Trepanos Hibridos Pdc Impregnados

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “GABRIEL RENE MORENO”

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGÍA

CARRERA DE INGENIERÍA PETROLERA

TRÉPANOS DE PERFORACIÓN HÍBRIDOS

PDC – IMPREGNADOS PARA FORMACIONES CON

INTERCALACIONES EN BOLIVIA

Presentado por: Erik Andres Garcia Villarroel

Informe Final de Examen de Grado

Presentado para optar al Título Académico de

LICENCIADO EN INGENIERÍA PETROLERA

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DEDICATORIA

A mi mamá, Primitiva Villarroel, quien ha sido padre y madre para mí al mismo tiempo, por todo el amor que siempre me brinda y por haber luchado por mi éxito y felicidad aún a costa de la suya. A ella no solo dedico este proyecto, sino todo lo que soy y todo cuanto he logrado.

A mi padre Francisco Garcia (+), porque doce años fueron suficientes para transmitirme los mejores valores que hoy en día gobiernan mi vida.

A mis hermanos, Claudia, Luis y Rodrigo, por haberme brindado siempre su apoyo incondicional, y haber llenado mi vida de alegrías.

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AGRADECIMIENTO

Agradezco primeramente a Dios, por haberme iluminado y guiado siempre. Por haberme dado la fortaleza para seguir adelante aun en los momentos de mayor debilidad.

A mi mamá, Primitiva Villarroel, por apoyarme siempre incondicionalmente, por confiar en mí, y haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación. Sobre todo, por ser un excelente ejemplo de vida a seguir.

A mi papá, Francisco Garcia (+), porque haber sido una inspiración, y aun después su muerte, me ha enseñado muchas cosas. Gracias papá.

A mis hermanos, Claudia, Luis y Rodrigo, por toda la comprensión, paciencia y apoyo brindado a lo lardo de mi vida.

A todos los docentes de la carrera de Ingeniería Petrolera y de la facultad de Ciencias Exactas y Tecnologia de la Universidad Autónoma “Gabriel René Moreno” por todos aquellos conocimientos aprendidos, no solo para mi formación como profesional sino tambien para mi formación integral como persona.

Además, agradezco a todas aquellas personas que de una u otra manera ayudaron a la realización de este proyecto.

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RESUMEN

Los trépanos de perforación son una herramienta fundamental para la perforación de pozos de petroleo y gas. En todos los pozos sin excepción, se utiliza trépanos de diversos tipos y en diversas cantidades.

Los nuevos proyectos exploratorios, son cada vez más demandantes, y requieren cada vez más reducir los precios de la perforación. Los trépanos de perforación aun no siendo los componentes más caros de un presupuesto de pozo, tienen una incidencia muy importante en el costo final de un pozo debido a que de ellos depende la velocidad de perforación. Es por eso que están en constante desarrollo y se aplican a ellos cada vez tecnologías más complejas.

En este trabajo se describe primeramente las características que tienen los trépanos de perforación desde un punto de la actualidad. Se presentan los tipos de trépanos más usados actualmente y se describe a detalle los componentes de estos mismos. Luego se hace una descripción de la clasificación estandarizada de los mismos, la nomenclatura que se aplica a todos los trépanos de perforación independientemente del fabricante, y el método de evaluación de desgaste recomendado por la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC). Seguidamente, en el capítulo dos se estudia los trépanos híbridos, que son una combinación de las diferentes estructuras de corte utilizadas en los trépanos convencionales centrándose en los trépanos híbridos PDC – Impregnados. Tambien se describen sus ventajas, aplicaciones, los usos que se han dado en Bolivia y el resultado obtenido de esas aplicaciones.

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ÍNDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ... 1

ANTECEDENTES ... 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 2

OBJETIVOS ... 2 OBJETIVO GENERAL ... 2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 3 JUSTIFICACIÓN ... 3 ALCANCE ... 4 ALCANCE ESPACIAL ... 4 ALCANCE TEMPORAL ... 4 METODOLOGÍA ... 4 TIPO DE INVESTIGACIÓN ... 4 DEFINICIÓN DE LA POBLACIÓN ... 5

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y RECOLECCIÓN DE DATOS ... 5

CAPITULO 1 – MARCO TEÓRICO ... 6

1. TRÉPANOS DE PERFORACIÓN ... 6

1.1. DEFINICIÓN... 6

1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS TRÉPANOS DE PERFORACIÓN ... 6

1.2.1. TRÉPANOS DE CONOS ROTATIVOS ... 7

1.2.1.1. TRÉPANOS DE TRES CONOS DE DIENTES DE ACERO ... 8

1.2.1.2. TRÉPANOS DE TRES CONOS CON INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO ... 8

1.2.2. TRÉPANOS DE CORTADORES FIJOS ... 9

1.2.2.2. TRÉPANOS DE DIAMANTE ... 10

1.2.2.2.1. TRÉPANOS DE DIAMANTE NATURAL ... 11

1.2.2.2.2. TRÉPANOS DE TSP ... 11

1.2.2.2.3. TRÉPANOS IMPREGNADOS DE DIAMANTE... 12

1.3. PARTES DE UN TRÉPANO... 13

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1.3.1.1. COJINETES ... 14

1.3.1.2. SISTEMA DE LUBRICACIÓN ... 17

1.3.2. PARTES DE UN TRÉPANO DE PARTES FIJAS ... 18

1.3.2.1. CUERPO DEL TRÉPANO ... 19

1.3.2.2. ALETAS ... 20

1.3.2.3. CORTADORES PDC ... 20

1.3.2.4. CILINDROS DE IMPREGNACIÓN ... 22

1.4. MECANISMOS DE CORTE DE LOS TRÉPANOS ... 22

1.5. IADC ... 25

1.5.1. NOMENCLATURA IADC PARA TRÉPANOS DE PARTES MÓVILES .... 25

1.5.2. NOMENCLATURA IADC PARA TRÉPANOS DE PARTES FIJAS ... 28

1.6.1. ESTRUCTURA DE CORTE ... 30

1.6.1.1. HILERAS INTERNAS Y EXTERNAS ... 31

1.6.1.2. CARACTERÍSTICA DE DESGASTE ... 32

1.6.1.3. UBICACIÓN DEL DESGASTE ... 35

1.6.2. CONDICIÓN DE LOS COJINETES ... 37

1.6.3. CALIBRE ... 38

1.6.4. COMENTARIOS ... 39

1.6.4.1. OTRAS CARACTERÍSTICAS DE DESGASTE ... 39

1.6.4.2. RAZÓN DE SACADA ... 39

1.7. GEOLOGÍA BÁSICA ... 41

1.7.1. TIPOS DE ROCAS... 41

1.7.1.1. ROCAS SEDIMENTARIAS CLÁSTICAS ... 42

1.7.1.2. ROCAS SEDIMENTARIAS QUIMICAS ... 42

1.7.2. ESCALAS DE DUREZA ... 43

1.7.3. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (DUREZA DE LA ROCA) ... 44

1.7.4. FORMACIONES INTERCALADAS O INTER ESTRATIFICADAS ... 44

1.8. TRÉPANOS HÍBRIDOS ... 47

1.8.1. DEFINICIÓN DE UN TRÉPANO HÍBRIDO ... 48

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1.8.3. MECANISMO DE CORTE DE UN TRÉPANO HÍBRIDO

PDC-IMPREGNADO ... 53

1.8.4. FABRICANTES DE TRÉPANOS HÍBRIDOS PDC – IMPREGNADOS .... 54

1.8.5. VENTAJAS DE UN TRÉPANO HÍBRIDO PDC-IMPREGNADO ... 57

1.9. ECONOMÍA DE LA PERFORACIÓN ... 58

1.9.1. COSTO POR METRO ... 58

1.9.2. ANÁLISIS DE IGUALDAD DE COSTO O “BREAK EVEN” ... 60

1.9.3. VELOCIDAD DE PERFORACIÓN (ROP) ... 65

CAPITULO 2 - RESULTADOS ... 70

2. APLICACIONES DE LOS TRÉPANOS HÍBRIDOS PDC-IMPREGNADO ... 70

2.1. TRÉPANO HÍBRIDO PDC-IMPREGNADO DIAMANT 12 ¼” MDM949 ... 72

2.1.1. POZO ICS-X1 ... 73

2.1.2. POZO ICS-X1ST ... 77

2.1.3. POZO TBY-X2 ... 80

2.2. TRÉPANO HÍBRIDO PDC-IMPREGNADO DIAMANT 8 ½” MDM923 ... 91

2.3. TRÉPANO HÍBRIDO PDC - IMPREGNADO VAREL 8 ½” VTDI613DGX ... 93

2.3.1. POZO ICS-2 ... 94

2.4. TRÉPANO HÍBRIDO PDC - IMPREGNADO VAREL 12 ¼” VTDI713DG .... 97

2.4.1. POZO ICS-3 ... 97

2.5. TRÉPANO HÍBRIDO PDC – IMPREGNADO REEDHYCALOG 17 ½” FT816 102 2.5.1. POZO LQC-X1 ... 103 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 112 CONCLUSIONES ... 112 RECOMENDACIONES ... 113 BIBLIOGRAFÍA ... 114 ANEXOS ... 116

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Clasificación de los tipos de trépanos de Perforación ... 6

Figura 1.2 Trépanos de conos rotativos ... 7

Figura 1.3 Trépanos de conos de dientes de acero ... 8

Figura 1.4 Trépanos de conos con insertos de Carburo de tungsteno ... 9

Figura 1.5 Trépano PDC con detalle de un Cortador PDC ... 10

Figura 1.6 Trépano de diamante natural ... 11

Figura 1.7 Trépano de diamante térmicamente estable TSP ... 12

Figura 1.8 Trépano de diamante Impregnado ... 12

Figura 1.9 Partes de un trépano de conos de dientes de acero ... 13

Figura 1.10 Partes de un trépano de conos con insertos de carburo de tungsteno ... 14

Figura 1.11 Cojinete de rodillos no sellado ... 15

Figura 1.12 Cojinete de rodillos sellado ... 16

Figura 1.13 Cojinete sellado de fricción ... 16

Figura 1.14 Sistema de lubricación de un trépano de conos ... 17

Figura 1.15 Partes de un trépano de cortadores PDC ... 18

Figura 1.16 Partes de un trépano de diamante ... 18

Figura 1.17 Izq.: Cuerpo de acero. Der.: Cuerpo de Matriz ... 19

Figura 1.18 Aletas de un trépano PDC ... 20

Figura 1.19 Cortadores de diamante policristalino compacto PDC ... 21

Figura 1.20 Diámetros típicos de los cortadores PDC ... 21

Figura 1.21 Cilindros y cuerpos de impregnación ... 22

Figura 1.22 Mecanismos de corte trépanos de conos. Izq.: Paleo. Der.: Triturado ... 22

Figura 1.23 Offset de los conos. Izq.: Conos con offset. Der.: Conos sin offset ... 23

Figura 1.24 Mecanismo de corte PDC, Cizallamiento y corte ... 24

Figura 1.25 Mecanismo de corte trépanos de diamante: Raspado y pulido ... 25

Figura 1.26 Valor IADC del desgaste de la estructura de corte... 31

Figura 1.27 Hileras internas y externas de un trépano de conos ... 31

Figura 1.28 Hileras internas y externas de un trépano de partes fijas ... 32

Figura 1.29 Ubicación del desgaste en trépanos de conos ... 36

Figura 1.30 Ubicación del desgaste en trépanos de partes fijas ... 36

Figura 1.31 Ejemplo de medición del Calibre... 38

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Figura 1.33 Rocas sedimentarias químicas: Dolomita y Caliza ... 42

Figura 1.34 Ejemplo de Intercalaciones en el pozo Huacaya X1 ... 45

Figura 1.35 Velocidad de Perforación de los diferentes tipos de trépanos segun la resistencia a la compresión de la formación ... 46

Figura 1.36 Tipos de trépanos, sus mecanismos de corte y aplicaciones ... 48

Figura 1.37 Primer prototipo de trépano híbrido de Hughes ... 49

Figura 1.38 Trépano Hibrido de Baker Hughes: Kymera PDC con conos de insertos ... 50

Figura 1.39 Prototipo híbrido de Technology International, Inc ... 50

Figura 1.40 Trépano híbrido PDC - Impregnado ... 51

Figura 1.41 Estructura de corte de un trépano híbrido PDC – Impregnado ... 53

Figura 1.42 Cortadores ligeramente desgastados de un trépano PDC-Impregnado ... 54

Figura 1.43 Trépano híbrido PDC-Impregnado FuseTek de ReedHycalog ... 55

Figura 1.44 Trépano híbrido PDC-Impregnado Fusion+ de Varel International ... 55

Figura 1.45 Trépano híbrido PDC-Impregnado Kinetic Hybrid de Smith bits (Schlumberger) ... 56

Figura 1.46 Trépano híbrido de la line Dual Matrix de Diamant Drilling Services ... 57

Figura 1.47 Gráfica del análisis Break even... 63

Figura 1.48 Grafica Linea de Igualdad (Break even) del ejemplo 1 ... 65

Figura 2.1 Intercalaciones de las formaciones Huamampampa (Areniscas duras y abrasivas) y Los Monos (lutitas) en el pozo Sabalo-X12 ... 71

Figura 2.2 Trépano Diamant híbrido PDC-Impregnado 12 1/4" MDM949 ... 72

Figura 2.3 Fotos del trépano 12 ¼” MDM949 SN: S3H0842 después de la corrida ... 74

Figura 2.4 Avance y CPM Sección 12 1/4" Pozo ICS-X1 ... 75

Figura 2.5 Gráfica línea break even Sección 12 1/4" Pozo ICS-X1 ... 77

Figura 2.6 Avance y CPM Sección 12 1/4" Pozo ICS-X1ST ... 78

Figura 2.7 Gráfica línea break even Sección 12 1/4" Campo ICS ... 80

Figura 2.8 Extracto del MudLog pozo TBY-X2 (tramo perforado por el trépano MDM949) ... 82

Figura 2.9 Fotos del trépano 12 1/4" MDM949 SN: SIL2972 después de las corridas ... 84

Figura 2.10 Fotos después de la corrida del trépano 12 ¼” MDM949 SN: SIL2971 ... 85

Figura 2.11 Fotos después de la corrida del trépano 12 ¼” MDM949 SN: S8E2233 ... 87

Figura 2.12 Avance y CPM Sección 12 1/4" Pozo TBY-X2 ... 89

Figura 2.13 Gráfica línea break even pozos offset al pozo TBY-X2 ... 91

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Figura 2.15 Gráfica línea break even Sección 8 ½” del campo ICS ... 93

Figura 2.16 Diseño trépano Varel 8 ½” VTDi613DGX (S.N. 6010683) ... 94

Figura 2.17 Trépano Varel 8 ½” VTDi613DGX (S.N. 6010683) luego de la corrida... 96

Figura 2.18 Diseño del trépano Varel 12 ¼” VTDI713DG SN: 6014280 ... 97

Figura 2.19 Trépano Varel 12 ¼” VTDI713DG SN: 6014280 luego de la segunda corrida ... 99

Figura 2.20 Detalle del desgaste del trépano Varel 12 ¼” VTDI713DG SN: 6014280 .... 100

Figura 2.21 Gráfica línea Break Even Sección 12 ¼” Campo ICS ... 101

Figura 2.22 Diseño del Trépano ReedHycalog FuseTek 17 1/2" FT816 SN: E199213 .. 102

Figura 2.23 Gráfica de igualdad Break even Sección 17 1/2" Fm. Bala Pozo LQC-X1 .. 106

Figura 2.24 Trépano Híbrido PDC - Impregnado Fusetek 12 1/4" FT716 ... 106

Figura 2.25 Trépano 12 1/4" FT716 SN: E201962 después de las corridas ... 109

Figura 2.26 Avance y CPM Sección 12 1/4" Pozo LQC-X1... 110

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Nomenclatura IADC para trépanos de partes móviles ... 27

Tabla 1.2 Nomenclatura IADC para trépanos de partes fijas ... 29

Tabla 1.3 Los ocho componentes de una calificación IADC ... 30

Tabla 1.4 Calificación IADC de la estructura de corte ... 30

Tabla 1.5 Ubicación de la característica de desgaste ... 32

Tabla 1.6 Códigos IADC para describir la característica de desgaste de trépanos de conos giratorios ... 33

Tabla 1.7 Códigos IADC para el desgaste de trépanos de partes fijas ... 34

Tabla 1.8 Casilla de la Ubicación del desgaste ... 35

Tabla 1.9 Códigos IADC para la ubicación del desgate en trépanos de conos... 35

Tabla 1.10 Códigos IADC para la ubicacion del desgaste en trépanos de partes fijas ... 35

Tabla 1.11 Casillero de la condición de los cojinetes ... 37

Tabla 1.12 Código IADC para la condición de los cojinetes ... 37

Tabla 1.13 Casillero del Calibre ... 38

Tabla 1.14 Codigos IADC para la calificación del Calibre ... 39

Tabla 1.15 Casillero de Otras características de desgaste ... 39

Tabla 1.16 Casillero de Razón de sacada ... 40

Tabla 1.17 Códigos IADC para describir la Razón de Sacada ... 40

Tabla 1.18 Escala de dureza de Mohs ... 43

Tabla 1.19 Escala de compresibilidad usada en perforación ... 44

Tabla 1.20 Datos del ejemplo de cálculo del Break even ... 63

Tabla 2.1 Datos del Pozo ICS-X1 ... 73

Tabla 2.2 Parámetros de la corrida del trépano 12 1/4" MDM949 SN: S3H0842 ... 74

Tabla 2.3 Bit Record Sección 12 1/4" del Pozo ICS-X1 ... 75

Tabla 2.4 Calculo Break Even trépano 12 ¼” MDM949 SN: S3H0842 ... 76

Tabla 2.5 Parámetros de la corrida del trépano 12 1/4" MDM949 SN: S4C1039 ... 78

Tabla 2.6 Bit record Sección 12 1/4" del Pozo ICS-X1 ST ... 79

Tabla 2.7 Calculo Break Even trépano 12 ¼” MDM949 SN: S4C1039 ... 79

Tabla 2.8 Datos del pozo Timboy X2 ... 80

Tabla 2.9 Parámetros de las corridas del trépano 12 1/4" MDM949 SN: SIL2972 ... 83

Tabla 2.10 Parámetros de la corrida del trépano 12 1/4" MDM949 SN: SIL2971 ... 85

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Tabla 2.12 Parámetros de la corrida del trépano 12 ¼” MDM949 SN: S1M2983 ... 88

Tabla 2.13 Trépanos Híbridos PDC-Impregnados usados en el pozo TBY-X2 ... 88

Tabla 2.14 Bit record Seccion 12 1/4" Pozo TBY-X2 ... 90

Tabla 2.15 Calculo Break Even trépano 12 ¼” MDM949 Pozo TBY-X2 ... 90

Tabla 2.16 Datos generales del pozo ICS-2 ... 94

Tabla 2.17 Parámetros de la corrida del trépano VTDI613DGX SN:6010683 ... 95

Tabla 2.18 Datos generales trépano 12 ¼” VTDI713DG SN: 6014280 ... 98

Tabla 2.19 Parámetros Corridas 1 y 2 del trépano híbrido VTDI713DG ... 99

Tabla 2.20 Bit record sección 12 1/4" Pozo ICS-3 ... 100

Tabla 2.21 Cálculos Análisis Break Even para el trépano VTDI713DG SN:6014280 ... 101

Tabla 2.22 Datos generales Pozo LQC-X1 ... 103

Tabla 2.23 Parámetros de la corrida del trépano 17 1/2" FT816 ... 104

Tabla 2.24 Bit record y CPM Sección 17 1/2" Fm Bala Pozo LQC-X1 ... 105

Tabla 2.25 Análisis Break Even trépano FT816 SN: E199213 ... 105

Tabla 2.26 Parámetros de las corridas del trépano 12 1/4" FT716 SN: E201962 ... 108

Tabla 2.27 Corridas del trépano 12 1/4" FT716 SN: E201962 ... 108

Tabla 2.28 Bit record sección 12 1/4" Pozo LQC-X1 ... 110

Tabla 2.29 Análisis Break Even trépano FT716 SN: E201962 ... 111

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1

INTRODUCCIÓN

ANTECEDENTES

Durante los inicios de la extracción comercial del petróleo se usaban diversos tipos de herramientas para triturar la roca. Durante la era de la perforación por percusión, se utilizaban herramientas tipo martillos para luego bajar cucharas que retiren la roca triturada. Luego con la introducción de la perforación rotativa, se empezaron a utilizar los trépanos de arrastre en forma de cola de pez denominados “fishttail bits”. El primer trépano con conos rotativos fue introducido por Howard Hughes en 1909.1

Este trépano estaba constituido por dos conos y fue usado principalmente en formaciones duras de la época. (Ver Anexo 1) Luego en el año 1930 fue introducido el trépano de tres conos rotativos, diseñado para perforar tanto formaciones duras como blandas.

Más tarde, General Electric, reconociendo que las partes móviles de un trépano de conos rotativos representan cierta desventaja, desarrolla una nueva estructura de corte para los trépanos de arrastre. Para esto, desarrolla el diamante artificial en el año 1953 llamado Man-made diamonds, logrando en 1973 desarrollar el diamante policristalino compacto PDC por sus siglas en inglés (Polycrystalline Diamond

Compact) que es la base de los trépanos de arrastre de la actualidad.2

Los trépanos de diamante natural, fueron introducidos en la década de 1920 y eran usados solamente para la toma de muestras de formaciones extremadamente duras debido a que su precio era aproximadamente veinte veces el precio de un trépano de conos rotativos. Con los avances en las técnicas de fabricación de los diamantes artificiales, y la aleación de estos con aditivos especiales, se ha mejorado tanto el rendimiento como el costo de este tipo de trépanos.

1_{BAKER Hughes, Drilling Engineering Workbook, Houston, TX, 1995 p. 3-2}

2_{VAREL International, Curso de Operador de Brocas - Historia en Brocas de Perforación, Bogotá,}

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2

Hoy en día, los avances tecnológicos permiten no solo mejorar la tecnologia usada en cada tipo de trépano en particular sino tambien aprovechar las mismas para crear nuevos diseños híbridos los cuales serán analizados en el presente trabajo.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Si bien, existe suficiente bibliografía referida a los trépanos de perforación convencionales, las nuevas tecnologías, y en especial los trépanos híbridos son muy raramente estudiados y descritos en alguna bibliografía clara y objetiva que pueda ser útil para los estudiantes de ingeniería petrolera, ramas afines, o cualquier profesional relacionado con la industria petrolera que tenga interés en conocer más acerca de los avances tecnológicos de los trépanos híbridos de perforación.

Esto claramente significa un obstáculo para el entendimiento de estas nuevas tecnologías por estudiantes de pregrado y por esto mismo, los nuevos profesionales que trabajen con trépanos de perforación tienen como debilidad el no conocer suficientemente la naturaleza de los trépanos híbridos, su aplicación y sus ventajas con respecto a los trépanos convencionales. El entendimiento de estos nuevos tópicos dentro del área de herramientas de perforación será de mucha utilidad para cualquier lector interesado en herramientas de perforación modernas.

Es por esa razón que en este trabajo se aborda el tema de manera clara, estructurada e ilustrada para que el lector aun sin tener mucho conocimiento técnico pueda entender y comprender la naturaleza de los trépanos híbridos, la tecnologia que utilizan, sus aplicaciones y sus ventajas operativas con respecto a los trépanos convencionales.

OBJETIVOS Objetivo General

 Describir los trépanos de perforación híbridos PDC – Impregnados usados en Bolivia en los pozos ICS-X1, ICS-2, ICS-3, TBY-X2 y LQC-X1 y sus ventajas en la perforación en formaciones con intercalaciones litológicas en Bolivia.

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3 Objetivos Específicos

 Recopilar informacion sobre los diferentes tipos de trépanos de perforación usados en la industria petrolera.

 Describir las características de cada tipo de trépano convencional con sus ventajas y desventajas.

 Describir las características de los trépanos híbridos PDC - Impregnados, sus ventajas y aplicaciones.

 Describir los desempeños de los trépanos híbridos PDC - Impregnados usados en Bolivia en los Pozos ICS-x1, ICS-2, ICS-3, TBY-X2 y LQC-X1.  Realizar un análisis del costo por metro y break even de las principales

corridas con trépanos híbridos PDC-Impregnados en Bolivia. JUSTIFICACIÓN

La perforación de pozos petroleros no sería posible actualmente sin la utilización de los trépanos de perforación. Todos los pozos que se perforan en busca de hidrocarburos, sin excepción, utilizan durante su etapa de perforación uno o varios trépanos de perforación de distintos tipos y dimensiones. Estos trépanos son los encargados de penetrar en las formaciones rocosas desde la superficie hasta llegar la profundidad de la formación objetivo.

Si bien los trépanos no representan un alto porcentaje en el costo total de la perforación, su rendimiento tiene una gran incidencia en la economía de la perforación, debido a que son un factor muy importante y primordial para la velocidad con la cual se perfora un pozo.

En los últimos años, se han desarrollado una gran cantidad de nuevas tecnologías relacionadas a los trépanos de perforación y a los materiales que se utilizan en su fabricación. Estos materiales han sido mejorados en resistencia, durabilidad y aplicabilidad.

Diferentes tipos de trépanos son usados para diferentes tipos de formaciones en función de las ventajas que presentan para formaciones específicas. Sin embargo,

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4

cuando se trata de formaciones no homogéneas, que presentan intercalaciones litológicas, la aplicación de un solo tipo de trépano no es la ideal en todo el tramo intercalado, es por eso que se usan diferentes tipos de trépanos en tramos cortos y se deben cambiar los mismos constantemente.

Los avances tecnológicos han permitido combinar diferentes tecnologías para hacer frente a esos desafíos uniendo características de diferentes tipos de trépanos en uno solo.

A pesar de la importancia de las nuevas tecnologías, específicamente refiriéndose a los trépanos híbridos, no existe suficiente información para los estudiantes acerca de estos.

ALCANCE

Alcance Espacial

En el presente trabajo se describen de manera general los tipos de trépanos de perforación usados actualmente en Bolivia y se estudian tres casos específicos de los trépanos híbridos PDC – Impregnados usados en los pozos Incahuasi X1 (ICS-X1), Incahuasi 2 (ICS-2), Incahuasi 3 (ICS-3), Timboy X2 (TBY-X2) y Lliquimuni Centro X1 (LQM-X1)

Alcance Temporal

El presente estudio fue desarrollado desde el 15 de noviembre del 2015 hasta su finalización con el informe final el 25 de abril de 2016.

METODOLOGÍA Tipo de Investigación

En este trabajo se utiliza una metodología no experimental, de tipo descriptiva y cuantitativa ya que se limita a la observación y descripción de las características de los diferentes tipos de trépanos convencionales e híbridos PDC – Impregnados, sin ninguna intervención en el estado de los mismos ni en su selección.

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5 Definición de la Población

La población en estudio para este trabajo son los trépanos híbridos PDC – Impregnados usados en los pozos ICS-X1, ICS-2, ICS-3, TBY-X2 y LQC-X1.

Instrumentos de Medición y Recolección de datos

La recolección de datos se la realizó mediante la observación directa en campo, consulta de libros, informes oficiales de compañias operadoras, entrevistas y consulta de revistas técnicas especializadas del área.

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CAPITULO 1 – MARCO TEÓRICO

1. TRÉPANOS DE PERFORACIÓN

1.1. DEFINICIÓN

Los trépanos de perforación, también conocidos como barrenas, mechas o brocas, son la herramienta básica de los ingenieros de perforación. El trépano, es una herramienta diseñada y fabricada para cortar diferentes formaciones rocosas y para ser utilizada en un amplio rango de condiciones.3

1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS TRÉPANOS DE PERFORACIÓN

Los trépanos de perforación se clasifican en dos tipos principales: los trépanos de cortadores fijos o de arrastre y los trépanos de conos rotativos o de partes móviles. Los trépanos de cortadores fijos incluyen cortadores que forman parte integral del cuerpo del trépano y rotan en unidad con la sarta de perforación. Los trépanos de conos rotativos cuentan con dos o más conos, que contienen elementos de corte como dientes de acero o insertos de carburo de tungsteno, y que rotan sobre su eje al mismo tiempo que el trépano rota en el fondo del pozo.4

TIPOS DE TRÉPANOS

DE CONOS ROTATIVOS DE CORTADORES FIJOS

PDC DIAMANTE

CON DIENTES DE ACERO

CON INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO CON CUERPO DE MATRIZ CON CUERPO DE ACERO DE DIAMANTE NATURAL DE DIAMANTE IMPREGNADO COJINETE DE RODILLOS COJINETE DE FRICCIÓN

Figura 1.1 Clasificación de los tipos de trépanos de Perforación

Fuente: Modificado a partir de Bourgoyne Jr, 1986

3_{BURR, Bruce y Otros: “Bordes Cortantes” Schlumberger Oilfield Review, Houston, 2001 p. 38} 4_{BOURGOYNE Jr., Millheim y otros, Applied Drilling Engineering, Richardson,bSPE, 1986, p. 190}

(19)

7 1.2.1. TRÉPANOS DE CONOS ROTATIVOS

Los trépanos de conos rotativos tienen dispositivos coniformes de acero llamados conos que giran libremente a medida que el trépano gira en el fondo de pozo. La mayoría de este tipo de trépanos tienen tres conos, aunque algunos tienen dos o hasta un cono.5

Los conos son de tamaño idéntico y están apoyados en tres piernas, las cuales son soldadas a una rosca que conecta el trépano a la sarta de perforación. Cada pierna tiene un orificio para la circulación de fluido en el cual se puede instalar una boquilla, la cual permite a través del fluido, mantener limpio el trépano.

Figura 1.2 Trépanos de conos rotativos

Fuente: (Varel International, 2014) Existen dos tipos de trépanos de conos rotativos:

 Trépanos de conos con dientes de acero

 Trépanos de conos con insertos de carburo de tungsteno

5_{INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO, El equipo Rotatorio y sus Componentes, México, D.F.,}

(20)

8

1.2.1.1. Trépanos de tres conos de dientes de acero

Estos trépanos están fabricados con dientes de acero, fundidos o forjados integralmente en el cono. Los dientes varían en tamaño y forma, dependiendo de la formación a perforar. Dientes largos y delgados son usados para formaciones blandas, mientras dientes cortos y gruesos son usados en formaciones más duras.6

Un ejemplo de ficha técnica de este tipo de trépano se muestra en el anexo 2.

Figura 1.3 Trépanos de conos de dientes de acero

Fuente: (Varel International, 2014)

1.2.1.2. Trépanos de tres conos con insertos de carburo de tungsteno

Estos trépanos, tienen insertos de carburo de tungsteno, una aleación especial más dura y resistente que el acero, los cuales son colocados a presión dentro de orificios previamente hechos en el cono. Estos insertos vienen en una gran variedad de formas variando desde formas cinceladas o tipo “chisel” para formaciones duras y firmes, a formas redondeadas y chatas para formaciones duras y frágiles.7_Un

ejemplo de ficha técnica de este tipo de trépano se muestra en el anexo 3.

6_{BAKER Hughes, Oil Field Familiarization, Houston, TX, 1996 P. 3-21} 7_{Ibidem, p. 3-22}

(21)

9

Figura 1.4 Trépanos de conos con insertos de Carburo de tungsteno

Fuente: (Varel International, 2014) 1.2.2. TRÉPANOS DE CORTADORES FIJOS

Los trépanos de cortadores fijos no tienen partes móviles. El cuerpo del trépano y su estructura de corte rota en conjunto con la sarta de perforación. Estos trépanos están diseñados para cortar la roca en lugar de triturarla.8

Los principales tipos de trépanos de cortadores fijos son:  Trépanos de diamante

 Trépanos PDC

1.2.2.1. Trépanos PDC

Los trépanos PDC (Polycrystalline diamond compact) utilizan una gran cantidad de elementos de corte llamados cortadores PDC. Estos son fabricados poniendo una capa de diamante poli cristalino compacto sobre un substrato de carburo de tungsteno mediante un proceso que aplica alta presión.

(22)

10 DIAMANTE POLICRISTALINO SUBSTRATO DE CARBURO DE TUNGSTENO TRÉPANO PDC

Figura 1.5 Trépano PDC con detalle de un Cortador PDC

Fuente: (Varel, 2014)

Los trépanos PDC a su vez se clasifican según el material del cuerpo con el que son construidos en dos tipos: Trépanos con cuerpo de acero y trépanos con cuerpo de matriz. Un ejemplo de ficha técnica de este tipo de trépano se muestra en el anexo 4.

1.2.2.2. Trépanos de Diamante

El diamante es el mineral de mayor dureza conocido por el hombre con una dureza de 10 en la escala de Mohs que mide las durezas de los minerales del uno al diez. El diamante tambien posee la conductividad térmica más alta lo cual permite disipar el calor generado por fricción muy rápidamente.9

Este tipo de trépano permite perforar formaciones muy duras y altamente abrasivas, que destruirían un trépano PDC o de conos en muy poco tiempo. Los trépanos de diamante pueden ser: de diamante natural, de diamante artificial térmicamente estable (TSP) e impregnadas de diamante. Un ejemplo de ficha técnica de este tipo de trépano se muestra en el anexo 5.

(23)

11 1.2.2.2.1. Trépanos de Diamante Natural

Su estructura de corte está formada por una gran numero de diamantes naturales pequeños distribuidos geométricamente en el cuerpo del trépano de carburo de tungsteno. Este tipo de trépano no emplea partes móviles y tienen varias aletas muy cercanas unas de las otras.

Figura 1.6 Trépano de diamante natural

Fuente: (Baker Hughes, 1996) 1.2.2.2.2. Trépanos de TSP

Los trépanos con diamante térmicamente estable TSP por sus siglas en inglés (Thermally Stable Polycrystalline) usan pequeñas piezas triangulares de diamante artificial que varían en tamaño de uno a dos milímetros. Estos diamantes, están colocados sobre las aletas de forma que los diamantes corten la formación en lugar de usar el mecanismo de raspado de los trépanos de diamante natural.10

(24)

12

Figura 1.7 Trépano de diamante térmicamente estable TSP

Fuente: (Baker Hughes, 1996) 1.2.2.2.3. Trépanos Impregnados de Diamante

Estos trépanos usan diamantes sintéticos aún más pequeños, básicamente al tamaño de arenas finas, los cuales están prensados en cilindros especiales que son insertados a las aletas de carburo de tungsteno que tambien tienen diamante impregnado en su composición. Debido al tamaño pequeño de los diamantes, se requiere altas velocidades de rotación.11

Figura 1.8 Trépano de diamante Impregnado

Fuente: (Catalogo Smith 2015)

(25)

13 1.3. PARTES DE UN TRÉPANO

1.3.1. PARTES DE UN TRÉPANO DE CONOS ROTATIVOS

Los trépanos de conos rotativos presentan generalmente tres conos con dientes forjados de acero o con insertos de carburo de tungsteno. Los componentes de ambos son muy similares puesto que parten del mismo principio. La mayor limitación que un ingeniero de diseño de trépanos afronta es que el trépano debe encajar exactamente en el diámetro deseado. Así, se requiere hacer el máximo uso de un espacio muy limitado. El tamaño de cada parte critica del trépano puede ser aumentado solo a costa de la reducción de otra parte crítica.12

Las partes más importantes de los trépanos de conos son: los mismos conos, los dientes o insertos, la pierna que sujeta cada cono, el cojinete interno, las boquillas, el sistema de lubricación y la conexión API.

CONOS PIERNA O CABEZAL PROTECCIÓN DE CAMISA COMPENSADOR DE PRESIÓN CONEXIÓN API PIN FILAS DE INSERTOS INTERNAS FILA DE INSERTOS DEL CALIBRE FILAS DE DIENTES INTERNAS FILA DE DIENTES DEL CALIBRE BOQUILLA _BOQUILLA PROTECCIÓN DE CAMISA

Figura 1.9 Partes de un trépano de conos de dientes de acero

12_{BOURGOYNE Jr., Millheim y otros, Applied Drilling Engineering, Richardson, TX, SPE, 1986, p.}

(26)

14 FILAS INTERNAS PUNTA DE FLECHA NARIZ FILAS DEL CALIBRE CONO 1 CONO 1

CONO 2 CONO 3 _{CONO 2}

CONO 3

DIENTES DE ACERO

INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO

Figura 1.10 Partes de un trépano de conos con insertos de carburo de tungsteno

1.3.1.1. Cojinetes

Los cojinetes son el mecanismo sobre el cual rota el cono. Estos pueden ser cojinetes sellados y cojinetes no sellados. Al mismo tiempo, existen dos mecanismos internos de los cojinetes. Existen cojinetes de rodillos y cojinetes de fricción.

Cojinetes no sellados

Los cojinetes no sellados, como su nombre lo indica, carecen de sellos entre el cono y la pierna, y se lubrican con el mismo lodo de perforación. Todos los cojinetes no sellados utilizan rodillos de acero inoxidable como mecanismo de rodamiento y bolillas de acero como agente de retención. Los cojinetes no sellados tienen la ventaja de ser más económicos y son ideales para perforar agujeros poco profundos en formaciones blandas no consolidadas como arcillas, conglomerados, etc.13

(27)

15 PIN PILOTO SUPERFICIE DE EMPUJE BALINERAS RODILLOS

Figura 1.11 Cojinete de rodillos no sellado

Fuente: (Bitbrokers.com) Cojinetes Sellados

Los cojinetes sellados poseen sellos que pueden ser de nitrilo altamente saturado, o sello metal-metal, que impiden el paso del fluido de perforación hacia el interior del cono. Su lubricación es a través de un sistema de compensación de grasa. Los cojinetes sellados pueden ser tanto de rodillos como de fricción.

Cojinetes sellados de rodillos

Los cojinetes de rodillos, tambien llamados cojinetes de tipo Roller, utilizan rodillos de acero inoxidable como mecanismo de rotación y bolillas esféricas como sistema de retención. Este mecanismo soporta menor peso sobre el trépano para un determinado tamaño de trépano, mayor RPM (revoluciones por minuto) y tienen mayor tolerancia a la contaminación del cojinete, es decir puede seguir girando después de un fallo en el sello. Este tipo de cojinete se utiliza en trépanos de tamaños mayores a 13 ¾”

(28)

16 RODILLOS DEL PIN PILOTO SUPERFICIE DE EMPUJE RODILLOS PRINCIPALES SELLO BALINERAS

Figura 1.12 Cojinete de rodillos sellado

Fuente: (Varel International, 2016) Cojinetes sellados de fricción

Los cojinetes de fricción, tambien llamados de tipo Journal, solo presentan bolillas esféricas como mecanismo de retención, y su mecanismo de rotación es mediante la fricción directa entre el muñón liso y el cono. Este tipo de cojinete soporta mayor carga sobre el trépano para un determinado tamaño, tiene menor tolerancia a altas RPM y baja tolerancia a la contaminación del cojinete, es decir, deja de girar luego de un fallo en el sello. Se presenta en tamaños de trépano menores a 13 ¾”.

PIN PILOTO SUPERFICIE DE EMPUJE MUÑON PRINCIPAL BALINERAS AISLANTE TÉRMICO SELLO

Figura 1.13 Cojinete sellado de fricción

(29)

17 1.3.1.2. Sistema de lubricación

Los componentes internos del cono deben ser lubricados para prevenir el desgaste prematuro de los mismos. Todos los trépanos con cojinetes sellados tienen un sistema de lubricación que consta de un depósito de grasa y un sistema compensador de presión que crea una pequeña diferencial de presión entre el reservorio de grasa y la presion hidrostática del lodo para asegurar el flujo de grasa desde el reservorio a los cojinetes. Sin este sistema de compensación, la diferencial de presion sería suficiente para producir el fallo de los sellos.14_{Los lubricantes que}

se usan son altamente resistentes a la temperatura, al agua y a los quimicos del lodo. RESERVORIO DE GRASA LINEA DE FLUJO DE LUBRICANTE COJINETES ALIVIO SELLO

Figura 1.14 Sistema de lubricación de un trépano de conos

Fuente: (Schlumberger, 2001)

(30)

18

1.3.2. PARTES DE UN TRÉPANO DE PARTES FIJAS

Los principales componentes de estos tipos de trépanos son las aletas, los cortadores PDC, los cilindros de impregnación, el pad del calibre, las boquillas, la ranura de apriete y el cuerpo del trépano.

1RA FILA DE CORTADORES PDC

ALETAS

SHANK O RANURA DE APRIETE CONEXIÓN API PIN

BOQUILLAS

PAD DEL CALIBRE 2DA FILA DE

CORTADORES PDC

Figura 1.15 Partes de un trépano de cortadores PDC

CONEXIÓN API PIN CONEXIÓN API BOX SHANK O RANURA DE APRIETE CUERPO DE MATRIZ GARGANTA DE FLUJO CILINDROS DE IMPREGNACIÓN DE ALTA DENSIDAD ALETAS IMPREGNADAS ALETAS IMPREGNADAS

Figura 1.16 Partes de un trépano de diamante

(31)

19 1.3.2.1. Cuerpo del trépano

El cuerpo de un trépano de acero es una pieza integral torneada mediante fresas controladas numéricamente por computadoras (CNC, por sus siglas en inglés). Estas fresas forman las aletas, el agujero principal, las cuchillas, las ranuras conductoras de lodo entre las aletas, las cavidades de los insertos laterales y de los cortadores en las aletas, los agujeros para las boquillas y las roscas.15

Para trépanos PDC con cuerpo de matriz, y los impregnados, que todos tienen cuerpo de matriz, se utiliza polvos de carburo de tungsteno con una aleación adherente que le brinda mayor resistencia, y esta mezcla se coloca en un molde con un núcleo de acero.

BOQUILLAS CUERPO DE MATRIZ NÚCLEO DE ACERO CUERPO INTEGRAL DE ACERO DIÁMETRO INTERIOR RANURA DE SOLDADURA

Figura 1.17 Izq.: Cuerpo de acero. Der.: Cuerpo de Matriz

Fuente: (Burr, y otros, 2001)

15_{BURR, Bruce y Otros: “Bordes Cortantes” Schlumberger Oilfield Review, Houston - Texas, 2001,}

(32)

20 1.3.2.2. Aletas

Las aletas, tambien llamadas cuchillas, son las bases que sostienen la estructura de corte, ya sea cortadores PDC o cilindros impregnados de diamante. Los diseños de los trépanos varían en número de aletas según la aplicación, el tamaño y la agresividad requerida del trépano. En trépanos PDC los diseños cuentan comúnmente desde tres aletas, hasta 9 aletas. Los trépanos de diamante e impregnados, al tener recortes mucho más finos, y requerir mayor superficie de contacto, cuentan con mayor número de aletas, generalmente sus diseños cuentan con desde ocho aletas hasta más de dieciséis.

ALETAS PRINCIPALES P S S S S S P P P P S P ALETAS SECUNDARIAS

Figura 1.18 Aletas de un trépano PDC

Fuente: (Modificado a partir de Varel, 2016) 1.3.2.3. Cortadores PDC

El diamante es el material más duro conocido por el hombre. Es 10 veces más duro que el acero, y 10 veces más resistente al desgaste que el carburo de tungsteno.16

Los cortadores PDC están formados por discos de diamante sintético y substratos más gruesos de carburo de tungsteno. Entre la tabla de diamante y los substratos existe una interface ranurada o de geometría especial que incrementa la adherencia del diamante al substrato. Los cortadores PDC son más resistentes al impacto que

(33)

21

los diamantes naturales y tambien tienen buena resistencia a la abrasión. Sin embargo, existe una relación inversa entre la resistencia al impacto y la abrasión. Estas propiedades dependen principalmente del procesamiento y del tamaño del grano del diamante. Granos más grandes hacen que los compactos de diamante sean más resistentes al impacto, pero menos resistentes a la abrasión. Los granos más pequeños incrementan la resistencia a la abrasión, pero reducen la resistencia al impacto.

Figura 1.19 Cortadores de diamante policristalino compacto PDC

Fuente: (Bestdrillingbits.com, 2016)

Los cortadores PDC vienen en diámetros estándar de 9mm, 13mm, 16mm y 19mm respectivamente.

19mm 16mm 13mm 9mm

Figura 1.20 Diámetros típicos de los cortadores PDC

(34)

22 1.3.2.4. Cilindros de impregnación

Los cilindros de impregnación son segmentos cilíndricos de diamante sintético prensados a alta temperatura que tienen una mayor resistencia que las aletas de matriz impregnadas con partículas de diamante. Estos cilindros son insertados en las aletas de los trépanos impregnados para perforar formaciones muy abrasivas.

Figura 1.21 Cilindros y cuerpos de impregnación

1.4. MECANISMOS DE CORTE DE LOS TRÉPANOS

Los trépanos de conos giratorios remueven la roca mediante escave y paleo o fractura y triturado. Los conos realizan una acción de trituración con el peso.

Figura 1.22 Mecanismos de corte trépanos de conos. Izq.: Paleo. Der.: Triturado

(35)

23

A medida que los conos se apartan más del movimiento giratorio real, las estructuras cortantes penetran y raspan más. El desplazamiento o ángulo de excentricidad del cono y la forma del mismo, provocan que los conos dejen de girar periódicamente a medida que gira el trépano. Como resultado, las estructuras cortantes se deslizan en el fondo del hueco y raspan la formación. Los ángulos de desplazamiento varían de 5° para formaciones blandas, a cero para formaciones duras. Los trépanos para formaciones blandas utilizan estructuras de corte más largas con ángulos de desplazamiento en los conos que reducen el movimiento de rotación. Los cortadores cortos en los conos que giran más, provocan una acción de trituración en las formaciones duras.17

El desplazamiento o ángulo de excentricidad del cono, es una medida de cuánto se inclinan los cojinetes para que el eje de cada cono no se cruce en el centro del trépano.

A menor dureza de la formación Mayor excentricidadDientes más largos. A mayor dureza de la formaciónMenor excentricidadDientes más cortos.

Figura 1.23 Offset de los conos. Izq.: Conos con offset. Der.: Conos sin offset

(36)

24

Los dientes de acero son una estructura de corte agresiva. Típicamente usadas para aplicaciones de alta ROP en formaciones blandas a medias. El mecanismo de corte es por escavado y paleo de la formación.

Los insertos pueden ser largos y tener excentricidad para formaciones blandas y utilizan el mecanismo de paleo. Los insertos que trituran y ocasionan falla de la roca por un esfuerzo de compresión son chatos y redondeados para evitar el rompimiento del inserto y se hallan muy cerca entre sí. Lo insertos son una estructura de corte menos agresiva. Se utilizan comúnmente para aplicaciones de baja ROP en formaciones medianamente duras a muy duras. Su mecanismo es por impacto, fractura, y trituración de la formación.

El cortador PDC remueve la roca por cizallamiento y corte. A medida que el cortador penetra en la formación, la punta del cortador corta y elimina el material en capas.

Figura 1.24 Mecanismo de corte PDC, Cizallamiento y corte

Fuente: (Burr, y otros, 2001)

El mecanismo de corte de los trépanos impregnados es mediante el raspado, pulido o molienda de la roca. Este mecanismo es más lento por lo cual se utiliza altas revoluciones por minuto. Los diamantes pulverizan las formaciones duras y la velocidad de penetración reduce gradualmente a medida que las aletas pierden filo. La matriz se desgasta para exponer continuamente nuevos y filosos diamantes. La vida útil del trépano está en función del volumen impregnado de diamante que puede colocarse en el trépano. En consecuencia, aletas de mayor altitud, tendrán mayor duración.

(37)

25

Figura 1.25 Mecanismo de corte trépanos de diamante: Raspado y pulido

Fuente: (PDVSA, 2011) 1.5. IADC

La Asociación internacional de contratistas de perforación, IADC (International

association of drilling contractors), es una organización que regula y estandariza

todas las operaciones relacionadas con la perforación de pozos petroleros.

La IADC tiene un sistema de clasificación para los trépanos, la cual emplea una terminología básica para describir el tipo de trépano, y características de diseño. 1.5.1. NOMENCLATURA IADC PARA TRÉPANOS DE PARTES MÓVILES

La nomenclatura de la IADC utiliza cuatro caracteres para describir el diseño del trépano, los tres primeros dígitos son numéricos y el ultimo es alfabético y opcional.18

Primer carácter, Serie: define las características de la formación (de menor a mayor dureza, resistencia compresiva y abrasividad) los números del uno (1) al tres (3) son asignados a trépanos de dientes, y de cuatro (4) a ocho (8) para trépanos con insertos de carburo de tungsteno.

(38)

26

Segundo carácter, Tipo: Cada serie se divide en cuatro tipos, desde la broca para la formación más blanda (1) a la más dura (4), dentro de la misma serie.

Tercer carácter, Configuración Cojinete/Calibre: agrupadas en 7 categorías, como resultado de dos parámetros, el tipo de rodamiento y la protección al calibre. Existen cuatro tipos de rodamiento: de rodillos no sellados, de rodillos enfriados por aire, de rodillos sellados y sellados con anillos de fricción,

Cuarto carácter, Mejoramientos disponibles: Son (16) caracteres alfabéticos que compendian especificaciones especiales de la broca.

Una tabla comparativa de los códigos IADC en las marcas principales se muestra en el anexo 6.

(39)

27

Tabla 1.1 Nomenclatura IADC para trépanos de partes móviles

Fuente: (McGehee, y otros, The IADC Roller Bit Classification System, 1992)

1er DIGITO

1

Formaciones blandas con baja compresibilidad y alta perforabilidad

2 Formaciones medio duras a duras con alta compresibilidad

3 Formaciones duras semi abrasivas y abrasivas

4

Formaciones blandas con baja compresibilidad y alta perforabilidad

5

Formaciones blandas a medio duras con baja compresibilidad

6 Formaciones medio duras con alta compresibilidad

7 Formaciones duras semi abrasivas y abrasivas

8 Formaciones extremadamente duras y abrasivas

2do DIGITO 1 2 3 4 3er DIGITO 1 2 3 4 5 6 7 4to DIGITO A B C D E G H J L M S T W X Y Z

Cojinete de rodillos sellado con proteccion en el calibre Cojinete de fricción sellado

Cojinete de fricción sellado con protección en el calibre

Dientes de acero estándar Trépano de dos conos Estructura de corte de avanzada

Insertos tipo cincel (chisel) Insertos tipo cónico Otra tipo de perfil de insertos

Boquillas extendidas

Proteccion extra en calibre o en el Cuerpo Aplicación horizontal o direccional

Deflección en las boquillas Almohadillas en las piernas

Aplicación para Motor

COJINETE - CALIBRE

CARACTERISTICAS ADICIONALES

Aplicación para aire Cojinete con sello Especial

Boquilla central Control de la desviación Cojinete de rodillos abierto estándar. Cojinete de rodillos abierto enfriado por aire Cojinete de rodillos abierto con proteccion en el calibre

Cojinete de rodillos sellado Dientes de acero Insertos de carburo de Tungsteno

Tipo 1 se refiere a los trépanos diseñados para la formacion mas blanda de una serie en particuar.

Tipo 4 se refiere a trépanos diseñados para la formacion as dura de una serie en particular.

SERIE ESTRUCTURA DE CORTE

(40)

28

1.5.2. NOMENCLATURA IADC PARA TRÉPANOS DE PARTES FIJAS

El nuevo sistema de clasificación de la IADC para trépanos de partes fijas fue elaborado en 1992 y comprende de cuatro caracteres, uno alfabético y tres numéricos.19

Primer carácter, material del cuerpo: este puede ser de dos tipos: Matriz (M) o Acero (S) y se refiere al material que constituye principalmente el trépano.

Segundo carácter, densidad y cantidad de los cortadores: son categorías del uno al 8, donde los números del 1 al 4 indican los trépanos PDC y los números 6 al 8 son usados para trépanos de diamante.

Tercer carácter, Tamaño y tipo de cortador: para las brocas PDC indica el tamaño del cortador y para los de diamante el tipo de estructura de corte utilizada. Cuarto carácter, Perfil del trépano: Indica el tipo de perfil del trépano y el estilo general del cuerpo del trépano.

Los códigos IADC para cortador fijo únicamente tienen la intención de ser un medio para caracterizar el aspecto físico general de los trépanos de cortador fijo. A diferencia de la clasificación IADC para los trépanos de conos giratorios, estos códigos no representan una guía para la aplicación.

19_{BRANDON B. D. y otros, Development of a New IADC Fixed Cutter Drill Bit Classification}

(41)

29

Tabla 1.2 Nomenclatura IADC para trépanos de partes fijas

Fuente: (Brandon B. D., y otros, 1992)

1.6. EVALUACIÓN DEL DESGASTE DE LOS TRÉPANOS (DULL GRADE)2021

La Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (International

Association of Drilling Contractors), ha desarrollado una metodología estándar para

evaluar el desgaste de los trépanos usados. Esta información es esencial para el análisis detallado para la operación de los trépanos. Ver anexo 7.

20_{MCGEHEE D. Y. y otros, The IADC Roller Bit Dull Grading System, New Orleans, SPE, 1992, pp.}

1-16

21_{BRANDON B. D. y otros, First Revision to the IADC Fixed Cutter Dull Grading System, New}

Orleans, SPE, 1992, pp. 1-5 1er DIGITO S M 2do DIGITO 1 Menos de 30 cortadores 2 Entre 30 y 40 cortadores 3 Entre 40 y 50 cortadores 4 Más de 50 cortadores 5 Desarrollos futuros 6 Menos de 3 piedras/kilate 7 de 3 a 7 piedras /kilate 8 Más de 7 piedras/kilate 9 Desarrollos futuros 3er DIGITO

PDC: Tamaño de cortador Diamante: Tipo

1 Mayor de 24mm Diamante Natural 2 Entre 14 y 24 mm Diamante termoestable (TSP) 3 Entre 8 y 14 mm Mezcla de Natural y TSP 4 Menor a 8 mm Impregnado de alta densidad

4to DIGITO 1 2 3 4 Mediano Largo

TAMAÑO DEL CORTADOR /TIPO DE DIAMANTE MATERIAL DEL CUERPO

Trépanos PDC

DENSIDAD DEL CORTADOR

Cuerpo de acero Cuerpo de Matriz

Trépanos de Diamante

Corto Plano

(42)

30

El sistema de evaluación de desgaste de la IADC puede ser aplicado a cualquier tipo de trépano, ya sea de conos giratorios o de cortadores fijos.

La metodología está compuesta de un código de 8 caracteres que describe el desgaste del trépano y la razón que se tuvo para sacarla del agujero.

Tabla 1.3 Los ocho componentes de una calificación IADC

Fuente: (Brandon B. D., y otros, 1992) 1.6.1. Estructura de corte

Los primeros cuatro caracteres, describen el desgaste de la estructura de corte del trépano.

Tabla 1.4 Calificación IADC de la estructura de corte

La estructura de corte se califica en una escala del uno al ocho de 0 a 8 dependiendo del porcentaje de la estructura de corte que se perdió (0 = Intacta, 4 = 50% de desgaste, 8 = 100% de desgaste). Para medir el desgaste primero se debe conocer la altura del diente, del inserto, el diámetro del cortador PDC o la altura de la aleta de un trépano impregnado. Así esa altura se divide en 8 y 1/8 de desgaste de esa altura, la escala aumenta en uno.

B G HILERAS INTERNAS HILERAS EXTERNAS CARACTERISTICA DE DESGASTE UBICACIÓN DEL DESGASTE CONDICION DE LOS COJINETES CALIBRE OTRAS CARACTERISTICAS DE DESGASTE RAZON DE SACADA

ESTRUCTURA DE CORTE COMENTARIOS

HILERAS INTERNAS HILERAS EXTERNAS CARACTERISTICA DE DESGASTE UBICACIÓN DEL DESGASTE

1

2

3

4

ESTRUCTURA DE CORTE

(43)

31

Figura 1.26 Valor IADC del desgaste de la estructura de corte

Fuente: (Varel International, 2011) 1.6.1.1. Hileras internas y externas

Para los trépanos de conos de dientes, todos los dientes o insertos que no toquen la pared del hueco pertenecen a las hileras internas. Y todos los dientes o insertos que si toquen la pared del hueco pertenecen a la hilera externa.

Figura 1.27 Hileras internas y externas de un trépano de conos

1

2

3

4

(44)

32

Para los trépanos de cortadores fijos se divide el radio del trépano en 3, se toman los dos tercios del centro hacia afuera como las hileras internas y el un tercio del calibre hacia el centro como las hileras externas.

Figura 1.28 Hileras internas y externas de un trépano de partes fijas

Fuente: (Varel International, 2011) 1.6.1.2. Característica de desgaste

Indica el tipo de daño que sufrió el cortador, diente o inserto de la estructura de corte. En esta casilla se indica la principal característica de desgaste con un código que en inglés que indica la IADC. Los códigos son similares, pero no idénticos para los trépanos de conos giratorios y los trépanos de partes fijas.

Tabla 1.5 Ubicación de la característica de desgaste

1

2

3

4

ESTRUCTURA DE CORTE HILERAS INTERNAS HILERAS EXTERNAS CARACTERISTICA DE DESGASTE UBICACIÓN DEL DESGASTE

1

2

3

4

(45)

33

Tabla 1.6 Códigos IADC para describir la característica de desgaste de trépanos de conos

giratorios

Fuente: Modificado a partir de (Brandon B. D., y otros, 1992)

CODIGO

IADC SIGNIFICADO INGLES SIGNIFICADO ESPAÑOL

BC Broken Cone Cono roto

BT Broken Teeth/Inserts Dientes /Insertos rotos

BU Balled Up Embolamiento

CC Cracked Cone Cono fisurado

CD Cone Dragged Cono Arrastrado

CI Cone interference Interferencia de conos

CR Cored Coroneado

CT Chipped Teeth/Inserts Dientes /Insertos astillados

ER Erosion Erosión

FC Flat Crested Wear Crestas achatadas

HC Heat Checking Sobrecalentamiento

JD Junk Damage Daño por Chatarra

LC Lost Cone Cono perdido

LN Lost Nozzle Boquilla Perdida

LT Lost Teeth/Inserts Dientes/Insertos Perdidos NO No Major Dull Characteristics Sin desgaste importante

OC Off Center Wear Desgaste excéntrico

PB Pinched Bit Trépano Comprimido

PN Plugged Nozzle Boquilla Tapada

RG Rounded Gage Calibre Redondeado

SD Shirttail Damage Daño en el extremo de la Pata SS Self Sharpening wear Desgaste autoafilado

TR Tracking Tracking/Sobrehuella

WO Washout on Bit Trépano Lavado

WT Worn Teeth/Inserts Dientes/Insertos desgastados

TRÉPANOS DE CONOS GIRATORIOS

(46)

34

Tabla 1.7 Códigos IADC para el desgaste de trépanos de partes fijas

CODIGO

BB Broken Blade Aleta rota

BF Bond Failure Falla de enlace

BT Broken Cutters Cortadores rotos

BU Balled Up Embolamiento

CR Cored Coroneado

CT Chipped Cutters Cortadores astillados

DL Cutter delamination Delaminación del cortador

ER Erosion Erosión

HC Heat Checking Sobrecalentamiento

JD Junk Damage Daño por Chatarra

LM Lost Matrix Perdida de matriz

LN Lost Nozzle Boquilla Perdida

LT Lost Cutters Cortadores Perdidos

NO No Major Dull Characteristics Sin desgaste importante

OC Off Center Wear Desgaste excéntrico

PB Pinched Bit Trépano Comprimido

PN Plugged Nozzle Boquilla Tapada

RG Rounded Gage Calibre Redondeado

RO Ring Out Anillado

SD Shirttail Damage Daño en el extremo de la Pata SS Self Sharpening wear Desgaste autoafilado

WO Washout on Bit Trépano Lavado

WT Worn Cutters Cortadores desgastados

NR Not rerunable Imposible volver a correr

RR Re runable Re-utilizable

(47)

35 1.6.1.3. Ubicación del desgaste

Señala la ubicación del daño del trépano. Para los trépanos de conos giratorios existen cuatro opciones para mostrar, y para los trépanos de cortadores fijos existen seis en función de los perfiles de los trépanos.

Tabla 1.8 Casilla de la Ubicación del desgaste

Fuente: (International Association of Drilling Contractors, 2000)

Tabla 1.9 Códigos IADC para la ubicación del desgate en trépanos de conos

Tabla 1.10 Códigos IADC para la ubicacion del desgaste en trépanos de partes fijas

1

2

3

4

ESTRUCTURA DE CORTE CODIGO

IADC INGLES ESPAÑOL

G Gauge Calibre

M Middle Medio

N Nose Nariz

A All areas Todas las areas

UBICACIÓN TRÉPANOS DE CONOS

CODIGO

C Cone Cono

N Nose Nariz

T Taper Flanco

S Shoulder Hombro

G Gauge Calibre

A All areas Todas las areas

(48)

36

Figura 1.29 Ubicación del desgaste en trépanos de conos

Figura 1.30 Ubicación del desgaste en trépanos de partes fijas

(49)

37 1.6.2. Condición de los Cojinetes

Indica el estado en que se encuentra el cojinete luego de haber sido utilizado. Este espacio solo se utiliza en trépanos de conos giratorios.

Tabla 1.11 Casillero de la condición de los cojinetes

Cuando el trépano tiene el cojinete no sellado, entonces se usa una escala del 0 al 8, donde cero (0) significa que el cojinete no tiene daño, y ocho (8) significa que el cojinete ha perdido vida útil.

Cuando el trépano tiene cojinete sellado se usa dos caracteres: E, que significa sello efectivo, y F, que significa sello fallado.

Cuando por alguna causa no se puede evaluar el sello, se utiliza la letra N. En los trépanos de cortadores fijos siempre se coloca una X en esta casilla.

Tabla 1.12 Código IADC para la condición de los cojinetes

1

2

3

4

5

6

7

8

CODIGO

0 - 8 Bearing life used Vida util utilizada E Effective seal Sello efectivo F Failed seal Sello fallado N Not able to grade No se puede calificar X Fixed cutter bit Trepano de partes fijas

(50)

38 1.6.3. Calibre

Indica la medida de desgaste del calibre del trépano.

Tabla 1.13 Casillero del Calibre

La letra “I” se usa para designar trépanos que están en su diámetro original.

Si el trépano sale con un diámetro menor que el original, el desgaste de calibre o reducción en el diámetro se mide y registra en 1/16”. Por ejemplo, si el trépano tiene 1/8” menos de diámetro, indica que tiene un desgaste de 2/16” y se reporta: desgaste de calibre = 2 (se entiende que son dieciseisavos de pulgada)

Figura 1.31 Ejemplo de medición del Calibre

1

2

3

4

5

6

7

8

(51)

39

Tabla 1.14 Codigos IADC para la calificación del Calibre

Fuente: (International Association of Drilling Contractors, 2000) 1.6.4. Comentarios

Las dos últimas casillas corresponden a las anotaciones finales de la calificación del trépano.

1.6.4.1. Otras características de desgaste

El espacio número 7 se utiliza para indicar una segunda característica o característica adicional que de desgaste si aplica, estos códigos son los mismo usados en la casilla número 3, si la broca no muestra una característica adicional se usará el código NO correspondiente a No Daño.

Tabla 1.15 Casillero de Otras características de desgaste

Fuente: (International Association of Drilling Contractors, 2000) 1.6.4.2. Razón de sacada

Esta posición nos indica la razón de salida de la broca, es decir que define por qué se decidió sacar la broca a superficie.

CODIGO

IADC INGLÉS ESPAÑOL

I In Gauge En calibre

1 1/16" undergauge 1/16" fuera de calibre 2 2/16" undergauge 2/16" fuera de calibre 3 3/16" undergauge 3/16" fuera de calibre 4 4/16" undergauge 4/16" fuera de calibre

CALIBRE B G HILERAS INTERNAS HILERAS EXTERNAS CARACTERISTICA DE DESGASTE UBICACIÓN DEL DESGASTE CONDICION DE LOS COJINETES CALIBRE OTRAS CARACTERISTICAS DE DESGASTE RAZON DE SACADA

1

2

3

4

5

6

7

8

(52)

40

Tabla 1.16 Casillero de Razón de sacada

También tiene su código especifico, es importante aclarar que si la broca termina la sección llegando a punto de casing se debe usar la sigla TD, la cual nos indica que termino la sección perforada, este código solo aplica para la condición anterior, de lo contrario se usara la siguiente nomenclatura.

Tabla 1.17 Códigos IADC para describir la Razón de Sacada

1

2

3

4

5

6

7

8

CODIGO

BHA Change Bottom Hole Assembly Cambio de ensamble de fondo DMF Downhole Motor Failure Falla de Motor de Fondo DSF Drillstring Failure Falla de barras DST Drill Stem Test Ensayo de formación DTF Downhole Tool Failure Falla de herramientas de fondo

LOG Run Logs Perfilaje

RIG Rig Repair Reparación del Equipo CM Condition Mud Tratamiento fluido

CP Core Point Coroneado

DP Drill Plug Barra tapada FM Formation Change Cambio de formación HP Hole Problems Problemas de pozo

HR Hours Horas

PP Pump Pressure Presión de la bomba PR Penetration Rate Baja penetración

TD Total Depth / Csg Depth Profundidad final/Profundidad de entubamiento

TQ Torque Torque

TW Twist Off Barra torcida WC Weather Conditions Condiciones climáticas WO Washout Drill string Rotura de la sarta de perforación

(53)

41 1.7. GEOLOGÍA BÁSICA

La geología es la ciencia que estudia los materiales de la tierra, incluyendo minerales y rocas, procesos superficiales y sub superficiales y la historia de la tierra. Para la perforación de pozos de petróleo y gas es fundamental conocer geología de, y su conocimiento es la clave para:

 Selección de trépanos

 Optimización del rendimiento de los trépanos  Entendimiento de los desgastes

1.7.1. Tipos de rocas

Las rocas se clasifican en tres tipos principales: Sedimentarias, Metamórficas e Ígneas. Estas tienen un ciclo por el cual van transformándose de un tipo a otro. Las rocas más comunes en los campos petroleros son las rocas sedimentarias. Existen tres tipos básicos de rocas sedimentarias:

 Rocas sedimentarias clásticas, formadas por deposición mecánica de partículas.

 Rocas sedimentarias quimicas, formadas por la precipitación de materiales disueltos de una solución.

 Rocas sedimentarias orgánicas, las cuales se formaron por acumulación de partículas orgánicas de plantas o animales.