¿Qué es una Barrena?
Es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación, utilizada para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotaría.
Su función es perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión y de la rotación de la barrena.
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¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE BROCAS EN EL CAMPO DE PETRÓLEO Y GAS?
Todos los tipos de brocas de perforación utilizadas en petróleo y gas han experimentado quizás más avances tecnológicos en los últimos años que cualquier otro tipo de equipo de perforación. Estos avances incluyen elementos tales como:
- Desarrollo de la broca cónica
- Múltiples disposiciones de cono y chorro en brocas de rodillo
- Métodos de lubricación de cono
- Procedimientos de perforación y extracción de testigos con brocas de diamante
- Brocas policristalinas (PDC)
Cada uno de estos avances representa una mejora significativa con respecto a los diseños anteriores y tienden a aumentar la efectividad del proceso de perforación.
Tipos de brocas para campos de petróleo y gas
Las brocas rotativas perforan la formación utilizando principalmente dos principios:
- Remoción de rocas al exceder su resistencia al corte y
- Eliminación superando la resistencia a la compresión .
La roca quebrada se elimina mediante raspado giratorio o limpieza hidráulica. Cualquiera de los dos procesos también puede contribuir a la rotura inicial. La mayoría de las operaciones de perforación se pueden dividir en consecuencia en falla por cizallamiento o falla por compresión.
La falla por cizallamiento implica el uso de un diente de broca para cortar o cortar la roca en pedazos pequeños para que pueda ser removida del área debajo de la broca. La simple acción de forzar un diente en la formación crea cierto corte y da como resultado el desarrollo de cortes. Además, si el diente se arrastra a través de la roca después de su inserción, aumentará la efectividad de la acción de cizallamiento (ver Fig.1). El mecanismo de falla por cizallamiento requiere, sin embargo, que la formación exhiba una baja resistencia a la compresión que permitirá la inserción del diente.
Para ilustrar el tipo de falla por cizallamiento que se usa para perforar formaciones más blandas, imagine que se inserta la hoja de un cuchillo en un pedazo de arcilla firme. A medida que se inserta la hoja, crea pequeños fragmentos de arcilla cerca de la superficie de corte. Se pueden desarrollar más fragmentos si la hoja del cuchillo se retuerce después de haber penetrado en la arcilla. Este mecanismo de penetración-torsión describe los principios involucrados en la mayoría de los bits de formación blanda.
A medida que aumenta la resistencia a la compresión o la abrasividad de la formación, se reduce la acción de cizallamiento-torsión. Las rocas con alta resistencia a la compresión generalmente evitan la inserción de un diente que hubiera iniciado la acción de cizallamiento. Además, las rocas con alta abrasividad desgastan rápidamente un diente de la broca si se retuerce o se arrastra por la cara de la formación. Estos tipos de rocas generalmente requieren que se utilice un mecanismo de falla por compresión.
La falla por compresión de un segmento de roca requiere que se coloque una carga sobre la roca que exceda la resistencia a la compresión de ese tipo de roca dado. El oad debe permanecer, o morar, en la superficie de la roca el tiempo suficiente para que ocurra la falla de la roca (ver Figura 2). La falla de la roca por carga de compresión no ocurrirá si la resistencia a la compresión de la roca excede la carga o si la carga se retira antes de que se transmita desde el diente de la barrena a la formación. Ésta es la base de las características de perforación en roca dura de las barrenas de alto peso y bajas velocidades de rotación.
Brocas de cono de rodillo
Introducción a los tipos de brocas de cono de rodillo en pozos de petróleo y gas
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El tipo de brocas de perforación de cono de rodillo (o brocas para roca) sigue siendo el tipo de broca más común que se utiliza en todo el mundo en campos de petróleo y gas. La acción de corte es proporcionada por conos que tienen dientes de acero o insertos de carburo de tungsteno. Estos conos giran en la parte inferior del agujero y perforan el agujero predominantemente con una acción de trituración y astillado. Las brocas para roca se clasifican como brocas de dientes fresados o brocas de inserción según la superficie de corte de los conos (Figuras 2 y 3).
Hughes diseñó la primera broca cónica de rodillo exitosa en el campo petrolero en 1909. Esta fue una innovación importante, ya que permitió que la perforación rotativa se extendiera a formaciones duras. El primer diseño de broca de cono de rodillo fue una broca de 2 conos que frecuentemente formaba una bola porque los dientes de los conos no encajaban. Esto llevó a la introducción de un diseño superior en la década de 1930 que tenía 3 conos con dientes engranados. El mismo diseño básico todavía se usa hoy en día, aunque ha habido muchas mejoras a lo largo de los años.
Los conos de la broca de 3 conos están montados sobre pasadores de cojinetes o muñones de brazo, que se extienden desde el cuerpo de la broca. Los cojinetes permiten que cada cono gire sobre su propio eje a medida que se gira la broca. El uso de 3 conos permite una distribución uniforme del peso, una estructura de corte equilibrada y perfora un orificio de mejor calibre que el diseño de 2 conos.
Los principales avances en el diseño de brocas para rocas desde la introducción de la broca para rocas Hughes incluyen:
- Acción de limpieza mejorada mediante el uso de boquillas de chorro
- Uso de carburo de tungsteno para protección de revestimiento duro y calibre.
- Introducción de rodamientos sellados para evitar que el lodo provoque fallas prematuras por abrasión y corrosión de los rodamientos.
Tipo de brocas de dientes maquinados:
Estos tipos de brocas que se utilizan en los pozos de petróleo y gas tienen dientes de acero que se muelen en los conos. El tamaño y la forma de los dientes varían según la formación a perforar. En la formación blanda, los dientes son largos y delgados, mientras que en la formación dura los dientes son cortos y anchos.
Brocas Tipo Insertos:
En este tipo de brocas, los dientes no se muelen en los conos, en lugar de eso, se presionan insertos de carburo de tungsteno en los conos. Estas técnicas hacen que las brocas sean mucho más duras y pueden durar más cuando se perfora en formaciones duras. El tamaño y la forma de los dientes también dependen de la formación a perforar, los dientes pueden ser largos y las formas de cincel en formación blanda, y para la formación dura pueden ser formas cortas y redondas.
El carburo de tungsteno es uno de los materiales más duros conocidos. Su dureza lo hace extremadamente útil como material resistente al corte y a la abrasión para brocas de cono de rodillo. La resistencia a la compresión del carburo de tungsteno es mucho mayor que su resistencia a la tracción. Por lo tanto, es un material cuya utilidad se gana completamente solo cuando un diseño maximiza la carga de compresión mientras minimiza el corte y la tensión. El carburo de tungsteno es el material más popular para los elementos de corte de brocas. Los materiales de revestimiento duro que contienen granos de carburo de tungsteno son el estándar para la protección contra el desgaste abrasivo en las superficies de las brocas.
La forma y el grado de los TCI están influenciados por su ubicación respectiva en un cono. Las filas internas de inserciones funcionan de manera diferente a las filas externas. Las filas interiores tienen velocidades de rotación relativamente más bajas tanto en el eje del cono como en el de la broca. Como resultado, tienen una tendencia natural a raspar y raspar en lugar de rodar. Por lo tanto, las filas de insertos interiores generalmente usan calidades de inserto más suaves y resistentes que resisten mejor las acciones de aplastamiento, ranurado y raspado. Los insertos de calibre se fabrican comúnmente con grados de carburo de tungsteno más duros y resistentes al desgaste que resisten mejor el desgaste abrasivo severo. Por tanto, se ve que los requisitos en diferentes ubicaciones de bits imponen diferentes soluciones de inserto. El diseñador dispone de una gran variedad de geometrías, tamaños y calidades de plaquitas a través de las cuales se puede optimizar el rendimiento de la broca.
Tipo de brocas de diamante
Los diamantes incrustados en una matriz se han utilizado desde las primeras dinastías chinas; sin embargo, el uso moderno para la exploración de minerales se hizo común a principios del siglo XX. La resistencia natural al desgaste del diamante lo hace competitivo en las prácticas de perforación actuales, incluso a precios más altos. El tipo de brocas de perforación de diamante se utiliza en operaciones convencionales de rotación, turbina y extracción de testigos en pozos de petróleo y gas.
Como cualquier otro producto, los diseños y aplicaciones de brocas de diamante deben entenderse para obtener resultados óptimos a tarifas económicas. La combinación de la hidráulica de fluidos combinada con la selección y disposición de los diamantes permite alcanzar este objetivo en la mayoría de los tipos de formaciones. .
Las brocas de diamante están estructuradas de manera diferente a las brocas de cono de rodillo (ver Fig.6). Una estructura de matriz está incrustada con diamantes y contiene vías de agua desde la garganta de la broca hasta el exterior de la broca. El fluido de perforación debe fluir por la cara de la broca para limpiar los recortes y enfriar los diamantes.
El mecanismo de falla de roca con una broca de diamante es ligeramente diferente al de las brocas de inserción o de dientes de acero. El diamante se incrusta en la formación y luego se arrastra
Brocas de diamante natural:
La dureza y la resistencia al desgaste del diamante lo convirtieron en un material obvio para usar en una broca de perforación. La broca de diamante es realmente un tipo de broca de arrastre, ya que no tiene conos móviles y funciona como una sola unidad.
La acción de corte de una broca de diamante se logra raspando la roca. Los diamantes están engastados en un patrón especialmente diseñado y unidos en un material de matriz engastado en un cuerpo de acero.
A pesar de su alta resistencia al desgaste, el diamante es sensible a los golpes y las vibraciones y, por lo tanto, se debe tener mucho cuidado al ejecutar una broca de diamante .
La circulación de fluido efectiva a través de la cara de la broca también es muy importante para evitar el sobrecalentamiento de los diamantes y el material de la matriz y para evitar que la cara de la broca se manche con los cortes de roca ( formación de bolas de la broca ) .
La principal desventaja de las brocas de diamante es su costo (a veces 10 veces más caro que una broca de roca de tamaño similar). Tampoco hay garantía de que estas brocas logren un ROP más alto que una broca de cono de rodillo correctamente seleccionada en la misma formación.
Tipo de brocas PDC (compacto de diamante policristalino)
Una nueva generación de tecnología de brocas comenzó en 1973 cuando General Electric Co. introdujo la pieza en bruto de perforación Stratapax. Esta tecnología ha sido licenciada a prácticamente todos los fabricantes de brocas que ahora producen sus propias brocas PDC (compactas de diamante policristalino) patentadas. Los nombres que generalmente se aplican a estos bits son PDC o Stratapax. Las piezas en bruto de perforación consisten en una capa de diamante policristalino artificial y carburo de tungsteno cementado producido como una pieza en bruto integral mediante una técnica de alta temperatura y alta presión (Fig. 7). La pieza en bruto resultante tiene casi la dureza y mayor resistencia a la abrasión del diamante natural y se complementa con la fuerza y la resistencia al impacto del carburo de tungsteno cementado. Los espacios en blanco se utilizan como elementos de corte por arrastre unidos a las brocas para aplicaciones de perforación y minería (Fig. 8).
Estas brocas tienen las mismas ventajas y desventajas que las brocas de diamante natural, pero utilizan pequeños discos de diamante sintético para proporcionar la superficie de corte raspada. Los discos pequeños pueden fabricarse en cualquier tamaño y forma y no son sensibles a fallas a lo largo de los planos de hendidura como ocurre con el diamante natural.
Matriz de diseño de brocas PDC y acero: Las brocas PDC están diseñadas y fabricadas en dos estilos estructuralmente diferentes:
- bit de cuerpo de matriz y
- bits de cuerpo de acero.
Los dos proporcionan capacidades significativamente diferentes y, dado que ambos tipos tienen ciertas ventajas, la elección entre ellos dependerá de las necesidades de la aplicación. “Matrix” es un material compuesto muy duro y bastante frágil que comprende granos de carburo de tungsteno unidos metalúrgicamente con un aglutinante metálico más suave y resistente. La matriz es deseable como material para brocas porque su dureza es resistente a la abrasión y la erosión. Es capaz de soportar cargas de compresión relativamente altas pero, en comparación con el acero, tiene poca resistencia a las cargas de impacto. La matriz es relativamente heterogénea porque es un material compuesto. Debido a que el tamaño y la ubicación de las partículas de carburo de tungsteno que contiene varían (tanto por el diseño como por las circunstancias), sus propiedades físicas son ligeramente menos predecibles que las del acero.
El acero es metalúrgicamente opuesto a la matriz. Es capaz de soportar cargas de alto impacto, pero es relativamente suave y sin características de protección fallaría rápidamente por abrasión y erosión. Los aceros de calidad son esencialmente homogéneos con límites estructurales que rara vez sorprenden a sus usuarios.
Tipo de brocas TSP (policristalino térmicamente estable)
Un desarrollo adicional del concepto de broca PDC fue la introducción a finales de la década de 1980 de las brocas de diamante policristalinas térmicamente estables (TSP). Estos bits se fabrican de manera similar a los bits PDC pero son tolerantes a temperaturas mucho más altas que los bits PDC.
