Para aquella época la técnica para perforar se realizaba por medio de un método
de percusión o golpeteo al suelo y la roca, mediante un material de gran
resistencia con el fin de desgastarlos, los ripidos del material se retiraban con un
recipiente y se continuaba con el golpeteo. “Con el paso del tiempo se empezaron
a lograr cambios significativos haciendo de la perforación un proceso evolutivo, en
uno de estos avances se desarrolló la idea de perforar con la broca manteniendo
todo el tiempo contacto con las rocas y no de una forma discontinua, agregando
además que el corte de la roca se realizara mediante la rotación continua de la
broca”1
Hoy en día se han desarrollado varios tipos de plataformas especializadas según
el requerimiento del terreno a trabajar ya sea en tierra (On-shore) o en mar
adentro (Off-shore) y las facilidades para la ejecución en un proyecto de
perforación y producción petrolera.
Sistema de levantamiento.
Sistema de rotación.
Sistema de circulación.
1
David Hawker Karen Vogt “Procedimientos Y Operaciones En El Pozo” Tuna Eren “Real-Time-Optimization Of Drilling Parameters During Drilling Operations”.
Sistema de potencia
Existen dos tipos de brocas de acuerdo a la estructura cortadora: Brocas de
dientes de acero y brocas con insertos de carburo de tungsteno en los
cuales los insertos son formados por separado (Figura 3).
Los dientes de acero (ST), 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 correctamente pueden
perforar por varias horas y se utilizan en formaciones blandas con baja
resistencia a la compresión.
Para brocas de dientes con insertos de carburo de tungsteno (TCI) son
usadas para perforar desde formaciones blandas hasta muy duras.
Agujeros son perforados en la carcasa del cono y los insertos son
colocados a presión dentro de estos agujeros. 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.
Dependiendo del tipo de estructura de los cojinetes, estos se pueden clasificar en:
Los cojinetes de rodillos, los cuales esta diseñados para soportar grandes
pesos sobre la broca y bajas RPM, puesto que las cargas se distribuyen de
manera puntual en los rodillos.
Los cojinetes de ficción, soportan altas RPM y bajos WOB debido a que las
cargas se distribuyen uniformemente en la superficie del cojinete.
1.6.1 Brocas compacta de diamante policristalino (PDC). Las brocas PDC o
de diamantes policristalinos aparecieron por primera vez en la industria del
petróleo a mediados de los años 70. Poseen un diamante policristalinos sintético
como cortador que a su vez esta adherido a un carburo tungsteno, son de cuerpo
sólido y cortadores fijos, su diseño hidráulico se hace con sistema de tobera para
lodo.
Esta nueva generación de brocas Policristalinas (PDC) se está usando ahora en
lugares que antes estaban reservados únicamente para brocas de carburo de
tungsteno.
1.6.2 Brocas de diamantes naturales. Las brocas de diamantes naturales usan
cortadores de diamantes naturales embebidos en una matriz que cubre la cabeza
de la broca, las brocas de diamantes naturales virtualmente son usadas para todo
tipo de formaciones y donde su larga vida y su acción cortante de raspado
producen un costo más eficiente.
Figura 1: Broca de diamante natural.
Fuente: http://es.slideshare.net/patocu93/06-barrenas-y-su-seleccion
1.6.3 Broca de diamante policristalino térmicamente estable (TSP). Son
utilizadas en la perforación de formaciones duras como calizas duras y arenas
finas duras. Este tipo de broca es más usada para la perforación convencional que
las de diamante natural, pero presentan las mismas desventajas ya que tienen
restricciones en la hidráulica. Estas brocas como estructura de corte usan
diamantes policristalinos térmicamente estable en forma de pequeños triángulos
no redondos, cuyo tamaño varía entre 1 a 2 milímetros, al igual que las brocas de
diamante natural.
Figura 2: Broca de diamante policristalino térmicamente estable.
Fuente: http://es.slideshare.net/patocu93/06-barrenas-y-su-seleccin
Para calcular el peso sobre la broca es necesario tomar en cuenta si el pozo es
vertical o direccional, por lo que para pozos verticales:
Ecuación 1: WOB pozos verticales.
WOB=Ff∗WBHAaire∗Fs
Dónde:
WOB = Peso sobre la barrena [lb].
Ff = Factor de flotación.
WBHAaire = Peso del BHA en el aire [lb].
Fs = Factor de seguridad = 1.15
Para calcular el WOB en pozos direccionales se utiliza la siguiente ecuación
Ecuación 2: WOB pozos direccionales.
WOB=Ff∗WBHAaire∗cos (β)+1617( Ff∗(D 2−d2 )∗(D 2−d2 )∗sin(β)H−D )
0,5
Dónde:
WOB = peso sobre la broca [lbf].
Ff = factor de flotación.
WBHAaire = peso del BHA en el aire [lb].
β = ángulo de inclinación del pozo [grados].
D = diámetro externo de la tubería de perforación [in].
d = diámetro interno de la tubería de perforación [in].
H = diámetro del agujero [in].
. la ecuación con la que se puede calcular el torque es:
Ecuación 3: Torque.
Tq=0,096167∗JD
∗(γ 2− T2
A2 )0,5
Dónde:
Tq = torque [lb-pie].
J = momento polar inercial [in4] = (π/32) (DE2 – DI2).
D = diámetro externo de la tubería [in].
γ = mínima fuerza cedente [psi].
T = carga tensional [lb].
A = área de las paredes de la tubería [in2].
“Un factor extenso durante la perforación es la densidad equivalente de circulación
(Un aumento de la densidad del lodo medida en la superficie), debido a pérdidas
de presión friccional en el anular aumentara la presión diferencial. Así como un
aumento en la densidad real del lodo, estas pérdidas de presión aumentaran si
aumenta la rata de flujo (aumento de la velocidad del fluido de perforación en el
anular) o si el régimen de flujo es turbulento como opuesto al laminar o si el anular
está cargado de cortes”2.
. Los factores que tienen un efecto sobre la tasa de penetración se enumeran en
dos clasificaciones generales tales como controlables y del medio ambiente. Los
factores controlables son los que pueden ser cambiados al instante como el peso
sobre la broca (WOB), velocidad rotacional de la broca (RPM) y el sistema
hidráulico.
“Los factores ambientales por otra parte no son controlables, tales como
propiedades de la formación y los requisitos de fluidos de perforación. La razón de
que el fluido de perforación se considera que es un factor ambiental es debido al
hecho de que se requiere una cierta cantidad de densidad con el fin de obtener
ciertos objetivos, tales como tener suficiente sobrepresión para evitar el flujo de
fluidos de la formación. Otro factor importante es el efecto de la hidráulica en
general a toda la operación de perforación que se encuentra bajo el efecto de
muchos factores tales como la litología, el tipo de la broca, la presión de fondo de
pozo y las condiciones de temperatura, los parámetros de perforación y
principalmente las propiedades reológicas del fluido de perforación”3.
2
3
Velocidad de Rotaria (RPM)
A medida que las RPM son incrementadas, entonces la ROP se incrementará. En
formaciones blandas, la ROP es directamente proporcional a las RPM y muestra
un incremento lineal. En formaciones duras, sin embargo, la velocidad de
incremento de la ROP no es lineal y disminuirá con incrementos de las RPM. La
excepción es de nuevo, con las brocas de diamante o PDC cuando aún en
formaciones duras, la ROP aumentará linealmente con la velocidad de la rotaria.
Peso sobre la Broca (WOB)
La fuerza que es aplicada a la broca también afectará la velocidad de penetración.
En general, la interrelación es de nuevo lineal, con la duplicación de la ROP si el
WOB es duplicado. Esta interrelación no se espera que sea cierto para bajos
pesos sobre la broca en formaciones duras, donde un incremento en el WOB no
producirá el mismo incremento en la ROP.
. Esta fuerza viene indicada por los caballos de fuerza por pulgada cuadrada
(HSI).
Ecuación 4: fuerza por pulgada cuadrada (HSI).
HSI=DL∗Q∗Vt60∗g
Dónde:
HSI = Fuerza de impacto hidráulico. [Lbs]
DL = Densidad del fluido de perforación. [Lbs/gal]
Q = Caudal de la bomba, en gal/min.
Vt = Velocidad del fluido en las toberas, en [ft/seg]
g = Constante de la aceleración de la gravedad = 32.17 [ft/seg2]
60 = Constante de conversión de minutos a segundos.
Se debe partir de la compresibilidad de la roca con confinamiento (CCS), ya sea
para rocas permeables como se ve en la ecuación 12, o para rocas impermeables
como se ve en la ecuación 13, como punto de referencia de un 100% de
eficiencia en la perforación y la MSE, a partir de estos datos se realiza la
comparación con los datos obtenidos de MSE.
Ecuación 5: CCS para rocas permeables
CCS¿(UCS+ΔP∗2ΔP∗Sen AFI
1801−SenAFI180
)ΔP=ECD−Pp
Fuente: DUPRIEST, F. KOEDRITZ, L. maximizing drill rates with real-time
surveillance of mechanical specific energy, SPE 92194, año 2005.
Dónde:
CCS = Resistencia a la compresión de la roca confinada. (psi)
UCS = Resistencia a la compresión de la roca sin confinamiento. (psi)
ECD = Densidad equivalente del lodo. (psi)
Pp = Presión de poro. (psi)
AFI = Ángulo de fricción interna. (Radianes)
Ecuación 6: CCS para rocas impermeables.
CCSsk=(UCS+ΔPsk∗2 ΔPsk∗ Sen AFI
1801−SenAFI180
)ΔPsk=ECD−Ppsk
Ppsk=Pp−OB−ECD3
Fuente: DUPRIEST, F. KOEDRITZ, L. maximizing drill rates with real-
time surveillance of mechanical specific energy, SPE 92194, año
2005.
Dónde:
CCS = Resistencia a la compresión de la roca confinada. (psi)
UCS = Resistencia a la compresión de la roca sin confinamiento. (psi)
ECD = Densidad equivalente del lodo. (psi)
Pp = Presión de poro. (psi)
Ppsk = Presión de poro de Skempton. (psi)
AFI = Angulo de fricción interna. (Radianes)
OB = Presión de sobrecarga. (psi)