BARRENAS O TRÉPANOS

1. Definición.El trépano llamado también (barrena, broca o mecha) es la herramienta más importante en la perforación cuyo servicio avanza al trabajo de perforación, cortando las rocas, atravesando formaciones, profundizando el pozo.

Este elemento puede ser de percusión o de rotación o una combinación de ambas. La barrena siempre incluye elementos perforantes, cortantes y de circulación (toberas).

En la perforación rotaria, varios porta barrenas se conectan al extremo inferior de la tubería de perforación. La barrena se conecta al extremo inferior de estas.

La decisión sobre el tipo de barrena que se debe usar depende de varios factores tales como la clase de formación que se va perforar, el tamaño y el costo de la misma barrena.

La eficiencia con la que la barrena perfora depende de varios factores:

- El estado físico de la barrena.- El peso que se aplica sobre esta para que perfore.- La velocidad con que es puesta a girar.

La acción del fluido de perforación también influye sobre el rendimiento de la barrena.

Trépanos de rodillos

Trépanos PDC Trépanos de diamante

El fluido de perforación debe limpiar, enfriar y lubricar la barrena, además tiene que desalojar a los recortes generados por el trépano y levantarlos por el espacio anular hacia la superficie.

Al efectuar una selección de trépanos se deberá tener en cuenta los siguientes factores.

a) Costo de la brocab) Tipo de formación a perforarc) Costo diario de operaciónd) Sistemas de lodos en uso

Los mayores factores que afectan a la penetración son:

1. Sobre balance.- Es la diferencia entre la presión hidrostática de la columna del lodo y la presión de formación.

2. Peso sobre el trépano.- El peso aplicado sobre el trépano creará la fuerza necesaria como para vencer la fuerza contrapesiva de la roca fracturándola produciendo la penetración necesaria.

3. RPM (Revoluciones por minuto).- La penetración responde en forma proporcional a las RPM que consta de dos factores:

Cantidad de recortes generados Velocidad de remoción de los Recortes

La forma tradicional de evaluar el funcionamiento de un trépano se basa en:

1. Pies perforados2. Penetración (POP) (pies/hrs.).3. Hora de rotación (hrs.).

Diseño y Selección propia del trépanoLos factores de diseño que van a afectar a la penetración son:

a). Longitud de los dientes.- dientes más largos logran mayor penetración en la roca obteniendo mejor penetración

b). Forma de los dientes.- Afecta en la penetración mediante la relación que existe entre el área de los dientes y la penetración lograda.

c). Números de dientes.- El número de dientes afectará a la penetración de la siguiente manera: a mayor número de dientes representa mayor posibilidad de embotamiento del trépano, también una mayor área sobre la cual se aplica mayor peso sobre el trépano.

d). Perfil de la estructura de corte y offset de los conos.- Es importante ya que determina las medidas a que los conos de un trépano se arrastren en el fondo del hueco al no dar sobre eje, a mayor offset mayor será el efecto de arrastre de los conos.

e). Optimización hidráulica.- Es de gran importancia para lograr una buena limpieza del hueco y lograr perforaciones adecuadas.

Selección del trépano por factores de la FormaciónExisten 10 características de las rocas que influyen en la selección de un trépano, la velocidad de una mesa rotaria y la hidráulica:

- Abrasividad.- Con cuanta facilidad la roca se desgasta debido a la fricción cuando el trepano es usado sobe ella.

- Dureza.- Con cuanta facilidad la roca puede ser rayada.- Resistencia a la compresión.- Con cuanta facilidad se romperá una roca

bajo una carga gradual.- Plasticidad.- La capacidad de deformarse y tomar otra forma sin

romperse o estar comprimida o sujeta a un impacto.- Permeabilidad.- Cuan bien se conectan los poros entre sí de manera que

el petróleo gas o agua puedan moverse entre las rocas.- Elasticidad.- La capacidad para volver a la forma y diámetro original

después de haber estado comprimido.- Porosidad.- Es la relación entre el espacio poral y el volumen total de la

roca reservorio.- Presión poral.- La presión que ejerce el fluido en los poros sobre los

granos de roca.- Pegajosidad.- Con cuanta facilidad los recortes de rocas se combinan

con el fluido de perforación para formar una masa o bola que se adhiere entre si o al trépano.

- Presión de sobrecarga.- La presión que la capa de formación supuesta ejerce. Esta presión se incrementará con la profundidad.

Rocas de mayor fuerza compresiva van a requerir mayores pesos sobre la broca para crear fracturas en la formación y poder lograr una penetración.Una formación porosa es generalmente más débil y más fácil de perforar que una formación de reducida porosidad. Hay una correlación fuerte entre porosidad y penetración.La permeabilidad es mas importante en cuanto a la relación entre penetración y grado de sobre balance. El contenido monto morillonítico de la formación que se está perforando es importante ya que puede causar penetraciones reducidas debidos al embolamiento de la broca.Esto puede ocurrir con todo tipo de broca, y puede reducir a la penetración drásticamente. Pude ser tan severo en caso de formaciones plásticas que anular completamente a la estructura de corte.Una limpieza adecuada del fondo del hueco va incrementar a la penetración.

Clasificación de los TrépanosLos 3 tipos de barrena utilizadas son:

Trépanos de rodilloso Tríconos de dientes de aceroo Tríconos de inserto de Carburo de Tungsteno.

Trépanos compactos o de Diamanteso Trépanos PDC y TSP

Trépanos de RodilloEs una barra hecha de 2, 3, 4 conos cortantes montados sobre filas de dientes de aceros o botones de carburo de tungsteno. Esta barrena cuando fue construida por primera vez y muchos años después se la conoció exclusivamente como barrena de roca, lo cual se usó con éxito después de varias modificaciones.Pueden clasificarse como:

- Barrenas de dientes de Acero (dientes triangulares).- Barrenas de Carburo de Tungsteno.

Primera barrena de rodillo

Barrenas de dientes de AceroEs una barrena de rodillos que en la superficie de cada cono está integrada por filas de dientes de acero (dientes fresados).

Dependiendo del tipo de formación a perforar los dientes de las barrenas están diseñados de acuerdo a la dureza, que puede ser:

Formaciones BlandasPueden incluir formaciones como: lutita, margas, calizas, arenas poco consolidadas.Las barrenas de dientes de acero se caracterizan por dientes largos ampliamente espaciados. Los dientes penetran con facilidad las formaciones blandas, debido a su longitud y su esbeltez. El espaciamiento amplio va a evitar a que la broca se llene de recortes y pierda de esta manera la eficiencia de su estructura de corte.Estas brocas penetran las formaciones profundamente y las remueva en pedazos grandes.Formaciones mediasPueden incluir formaciones como: dolomitas, calizas duras, areniscas.Tienen los dientes más numerosos y menos espaciados. Estos dientes son necesarios para lograr penetrar las formaciones duras. Formaciones DurasFormaciones como: granito.Poseen dientes aún más cortos, numerosos y fuertes. Las penetraciones son mas lentas y el tamaño de los recortes son mas reducidos. Estas brocas perforan rompiendo la formación.

Barrena de insertos de Carburo de TungstenoEn estas brocas los dientes son de carburo de tungsteno insertados a presión en agujeros perforados para este propósito en los conos.La ventaja del trépano de carburo de tungsteno es que ellos son más duros. Ocurre muy poco desgaste comparado con un trépano de dientes de acero.Las barrenas con insertos con carburo de tungsteno fueron desarrolladas para formaciones extremadamente duras y abrasivas, pero también pueden emplearse para la perforación de formaciones duras, medias a blandas.

Formaciones blandasSe caracterizan por insertos blandos en forma de cincel.Los dientes son ampliamente espaciados, estas brocas operan a altas velocidades de rotación y elevados pesos sobre las brocasFormaciones medias y durasPoseen insertos más pequeños y con menos espaciamientos, los insertos son cónicos y robustos.

Diseño de las Barrenas de Rodillo

El diseño de las barrenas ya sea de acero o de insertos, está constituido de elementos como ser cojinetes, cojinetes de rodillo, cojinetes sellados, cojinetes de chumacera, también están provistos de cortadores de calibre y conductores para los fluidos de perforación.a). Cojinetes.- Son una parte integral de la barrena que permite que los conos

durante la perforación tengan un efecto de rotación.

b). Cortadores de calibre.- Los dientes de calibre utilizados para perforar las superficies de calibres cortantes de las barrenas con dientes de acero. Tienen una gran variedad de diseño. La superficie de calibre para las rocas más duras varía progresivamente entre los diseños de tipos T, tipo U y el tipo W, hace el diseño de tejidos según la dureza.

c). Conductos para fluidos de perforación.- Los conductores de perforación puede sustituir líquidos, agua o aceite. En todos los casos la función del fluido de perforación es de mantener limpios a los elementos cortantes de la barrena y desalojar los recortes de la formación y asegurar que los elementos cortantes trabajen siempre sobre las formaciones vírgenes

Desgaste del trépanoEl desgaste del trépano puede ocasionar problemas los cuales pueden ser los siguientes:

- Interferencia del cono - Erosión del cono - Deslizamiento del cono- Conos rajados- Desgaste fuera del centro- Deformación del núcleo central

La rotura de los insertos puede ser causada por el asentamiento o arrastre inadecuado del trépano. También si se usa un trépano que es demasiado blando para una formación blanda. También los insertos se rompe debido a las altas velocidades de las mesas rotarías usadas en formaciones mas duras.

- Los dientes rotos indican que el perforador utilizó el trépano equivocado para la formación que estaba siendo cortada.

- .- Se considera que un cortador está astillado cuando una parte sustancial permanece sobre el cono.

- El agrietamiento, la corrosión o la erosión de los conos pueden causar la pérdida de los insertos.

Entre las consecuencias acarreadas de un mal uso del trépano podemos tener:- Abrasión normal.- ocurre cuando los topes de los dientes se desgastan

uniformemente y se aplastan sobre el trepano.- Arrastre.- Ocurre habitualmente cuando se perfora una formación

plástica, una formación que se curva bajo esfuerzo sin romperse.- Redondeo del calibre.- El redondeo menor del calibre puede ocurrir

cuando se perfora una formación Abrasiva a altas velocidades de mesa rotaria.

- Desgaste de lo cojinetes.- Los cojinetes pueden fallar si el peso sobre el trepano es demasiado alto, si la velocidad de la mesa rotaria es demasiado rápida, si el trepano es usado para una formación demasiado dura.

Trépanos compactos (PDC Y TSP)

Otro tipo de barrenas llamadas de diamantes, por que su elemento cortante lo forman diamantes industriales incrustados en el cuerpo de la barrena.El diseño del cuerpo de la barrena así como la disposición y la configuración de las hileras de diamantes ofrecen una gran variedad de alternativas para perforar las diferentes clases de rocas.Durante los últimos años se viene experimentando y acumulando experiencias con la perforación con aire en ves de lodo esta nueva modalidad ha introducido cambios en el tipo de barrena requerida.a variedad de tipo de barrenas disponibles muestran el interés que los fabricantes mantiene para el diseño, la confección y utilización de barrenas de perforación representantes las mas acertadas tecnologías.

El diamante es 2.5 veces más fuerte que el carburo de tungsteno.

Barrenas de diamantesExisten dos tipos de trépanos de diamantes sintéticos que son usados hoy en día en la industria petrolera:

- El compacto de diamante policristalino (PDC).- El policristalino térmicamente estable (TSP).Trépanos de diamante natural

Un trépano de diamante es habitualmente un trepano de cabezal fijo o un trépano de corte. Es llamado trépano de corte debido a que corta a la roca rebanándola como un cuchillo en vez de estriar o astillar como un trépano de rodillo.

El trépano de diamante tiene tres partes principales, que son:- Los cortadores- La espiga- El cuerpo

Los perfiles básicos para los trépanos de diamante natural son de cono simple, cono doble, parabólico y cóncavos.

Cuerpo de Matriz Cuerpo de AceroBi-Céntrica

Diamante Natural Diamante Impregnado

Cono Nariz

Hombro

ODR

Calibre

Vértice

- Conos simples Tienen una nariz redondeada y coloca una carga más liviana en cada cortador para un desgaste parejo y una larga vida.

- Cono Doble Tiene una nariz afilada, que ataca agresivamente la formación para realizar un pozo inicial que es más pequeño que el diámetro final del pozo. Este flanco cónico rectifica el pozo al calibre, o al diámetro final. Es más probable que este perfil permanezca centrado en el pozo y de una penetración más rápida sin embargo los cortadores de cono doble se desgastan rápidamente.

- Parabólico Este trépano brinda un compromiso entre la penetración y la resistencia al desgaste. Es decir ambos la ROP y la resistencia al desgaste son ni lo mejor ni lo peor.

- Cóncavos Este diseño es plano y corto. Es habitualmente usado en pozos direccionales u horizontales.

La desventaja del diamante es que al calentarse mucho puede perder su dureza y graficarseLos conos de la barrena de diamantes tienen una variedad de configuración. Las tres más importantes son las de doble cono, de doble cono con modificación y de cono redondo. La configuración de los conos se emplea en las formaciones blandas, medias blanda.El tamaño de los diamantes y su disposición determina el uso de estas. Los diamantes se clasifican de acuerdo a sus quilates.Los dientes grandes de un cuarto a un quilate, con espaciamiento medio, se emplea en aquellas barrenas con utilidad más versátil, este tipo de barrena se emplea en toda clase de formaciones.Los diamantes pequeños de 1/8 a ¼ se emplean en formaciones duras dispuestas en patrones de menor espaciamiento.

Trépano de cortadores fijos Cuerpo de Acero

Trépano de cortadores fijos Cuerpo de Matriz

Trépanos de Mechas impregnadas o Adiamantados

Barrenas para uso especiales.Entre las barrenas especiales tenemos a las barrenas empleadoras, que son utilizadas con barrenas convencionales colocadas debajo de estas para perforar hoyos de diámetros pequeños. La barrena convencional abre el agujero y el abridor de hoyos la ensancha.También se fabrican barrenas de diamantes especiales las cuales combinan barrenas piloto con forros escariadores.

Trépano Ensanchador del Hueco

Barrena Plana