en el hoyoBroca PinchedHidrulica pobreHuecos muy desviados 84

SELF SHARPENINGSelf Sharpening (SS)Auto afiladoOcurre cuando el diente se desgasta de una manera tal que mantiene una cresta filosa 86

TRACKINGTracking (TR)SeguimientoCambio de una formacin quebradiza a otra plsticaLa presin hidrosttica excede la presin de formacinLa broca es muy liviana para el tipo de formacin que se perfora 88

WASH OUTWashed Out Bit (WO)Broca LavadaPorosidad en las uniones soldadas de la brocaGrietas debido a impactoGrietas debido a H2S90

WORN TEETH

WORN TEETHWorn Teeth (WT)Diente/Inserto DesgastadoCaracterstica normal de desgaste 93Ejemplos de la evaluacin de desgaste IADC94

95Puntos claves al momento de evaluar una brocaSaber cmo luce una broca nueva, para compararCondiciones de desgaste normales para la aplicacinTener clara la secuencia de los eventos Pintarse una imagen mental COHERENCIA en la evaluacinPrueba de perforabilidad (Drill Off Test)

Establezca la rata de flujo recomendada para tamao del hueco.

Establezca rotacin (mantener fijas las revoluciones por minuto).

Lentamente incrementar el peso sobre la broca hasta el mximo recomendado por el fabricante, el limitante de torque en el BHA o la rotaria.

Mantener la velocidad de la rotaria constante (RPM).

Registrar la rata de penetracin instantnea para incrementos de 2000 lbs de peso (WOB).

Prueba de perforabilidad (Drill Off Test)

Graficar la rata de penetracin instantnea contra el peso sobre la broca, identificando: El mximo peso efectivo, el rango de peso (WOB) en el cual se observa respuesta en la rata de penetracin y el rango de peso donde no se aprecian cambios en la ROP.

Seleccionar la menor RPM que optimice la rata de penetracin cuando se perforen formaciones duras y abrasivas.