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)