Captulo I Tipo de barrenas.
1. Qu es una barrena?
Es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de
la sarta de perforacin, utilizada para cortar o triturar la
formacin durante el proceso de la perforacin rotaria. Su funcin es
perforar los estratos de la roca venciendo el esfuerzo de compresin
y de rotacin de la barrena.
1. Conocimiento de las barrenas
En la actualidad existen varios tipos de barrenas para la
perforacin de pozos petroleros que difieren entre s, ya sea en su
estructura de corte o por su sistema de rodamiento, por ejemplo,
cuando son de tres conos o por los materiales usados en su
construccin. De acuerdo con lo anterior, las barrenas se clasifican
en:
1. Barrenas tricnicas.
1. Barrena de cortadores fijos PDC y diseo especial.
1. Barrenas ampliadoras.
1. Componentes de una barrena
El cuerpo de una barrena tricnica consiste en:
1. Una conexin roscada (pin) que une la barrena con una doble
caja del mismo dimetro de los lastrabarrenas.
1. Tres ejes (mun) del cojinete en donde van montados los
conos.
1. Tres conos.
1. Los depsitos que contienen el lubricante para los
cojines.
1. Los orificios (toberas) a travs de los cuales el fluido de
perforacin fluye para limpiar del fondo el recorte que perfora la
barrena.
1. Cortadores (dientes o insertos).
1. Hombro de la barrena.
Figura 1: Componentes de una barrena Tricnica
Cdigo IADC para barrenas tricnicas y de cortadores fijos.
Las barrenas se fabrican para diferentes tipos de formaciones
que generalmente son:
1. Formaciones suaves.
1. Formaciones medias.
1. Formaciones duras.
1. Formaciones extraduras.
Para evitar confusin entre los tipos de barrenas equivalentes en
relacin con sus distintos fabricantes se cre el cdigo IADC
(Asociacin Internacional de Contratistas de Perforacin), de
clasificacin de tres dgitos (tabla 1).
Tabla 1: Clasificacin de barrenas.
APRIETE RECOMENDADO PARA EL PION DE LAS BARRENAS
Dimetros de las barrenas (pg.)
Tamao del pin API. reg. (pg.)
Torque recomendado
(pie/lb)
(k/m)
MIN.
MAX.
MIN.
MAX.
36 - 20
8 5/8
40.000
60.000
5.530
8.300
18 14
7 5/8
34.000
40.000
4.700
5.530
12 8 5/8
6 5/8
28.000
32.000
3.870
4.420
8 8
4
12.000
16.000
1.660
2.210
6 5 5/8
3
7.000
9.000
970
1.245
4 1/8 4
2 2/8
3.000
3.500
410
480
Tabla 2: Apriete recomendado.
1.- El apriete recomendado para las barrenas requieren menos
fuerza de torsin que para los lastrabarrenas.
2.- Para el apriete con llaves BJ dividir el rango de apriete,
recomendado entre la longitud de la llave en pies, y el resultado
es la calibracin que se le debe dar al ampermetro.
3.- Para convertir la lectura del ampermetro a lbs-pie,
multiplicarse por 16.8 y viceversa.
Dimetro de la barrena
Pin API.
reg.
Torque Recomendado (pies lb)
3
2 3/8
3, 000 3, 500
4 5/8 5
2 7/8
6, 000 7, 000
5 1/8 7 3/8
3
7, 000 9, 000
7 1/8 9
4
12, 000 16, 000
9 5/8 9 7/8
5
23, 000 27, 000
9 5/8 26
6 5/8
28, 000 32, 000
14 26
7 5/8
34, 000 40, 000
17 26
8 5/8
40, 000 60, 000
Tabla 3: Torque recomendado para barrenas.
1. Barrenas tricnicas.
Las barrenas tricnicas tienen tres conos cortadores que giran
sobre su eje. Por su estructura de corte se fabrican de dientes y
de inserto de carburo de tungsteno.
Figura 2: Barrena Tricnica
Por su sistema de rodamiento pueden ser de balero estndar,
balero sellado y de chumaceras. Actualmente las barrenas tricnicas
slo se usan en la primera etapa de la perforacin.
Figura 3:A) Balero estndar, B) Balero sellado y C) Chamucera
1. Barrenas de cortadores fijos.
Las barrenas de cortadores fijos son cuerpos compactos sin
partes mviles, con diamantes naturales o sintticos incrustados
parcialmente en su superficie inferior y lateral para triturar la
formacin por friccin o arrastre.
Se dividen en:
1. Barrenas de diamante natural.
1. Barrenas de diamante trmicamente estable (TSP).
1. Barrenas compactas de diamante policristalino (PDC).
Las barrenas de diamante natural tienen un cuerpo fijo que puede
ser de un material matriz o acero. Su tipo de corte es de diamante
natural (el diamante es el material ms duro hasta ahora conocido)
incrustado en el cuerpo de la barrena. El uso de estas barrenas es
limitado en la actualidad, salvo en casos especiales para perforar
formaciones duras y abrasivas.
Figura 4: Barrena de diamante natural.
1. Barrenas de diamante trmicamente estable (TSP).
Las barrenas trmicamente estable (TSP). Se usan para perforar
rocas duras, por ejemplo caliza dura, basalto y arenas finas duras,
entre otras.
Figura 5: Barrena de diamante TSP.
1. Barrenas de compacto de diamante policristalino (PDC).
Las barrenas PDC pertenecen al conjunto de diamante con cuerpo
slido y cortadores fijos. (Figura 6).
Figura 6: Barrena de compacto de diamante policristalino
(PDC).
Su diseo de cortadores est hecho con diamante sinttico en forma
de pastillas (compacto de diamante), montadas en el cuerpo de los
cortadores de la barrena, pero a diferencia de las barrenas de
diamante natural y las STP, su diseo hidrulico se realiza con
sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas
tricnicas.
Este tipo de barrenas es la ms utilizada en la actualidad para
la perforacin de pozos petroleros.
El cuerpo de una barrena PDC (Figura 7):
1. Una conexin roscada (pin) que une la barrena con una doble
caja del mismo dimetro de lastrabarrenas.
1. Numerosos elementos de corte policristalino (cortadores).
1. Aletas (en algunos modelos).
1. Los orificios (toberas) a travs de los cuales el fluido de
perforacin fluye para limpiar del fondo el recorte que perfora la
barrena.
1. Hombro de la barrena.
Figura 7: Componentes de una barrena PDC
Figura 8: Exponente DC
*NOTA: El exponente DC nos sirve para calcular el gradiente de
fractura.
1. Barrenas especiales o ampliadoras.
Las barrenas especiales son de dos tipos: ampliadoras o
bicntricas y se utilizan para operaciones tales como: la ampliacin
del dimetro del agujero, ya sea desde la boca del pozo
(superficial) o desde una profundidad determinada.
Aplicaciones.
La aplicacin en este tipo de barrenas ampliadoras se clasifica
de la siguiente manera:
Aplicaciones bsicas.
1. Reducir problemas al correr revestimiento a travs de
secciones con patas de perro altas.
1. Reduce problemas de inestabilidad del agujero.
1. Lutitas que fluyen.
1. Lutitas que se hinchan.
1. Facilita el uso del inventario actual de Tuberas de
Revestimiento.
1. Reduce riesgo de atrapamiento durante los viajes.
Aplicaciones avanzadas.
1. Pozos HPHT generalmente requieren sartas de revestimiento
adicionales.
1. Terminaciones con grava empacada.
1. Revestimiento expandible.
1. Reentrada a pozos (ampliar el agujero saliendo de una ventana
en la Tubera de Revestimiento).
1. Presin de Poro / Perdidas de Circulacin / Disminucin de la
DEC al perforar y cementar.
Aplicaciones en las terminaciones.
1. Facilita las corridas de registros.
1. Reducir problemas para correr Tuberas de Revestimiento a
travs de secciones con patas de perro altas.
1. Mejor cementacin (mejores registros de adhesin del
cemento).
Caractersticas tcnicas de las barrenas bicntricas.
La barrena piloto y el ampliador se encuentran integrados en una
sola pieza.1.
Figura 9: Evolucin de las barrenas bicntricas.
Requiere estabilizacin para asegurar la ampliacin del
agujero
ESTABILIZACIN DIRECCIONAL
Tamao Barrena
% Tamao Hoyo
Dim. Estabilizador
Posicin
17 x 20
70%
14 in
=/>40 ft
14 1/2 x 17
74%
13 in
=/>40 ft
12 1/4 x 14
78%
11 1/2 in
=/>40 ft
12 1/4 x 13
78%
10 1/2 in
=/>40 ft
10 5/8 x 12
82%
10 in
=/>40 ft
10 5/8 x 11
80%
9 1/4 in
=/>40 ft
8 1/2 x 9 7/8
84%
8 1/4 in
=/>40 ft
=/< 6 1/2 x 7
100%
Pass Thru Size
=/>40 ft
ESTABILIZACIN ROTATORIA / VERTICAL
Estabilizadores para romper equipos a 60 y 90 pies
Tabla 4: Dimetro del estabilizador por encima de la barrena
bicntrica.
1. Ampliador de Perforacin RipTide
El ampliador de perforacin RipTide concntrico de Weatherford
ensancha el pozo durante la perforacin hasta un 25% ms del dimetro
de la barrena. Aplicaciones ms especficas incluyen la expansin de
pozos pilotos existentes y el ensanchamiento para corridas de
revestimiento con restricciones de espacio. La compatibilidad con
el sistema de rotacin navegable permite el uso de esta herramienta
en intervalos ms largos y operaciones de perforacin
direccional.
El ampliador de perforacin RipTide aprovecha tecnologa de corte
sumamente innovadora para maximizar su rendimiento. Diseado
expresamente para aplicaciones de ensanchamiento del pozo mientras
se perfora (HEWD: Hole-Enlargement-While-Drilling), sus cortadores
nicos de diamante de policristalino (PDC: Polycrystalline Diamond
Cutters) se encuentran sintetizados por microondas, lo cual ofrece
ms durabilidad, dureza y fuerza de impacto que los cortadores PDC
convencionales. Esta caracterstica mitiga los efectos de desgaste
de los cortadores, minimiza los riesgos de fallas de desempeo y
mejora la eficiencia de los cortes.
A diferencia de las herramientas convencionales HEWD que alojan
todos los componentes del sistema en la sarta, el ampliador de
perforacin RipTide tiene dos segmentos principales: el controlador
y el cuerpo. Este diseo facilita la adaptacin de la herramienta a
cualquier cambio en el programa hidrulico, algo relativamente comn
que de otro modo implicara mayor tiempo.
Aplicaciones.
Ampliacin del pozo durante la perforacin, hasta un 25% ms que el
dimetro de la barrena.
Ampliacin de pozos concntricos por debajo de la restriccin mxima
que facilita la corrida de sartas de revestimiento y permite un
dimetro de revestimiento intermedio mayor.
Expansin de pozos pilotos existentes en un rango ms amplio de
formaciones.
Reduccin de la velocidad anular del fluido para manejar de
manera efectiva la densidad equivalente de circulacin (ECD:
Equivalent Circulation Density) y minimizar el riesgo de
perdidas.
Facilidad de al abrir el pozo, empaque con grava y complementos
de liner mayores.
Optimizacin de trabajos de cementacin.
Repaso y rectificacin (Backreaming).
Ventajas y Beneficios
Los cortadores PDC nicos de la herramienta ofrecen una mayor
resistencia a la abrasin, corrosin y erosin, as como una mejora de
la dureza y la fuerza de impacto; el diseo de los cortadores de PDC
mitigan el impacto de desgaste, y mejoran la eficiencia de
corte.
La posicin estratgica de los cortadores de PDC disipa las cargas
de trabajo de manera ms uniforme a travs de las etapas mejorando an
ms la eficiencia de corte.
El diseo concntrico de los bloques de corte minimiza la vibracin
y sus potenciales efectos que incluye la falla de los componentes
del ensamble de fondo (BHA), herramientas perdidas y tiempo no
productivo (NPT: non productive time).
Un mecanismo de cierre efectivo previene la activacin prematura
de los bloques de corte, lo que podra resultar en daos en la tubera
de revestimiento y NPT.
Los calibres de recorte controlan la profundidad de corte
durante cada rotacin, mejorando la precisin y minimizando el riesgo
de producir un tamao de pozo inapropiado, un error potencialmente
costoso.
El diseo dual del componente de la herramienta facilita su
adaptacin ante cualquier cambio del diagrama de fluido, lo que
permite un ahorro de tiempo.
El controlador ofrece mltiples opciones para accionar la
herramienta, lo que facilita su uso en un amplio rango de entornos
de perforacin.
Figura 10: Ejemplo de en donde se coloca el ampliador
RipTide
Figura 10: Ampliador Rip Tide
Especificaciones
Tabla 5: Especificaciones watherford para el Rip Tipe
Tabla 6: Clasificacin de Barrenas ampliadoras.
Ampliador Excntrico RWD (Ream While Drilling).
Los ampliadores excntricos (RWD) cuentan con una variedad de
tipos dependiendo de las caractersticas de la formacin y el tipo de
pozo que ser perforado.
Los ampliadores excntricos RWD ayudan a optimizar la ampliacin
de diferentes etapas o intervalos que tengan que perforarse y las
principales caractersticas en la implementacin de estas
herramientas son:
Minimizar las vibraciones.
Mejorar la durabilidad.
Mejorar tasas de construccin.
Reduce tendencia de tumbar ngulo.
Reduce tiempo de deslizamiento.
Incrementa la ROP (Ritmo de Penetracin) promedio.
1. Herramienta RWD2.
Descripcin
Diseado para pozos verticales, aplicaciones con mesa
rotatoria
.
La caja arriba y el pin abajo del RWD2 permite adaptar el BHA
(Ensamble de fondo).
El RWD2 viene tpicamente en dimetros de 12 22.
Figura 11: Ampliador Excntrico RWD2.
1. Herramienta RWD2S.
Descripcin
La configuracin de dos piezas, caja abajo y pin arriba del RWD2S
es ideal para motores o sistemas direccionales rotatorios.
El largo total ha sido reducido, mejorando la respuesta
direccional en ensamblajes con motor.
Perfil de aletas refinado para incrementar la densidad de
cortadores, mejorando la durabilidad.
Figura 12: Ampliador Excntrico RWD2S.
1. Herramienta RWD2ST.
Descripcin
Diseo de matriz de una pieza para aplicaciones en agujeros
esbeltos (slimhole).
El Pad de estabilizacin contrarresta las fuerzas generadas
durante la perforacin, reduciendo vibraciones y proporcionando una
mejor calidad del agujero.
Disponible en tamaos igual o menores de 8.
Cada barrena se disea de acuerdo a la aplicacin especfica.
Figura 13: Ampliador Excntrico RWD2ST.
Diferencias con las Barrenas Bicntricas.
Las principales limitaciones de las Barrenas Bicntricas con
respecto al Ampliador Excntrico (RWD2) son:
No hay flexibilidad para la barrena piloto.
No hay flexibilidad para el BHA piloto.
Tendencias de desviacin sin poder establecer control.
Calidad del agujero inconsistente.
Patrn de desgaste destructivo.
Embolamiento de la barrena.
1. Ampliador Concntrico (XR).
Descripcin de la herramienta.
El ampliador XR provee ampliacin concntrica y simultnea del
agujero con activacin o desactivacin de los sistemas.
Esta herramienta puede operar en ambientes crticos como por
ejemplo: formaciones con intercalaciones duras, zonas complejas o
problemticas y puede colocarse de manera precisa en el pozo,
actualmente es la nica herramienta capaz de ampliar hasta un 50%
sobre el agujero piloto.
1. Ampliacin Perforando.
2. Se puede utilizar para ampliar y perforar al mismo
tiempo.
El ampliador concntrico XR se usa en una sarta o sobre la
barrena convencionalmente y se desactiva despus de la ampliacin con
la medida del agujero piloto.
El record actual que tiene este tipo de herramientas es la
ampliacin de 12 a 17 .
Figura 14: Diferentes maneras de operar el Ampliador Concntrico
XR.
3. Requiere un sistema de activacin hidrulico o mecnico.
Activacin positiva.
Se lanza una bola de acero a travs de la sarta la cual al ser
desplazada con fluido de perforacin corta un pin detectndose en
superficie por el cambio de presin.
Desactivacin del sistema.
Es una desactivacin hidrulica, se lanza una segunda bola de
acero a travs de la sarta la cual al ser desplazada con fluido de
perforacin corta un segundo pin que acciona un mecanismo para la
desactivacin del ampliador.
Figura 15: Activacin positiva
4. El NBR y XR pueden ser utilizados con motores de fondo o
sistemas direccionales rotatorios.
5. El ampliador XR puede ser usado en una sarta o sobre la
barrena convencionalmente y puede ser desactivado despus de la
ampliacin con la medida del agujero piloto.
6. El NBR tiene un sistema de activacin de sellos un tanto
complejo que si no es operado correctamente tiende a fallar.
7. Tiene un mecanismo que permite cerrar o abrir el cortador en
cualquier momento.
Figura 16: Ensamble de fondo con sistema direccional
rotatorio.
8. rea de flujo y cadas mnimas de presin a travs de la TFA.
Figura 17: Mecanismo de apertura y cierre del ampliador
9. Tiene un sistema de activacin y desactivacin.
Secuencia de activacin con canica.
El gasto de bombeo Pump Rate se reduce y una canica de activacin
se arroja.
Cuando la canica se asienta, un pico y una subsecuente reduccin
en la presin del Stand Pipe, revela que la herramienta ha sido
activada y abierta.
Una vez abierta, el flujo es desviado alrededor de la canica
para operacin de flujo completo.
Secuencia de desactivacin por medio de la segunda canica.
Con gasto reducido Pump Rate una canica de desactivacin es
arrojada.
Cuando la canica se asienta un incremento de presin dentro de la
herramienta corta los pines de desactivacin, liberando la fuerza en
el pistn de empuje cerrando los brazos.
Una reduccin subsecuente en la presin del Stand Pipe indica que
los brazos ampliadores estn deshabilitados hidrulicamente.
10. Es activado con un baln.
11. Alta densidad de corte.
12. Amplia el pozo hasta un 50% ms del agujero piloto.
13. Puede extenderse o cerrarse el cortador en cualquier
momento.
14. Tiene larga vida en formaciones abrasivas.
15. Capacidad de repasar el agujero.
16. Compatible con varios ensambles de fondo.
17. Tiene compatibilidad con otras herramientas.
Figura 18: Ampliador XR activado
Figura 19: Ejemplo de la colocacin de un ampliador.
1. Tipos de sarta.
La sarta de perforacin es un conjunto de elementos cuyo objetivo
es transmitir el movimiento rotatorio a la barrena, servir de
conducto de circulacin, dar peso a la barrena, sacar y meter la
barrena, efectuar pruebas de formacin, colocar tapones de cemento y
cementar las tuberas de revestimiento.
Los componentes de una sarta de perforacin varian y cada uno
tiene un objetivo especfico, a continuacin se mencionan los
componentes ms comunes:
1. Barrena.
1. Porta barrena (liso o estabilizador).
1. Motor de fondo (opcional)
1. Doble caja.
1. Vlvulas de seguridad.
1. Lastra barrenas (Drill Collar).
1. Junta de seguridad.
1. Rimas.
1. Estabilizadores.
1. Martillos.
1. Tubera pesada (Heavy Weight).
1. Canastas colectoras.
1. Tubera de perforacin.
1. Sustituto de la flecha.
1. Hules protectores.
Figura 20: Componentes de una sarta.
Tipos de sarta en la perforacin:
SARTA ESTABILIZADA: Compuesta por DCN, DCC, HW, TP y
Estabilizadores de insertos y de aletas soldables.
Este tipo de sarta se subdivide en:
SARTA EMPACADA: Esta sarta se caracteriza por llevar una
estabilizacin ms compacta o seguida en los primeros drilles del
aparejo, para mantenerla ms rgida y no permite que tenga mucho
movimiento y un rumbo (por ejemplo: S/1, 2, DCC, 3).
Se utiliza en formaciones duras o compactas para mantener ngulo
(Paleoceno, Cretcico).
SARTA PENDULADA: Se utiliza para perforar formaciones suaves o
sin mucha compactacin (arenas y arcillas en las primeras etapas),
al estabilizar la sarta de esta manera (por ejemplo S/2, DCC, 3 y 6
se obliga a la barrena a estar centralizada en el agujero).
SARTA ORIENTADA: Compuesta por Drilles, HW, TP, Estabilizadores
y MWD, no lleva motor de fondo. Se utiliza para mantener el ngulo
una vez que ya fue construida la curva. El MWD va a transmitir la
informacin de ngulo y rumbo, para verificar la trayectoria
programada.
SARTA NAVEGABLE: Compuesta por Drilles, HW, TP, Estabilizadores,
MWD y Motor de Fondo. Se utiliza para construir la curva,
levantando el ngulo, lleva un estabilizador integrado y orientado.
El motor de fondo va a permitir perforar controlando la direccin
desde el fondo del pozo. El MWD va a transmitir la informacin de
ngulo y rumbo, para verificar la trayectoria programada.
PERFORACIN DESLIZADA: Se dice que se perfora deslizando, cuando
el movimiento de la barrena es generado por el motor de fondo sin
ayuda de mesa rotaria; se perfora de esta manera para construir la
curva (levantar ngulo), para realizar esta actividad se utiliza una
sarta navegable.
PERFORACIN ROTADA: Se dice que se perfora rotando, cuando el
movimiento de la barrena se genera por el motor de fondo con ayuda
de la mesa rotaria en superficie; se perfora de esta manera, una
vez que ya fue construida la curva y se levant ngulo), para
realizar esta actividad se utiliza una sarta navegable.
