La selección del material del cuerpo define la durabilidad, reparabilidad y aplicación hidráulica de la broca.
Diseño de Cuerpo de Acero (Steel Body):
Estas brocas se mecanizan directamente a partir de barras de acero forjado.
* Mecánica: Poseen una alta ductilidad y tenacidad, lo que las hace muy resistentes al impacto mecánico y cargas de choque.
* Geometría: La resistencia del acero permite diseñar aspas (blades) más altas y delgadas, maximizando el área de las ranuras de limpieza (junk slots). Esto es crucial en formaciones blandas y pegajosas para evitar el embolamiento.
* Desgaste: Son vulnerables a la erosión por fluidos. Para mitigar esto, se aplica recubrimiento duro (hardfacing) en áreas críticas. Una gran ventaja es que son fácilmente reparables en taller; los cortadores dañados pueden reemplazarse múltiples veces.
Diseño de Cuerpo de Matriz (Matrix Body):
Se fabrican mediante un proceso de moldeo donde polvo de carburo de tungsteno se infiltra con un ligante metálico fundido.
* Mecánica: El material resultante es extremadamente duro y resistente a la erosión, ideal para perforación con altos caudales hidráulicos o en arenas abrasivas. Sin embargo, es un material frágil (como la cerámica); tiene baja resistencia al impacto y puede agrietarse bajo cargas de choque severas.
* Geometría: Debido a la fragilidad, las aspas suelen ser más masivas y bajas para soporte estructural, lo que reduce ligeramente el espacio para la evacuación de recortes comparado con el acero.
El cuerpo de los PDC se fabrica, en esencia, de dos maneras. En acero: el cuerpo se forja o fresa, los cortadores se montan como studs con rakes definidos; aunque el acero se repara con facilidad, tiende a erosión facial y a rotura de cortadores por menor soporte estructural del stud, mitigable parcialmente con recargues duros. En matriz: el cuerpo colado de carburo de tungsteno muestra mayor resistencia a erosión, pero suele tener menor altura de cuchillas, lo que aumenta riesgo de balling en arcillas blandas; su costo de materia prima es mayor. La selección depende de la economía del pozo, la litología y la preferencia operativa por estabilidad, altura de cuchillas y resistencia a erosión.
Geometría y Perfil
El rendimiento de la broca depende críticamente de su geometría.
Geometría de los Cortadores
* Back Rake (Ángulo de ataque trasero): Es el ángulo del cortador respecto a la vertical.
* Bajo ángulo (10°-20°): Más agresivo, mayor ROP (tasa de penetración), pero mayor desgaste y riesgo de daño por impacto.
* Alto ángulo (30°-45°): Menos agresivo, menor ROP, pero mayor durabilidad y resistencia al impacto (ideal para formaciones más duras).
* Side Rake: Ángulo lateral que ayuda a dirigir los recortes hacia el anular, mejorando la limpieza.
* Tamaño del Cortador:
* Grandes (19mm - 25mm): Para formaciones blandas, generan cortes grandes y alto ROP.
* Pequeños (8mm - 13mm): Para formaciones duras, distribuyen mejor la carga y reducen la vibración.
Perfil de la Broca y Aspas
* Perfil:
* Cono Plano/Poco profundo: Mayor ROP, mejor para formaciones blandas.
* Cono Profundo/Doble cono: Mayor estabilidad (especialmente direccional) y protección del calibre (gauge), pero menor área de limpieza.
* Aspas (Blades):
* Formaciones Blandas: Pocas aspas, cortadores grandes, ranuras de limpieza (junk slots) amplias para evitar embolamiento (balling).
* Formaciones Duras: Muchas aspas, cortadores pequeños y alta densidad (heavy set) para durabilidad.
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Geometría de Corte y Perfil de la Broca
El rendimiento de la perforación (ROP y durabilidad) se dicta manipulando la disposición espacial de los cortadores.
Ángulos de Ataque (Rake Angles):
* Back Rake (Ángulo Trasero): Es el ángulo del cortador respecto a la vertical.
* Bajo (10°-15°): El cortador actúa como un cincel afilado. Genera un corte profundo y agresivo, ideal para lutitas blandas. Aumenta el ROP pero incrementa el torque y el riesgo de fractura del cortador.
* Alto (30°-40°): El cortador actúa más como un raspador. Reduce la profundidad de corte y el ROP, pero protege el diamante contra impactos y cargas excesivas. Es mandatorio en formaciones duras o con intercalaciones.
* Side Rake (Ángulo Lateral): Es la orientación lateral del cortador. Su función principal no es cortar, sino dirigir mecánicamente el recorte hacia el anular para asegurar la limpieza del frente de la broca y evitar el re-triturado de recortes.
Densidad y Tamaño de Cortadores:
* Formaciones Blandas: Requieren cortadores de gran diámetro (19mm - 25mm) para maximizar el volumen de roca removida por rotación. Se usan pocas aspas (diseño Light Set) para dejar grandes espacios de limpieza.
* Formaciones Duras: Se utilizan cortadores pequeños (8mm - 13mm) en alta densidad (Heavy Set con muchas aspas). Esto distribuye la carga destructiva (WOB) entre más puntos de contacto, reduciendo la presión individual sobre cada diamante y aumentando la vida útil, aunque sacrificando velocidad.
Perfil de la Broca:
* Perfil Plano: Distribuye la carga uniformemente, excelente ROP, pero pobre estabilidad direccional.
* Cono Profundo / Doble Cono: Aumenta el área de contacto en el calibre. Esto proporciona una excelente estabilidad lateral (reduce vibración) y ayuda a mantener la verticalidad o el control direccional, además de proteger el diámetro del hoyo.
La superficie cortante de los PDC emplea PCD (diamante policristalino), con concentraciones de diamante del 90–97% en una estructura sinterizada a alta presión y temperatura con un aglutinante (usualmente cobalto) y, a menudo, un substrato de carburo de tungsteno que proporciona soporte mecánico e integración robusta. El proceso incluye formación de cristales de diamante a partir de grafito con catalizadores metálicos y, luego, sinterización líquida que promueve enlaces diamante–diamante y redes porosas del aglutinante alrededor del esqueleto de diamante. Los cortadores pueden ser discos o studs, con interfaces diseñadas para reducir tensiones residuales y delaminación, mejorando resistencia a astillado y desprendimiento.
La estabilidad térmica es clave: el cobalto se expande más rápido que el diamante, y por encima de ~730 °C aumenta el riesgo de grietas intergranulares y fallas por astillado. Esto llevó al desarrollo del TSP (diamante policristalino térmicamente estable), donde se lixivia el aglutinante para eliminar tensiones internas. El TSP resiste más temperatura en atmósferas inertes, pero no puede unirse integralmente a un substrato de WC, sacrificando tamaño y cierta fortaleza; por ello se monta como elementos pequeños en matriz, similar al diamante natural. En suma, PCD con substrato ofrece robustez estructural; TSP aporta estabilidad térmica con limitaciones en integración y tamaño.
