universidad tecnolÓgica...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
ELECCIÓN DE BROCAS DE PERFORACIÓN EN POZOS
PETROLEROS DE ACUERDO A LAS CARACTERÍSTICAS DE
LAS FORMACIONES Y AL PERFIL DEL POZO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE TECNÓLOGO EN PETRÓLEOS
SANTIAGO GIOVANNI QUILCA GUALSAQUÍ
DIRECTOR: ING. RAÚL BALDEÓN LÓPEZ
QUITO NOVIEMBRE 2012
ii
Universidad Tecnológica Equinoccial. 2012
Reservados todos los derechos de reproducción
iii
DECLARACIÓN
Yo Santiago Quilca, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría;
que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se
incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
------------------------------------------------
Santiago Quilca
iv
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Santiago Quilca, bajo
mi dirección y supervisión.
---------------------------------------
Ing. Raúl Baldeón López
DIRECTOR DEL TRABAJO
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AGRADECIMIENTO
Agradezco a la Universidad Tecnológica Equinoccial y a todos los que la
conforman, por haberme dado la oportunidad de retomar mis estudios,
ayudándome de ésta manera a demostrarme que nunca es tarde cuando
uno quiere crecer en conocimientos.
Un agradecimiento muy profundo para mi amada esposa Silvia y para mis
dos maravillosos hijos Cristian y Kevin, por su sacrificio y comprensión
demostrada cuando el tiempo que era para ellos, yo les dedicaba a mis
estudios, a mis padres, hermanos y sobrinos gracias por todo ese apoyo
moral que nunca me falto.
Agradezco a todos los docentes que supieron sembrar en mí todos sus
conocimientos, los cuales los sabré cosechar y poner en práctica de la mejor
manera y en el momento indicado.
Mi sincero y especial agradecimiento al Ing. Raúl Baldeón, mi director de
tesis, por ser un excelente profesional y haberme entregado todo el
conocimiento y apoyo necesario para la elaboración y culminación de mi
tesis.
A todos gracias.
vi
DEDICATORIA
Dedico ésta tesis a Silvia Chalá mi amada esposa, que gracias a su apoyo y
a la confianza que depositó en mi, pude culminar con éxito mis estudios,
gracias por creer en mi y por incentivarme todos los días a seguir adelante.
Santiago Giovanni Quilca Gualsaquí
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
CARÁTULA..................................................................................................... i
DERECHOS………………………………………………………………..….…….ii
DECLARACIÓN............................................................................................. iii
CERTIFICACIÓN........................................................................................... iv
AGRADECIMIENTO....................................................................................... v
DEDICATORIA.............................................................................................. vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS........................................................................... vii
ÍNDICE DE TABLAS..................................................................................... ix
ÍDICE DE FIGURAS....................................................................................... x
ÍNDICE DE ANEXOS..................................................................................... xi
RESUMEN.....................................................................................................xii
SUMMARY………………………………………………………...……...………xiv
CAPÍTULO 1……............................................................................................1
1.1 La broca.....................................................................................1
1.2 Introducción...............................................................................2
1.3 El problema................................................................................3
1.4 Objetivos....................................................................................3
1.4.1 Objetivo general..............................................................3
1.4.2 Objetivo específico..........................................................3
1.5 Marco teórico.............................................................................4
CAPÍTULO 2..................................................................................................6
2.1 Clasificación de las brocas........................................................6
2.2 Brocas tricónicas.......................................................................6
2.2.1 Estructura de corte o conos............................................7
2.2.2 Cojinetes.........................................................................9
2.2.3 Cuerpo de las brocas....................................................11
El código IADC para brocas tricónicas...............................................12
Mecanismo de corte de las brocas tricónicas…………………..……...14
Cuerpo de Carburo de Tungsteno……………………………..………. 16
viii
PÁGINA
Cuerpo de acero……………………………………..…..………………..17
Clasificación de las Brocas y código IADC…..…………………………18
Evaluación del daño de una broca………………….…………………..20
CAPÍTULO 3.................................................................................................23
3.1 Brocas de cortadores fijos........................................................23
3.1.1 Componentes de la broca con cortadores PDC............26
3.1.1.1 Estructura de Corte de corte de una broca PDC....26
3.1.1.2 Cuerpo de una Broca con Cortadores PDC…........27
3.1.1.3 Espiga (Shank)........................................................28
3.1.2 Brocas Policristalinas “PDC Bits”...................................29
3.1.3 Brocas de Diamantes.....................................................30
3.1.4 Broca Corazonadora y Barriles......................................32
El Código IADC para Brocas PDC......................................................33
Clasificación de las brocas de diamante………………………………..34
Costo por pie perforado…………………………………………………..36
Brocas especiales………………………………………..………....…….37
CAPÍTULO 4.................................................................................................38
4.1 Factores para la selección de las brocas................................ 38
4.1.1 Factores importantes.................................................... 38
4.1.2 Factores que afectan su selección............................... 39
4.1.3 Factores que afectan su desgaste................................ 40
CAPÍTULO 5.................................................................................................41
5.1 Análisis del lo investigado…................................................... 41
5.1.1 Conclusiones................................................................ 41
5.1.2 Recomendaciones........................................................ 42
5.2 Bibliografía.............................................................................. 43
5.3 Anexos.................................................................................... 44
ix
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Código IADC para Brocas Tricónicas...................................... 16
Tabla 2. Código IADC para Brocas PDC............................................... 31
x
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Tipos de brocas.........................................................................5
Figura 2. Brocas Tricónicas.....................................................................10
Figura 3. La estructura de Cortes o Conos..............................................11
Figura 4. Cojinetes...................................................................................12
Figura 5. Vista Interna de un Cojinete.....................................................13
Figura 6. Partes del Sistema de Rodamiento..........................................13
Figura 7. Componentes de una Broca Tricónica.....................................14
Figura 8. Partes Internas de una Broca TC............................................15
Figura 9. Mecanismo de Corte de las Brocas Tricónicas........................17
Figura 10. Tipos de Brocas Tricónicas......................................................18
Figura 11. Dientes o Insertos de Perforación............................................18
Figura 12. Brocas PDC..............................................................................20
Figura 13. Partes de la Broca PDC...........................................................21
Figura 14. Secciones de la Broca PDC.....................................................21
Figura 15. Estructura de Corte de una Broca PDC...................................22
Figura 16. Componentes de una Broca PDC............................................23
Figura 17. Cuerpo de Carburo de Tungsteno............................................24
Figura 18. Cuerpo de Acero......................................................................24
Figura 19. Broca de Cortadores Fijos..............................................,.........25
Figura 20. Brocas Policristalinas...............................................................26
Figura 21. Partes del Carburo de Tungsteno............................................27
Figura 22. Tipos de Brocas de Diamante..................................................27
Figura 23. Broca Corazonadora................................................................29
Figura 24. Brocas Especiales...................................................................33
Figura 25. Optimización de Eficiencia de Corte........................................36
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
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ANEXO 1...................................................................................................... 44
Tipos de Brocas de Perforación
ANEXO 2...................................................................................................... 45
Diagrama de Tipos de Brocas
ANEXO 3.......................................................................................................46
Brocas de cortadores fijos
ANEXO 4.......................................................................................................47
Cortadores PDC
ANEXO 5.......................................................................................................48
Tipos de Desgaste de Cortadores PDC
ANEXO 6.…………………….………...………………………………………….49
Brocas Tricónicas
ANEXO 7……………………………………………………..……………………50
Partes de las brocas tricónicas
ANEXO 8…………………………………………………………………………..51
Brocas Tricónicas luego de ser Usadas
ANEXO 9………………………………………………………………..…………52
Presentación de Diferentes Brocas de Perforación
ANEXO 10………………………………………………….………………..…….53
Herramientas
xii
RESUMEN
La única manera de saber realmente si hay petróleo en el sitio donde la
investigación geológica propone que se podría localizar un depósito de
hidrocarburos, es mediante la perforación de un pozo.
El petróleo se halla a gran profundidad, generalmente a 3000 o 4000 metros,
aunque existen pozos de 5000 o 6000 metros de profundidad, de acuerdo
con la profundidad proyectada del pozo, las formaciones que se van a
atravesar y las condiciones propias del subsuelo, se selecciona el equipo de
perforación más indicado.
La mayoría de los pozos petroleros se perforan con el método rotatorio. En
este tipo de perforación rotatoria, una torre sostiene la cadena de
perforación, formada por una serie de tubos acoplados. La cadena se hace
girar uniéndola al banco giratorio situado en el suelo de la torre. La broca de
perforación situada al final de la cadena suele estar formada por tres ruedas
cónicas con dientes de acero endurecido.
Para la perforación de pozos petroleros se utilizan muchos tipos de brocas,
las cuales varían de acuerdo a su conformación y contextura según el tipo
de roca que deben atravesar.
La broca es la herramienta de corte que permite perforar. Es y ha sido
permanentemente modificado a lo largo del tiempo a fin de obtener la
geometría y el material adecuados para vencer a las distintas y complejas
formaciones del terreno que se interponen entre la superficie y los
hidrocarburos (arenas, arcillas, yesos, calizas, basaltos),
El siguiente estudio se ha desarrollado en base a un programa que nos
hable de las brocas que se requieren para la perforación direccional,
tomando en cuenta que se deben seleccionar los tipos de brocas que se
xiii
utilizan con respecto a las características de las formaciones y al perfil del
pozo.
Se revisó los fundamentos teóricos de las brocas, con el objeto de conocer
más a fondo sus características y aplicaciones para realizar un uso correcto
de ellas, mejorando su rendimiento y así obtener un mejor programa para la
perforación del pozo.
xiv
SUMMARY
The only way to really know if there is oil at the site of geological research
suggests that one could locate a hydrocarbon reservoir is by drilling a well.
Oil is found deep underground, usually at 3000 or 4000 meters, although
there are wells 5000 to 6000 meters deep, according to the projected depth
of the well, the training will be through and the conditions of the subsoil,
select the most suitable rig.
Most oil wells are drilled with rotary method. In this type of rotary drilling, a
tower supporting the drill string, comprising a series of tubes coupled. The
string is rotated rotary uniting the bank located on the floor of the tower. The
drill bit at the end of the chain is usually made by three bevel gears with teeth
of hardened steel.
Drilling for oil is used by many types of bits, which vary according to their
shape and texture depending on the type of rock that must traverse.
The drill is cutting tool which allows drilling. It is and has been continually
modified over time to obtain the geometry and material suitable to overcome
the various and complex landforms that stand between the surface and
mineral oils (sand, clay, gypsum, limestone, basalt)
The following study was developed based on a program that we talk about
the bits that are required for directional drilling, taking into account that must
select the types of bits that are used with respect to the characteristics of the
formations and views the well.
We reviewed the theoretical foundations of the drills, in order to better
understand their characteristics and applications to make good use of them,
improving their performance and get a better program for drilling the well.
1
CAPÍTULO 1
2
CAPÍTULO 1
1.1. La Broca.
Es una herramienta de corte, la cual se utiliza para triturar y cortar las
formaciones del subsuelo durante el proceso de perforación rotaría, se
encuentra localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación y su
función es perforar los estratos de la roca mediante el vencimiento de su
esfuerzo de compresión y de la rotación de la broca.
En la actualidad existen varios tipos de brocas para la perforación de
pozos petroleros que difieren entre sí, ya sea en su estructura de corte o
por su sistema de rodamiento, como se demuestra en la figura 1, por
ejemplo, cuando son de tres conos o por los materiales usados en su
construcción. De acuerdo con lo anterior, las brocas se clasifican en:
Brocas tricónicas, Broca de cortadores fijos y Brocas especiales.
Brocas Tricónicas Brocas de Cortadores Fijos
Brocas Especiales
Figura 1. Tipos de Brocas de perforación
3
1.2. Introducción
El petróleo se encuentra acumulado en el subsuelo en estructuras
geológicas denominadas trampas, dentro de éstas, los hidrocarburos
están contenidos en una roca porosa (o con espacios porosos) que se
llama roca yacimiento.
La trampa de hidrocarburos es una condición geológica de las rocas del
subsuelo que permite la acumulación del petróleo o del gas natural. Las
trampas pueden ser de origen estructural (pliegues y fallas) o
estratigráfico (lentes, acuñamiento de rocas porosas contra rocas no
porosas denominadas rocas sello).
La tecnología en las operaciones de perforación de pozos petroleros
cada día es más avanzada, y es nuestra obligación es estar al tanto de
estos avances.
La broca, en todos los sistemas de perforación implementados en el
mundo, es una herramienta muy necesaria y ha jugado un papel muy
importante desde los inicios de la historia de la perforación,
evolucionando en cuanto a sus avances de diseño, tamaños, materiales
de construcción etc.
El método rotatorio de perforación de un pozo implica necesariamente el
empleo de una broca, su correcta selección y las condiciones óptimas de
operación son dos premisas esenciales para lograr éxito en el proceso.
En la actualidad existe gran variedad de brocas fabricadas por varias
compañías para diferentes tipos de trabajo. Por ello, se debe examinar
adecuadamente las condiciones de la formación que se pretende
perforar y el equipo disponible.
Este estudio muestra los fundamentos del diseño de un programa de
brocas que el ingeniero en perforación debe dominar, con el fin de
entender los requerimientos y procedimientos operativos, para lograr
una adecuada selección del plan de brocas.
4
1.3. El problema
La inadecuada producción de una broca en un suelo no apto para la
misma, ocasiona problemas y demora en la producción, por lo que se
debe elegir una broca de acuerdo a la producción y perfil del pozo.
La producción diaria de pozos de perforación puede verse afectada por
diversas producción, entre las cuales se encuentran las ocasionadas por
usar brocas que no corresponden al tipo de suelo del pozo, provocando
pérdidas en la producción por la para del pozo.
Perdidas como estas deben ser minimizadas al máximo para lo cual se
realiza este estudio.
1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo General
Describir la variedad de brocas existentes que se usan en la perforación
de pozos petroleros, para determinar así, cual es la que se debe usar en
el momento adecuado.
1.4.2. Objetivo Específico
a) Demostrar que una adecuada selección de la broca es el paso más
importante en el proceso de optimización.
b) Forma de excavar y su desgaste.
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1.5. Marco Teórico
En los primeros años de la perforación rotatoria, el tipo común de brocas
fue de arrastre, fricción o aletas, compuesta por dos o tres aletas. La
base afilada de las aletas, hechas de acero duro, se reforzaba con
aleaciones metálicas más resistentes para darle mayor durabilidad.
Algunos tipos eran aletas reemplazables.
Este tipo de broca se comportaba bien en estratos blandos y semiduros,
pero en estratos duros el avance de la perforación era muy lento o casi
imposible.
El filo de la aleta o cuchilla se tornaba romo rápidamente por el continuo
girar sobre roca dura, no obstante el peso que se le impusiese a la broca
para lograr que penetrara el estrato.
Al surgir la idea de obtener una muestra cilíndrica larga (núcleo) de las
formaciones geológicas, la broca de aleta fue rediseñada integrándole un
cilindro de menor diámetro, concéntrico con el diámetro mayor de la
broca. Así que durante la perforación la desmenuza una superficie
circular creada por la diferencia entre los dos diámetros y el núcleo, de
diámetro igual al del cilindro interno de la broca, se va cortando a medida
que la broca corta-núcleo avanza.
A partir de 1909 la broca de conos giratorios hizo su aparición. Este
nuevo tipo de broca gano aceptación muy pronto y hasta ahora es el tipo
más utilizado para perforar rocas, desde blandas hasta las duras y muy
duras.
Las brocas se fabrican de dos, tres o cuatro conos. A través de la
experiencia acumulada durante todos estos años, el diseño, la
disposición y características de los dientes integrales o los de forma
esférica, semiesférica o botón incrustado, tienden a que su durabilidad
para cortar el mayor volumen posible de roca, se traduzca en la
6
economía que representa mantener activa la broca en el hoyo durante el
mayor tiempo posible.
Cada cono rota alrededor de un eje fijo que tiene que ser muy fuerte
para que cada cono soporte el peso que se le impone a la broca y pueda
morder bien la roca para desmenuzarla.
Por lo tanto, el encaje del cono debe ser muy seguro para evitar que el
cono se desprenda. El movimiento rotatorio eficaz del cono se debe al
conjunto de rolineras internas empotradas alrededor del eje, las cuales
por lubricación adecuadamente hermética mantienen su deslizamiento.
Además, la disposición, el diámetro y las características de los orificios o
boquillas fijas o reemplazables por donde sale el lodo a través de la
barrena, han sido objeto de modificaciones técnicas para lograr mayor
eficacia hidráulica, tanto para mantener la broca en mejor estado físico
como para mantener el fondo del hoyo libre de ripios que produce el
avance de la broca.
Poca gente tiene un buen entendimiento de las propiedades de las
formaciones que van a perforar y no realizan análisis de muestras de
pozos vecinos para establecer las propiedades de las formaciones.
Por los detalles mencionados se apreciara que la fabricación de brocas
requiere la utilización de aceros duros y aleaciones especiales que
respondan a las fuerzas de desgaste que imponen a las diferentes partes
de la broca, la rotación y el peso, la fricción, el calor y la abrasión.
7
CAPÍTULO 2
8
CAPÍTULO 2
2.1. Clasificación de las brocas
Dentro de la gran gama de brocas utilizadas en la industria petrolera
podemos mencionar:
Brocas Tricónicas.
Brocas compactas (PDC).
Brocas especialmente diseñadas para corazonar.
En este texto vamos a tratar de ampliar un poco lo que es esta gran
gama de brocas de perforación y en qué tipos de formación son más
utilizadas cada una de ellas.
2.2. Brocas Tricónicas
La patente de las brocas tricónicas datan de antes de 1866, sin embargo,
solamente tres fueron emitidas antes del descubrimiento del yacimiento
de Spindletop cerca de Beaumont, Texas en 1901, aquí se hicieron
evidentes las ventajas del proceso rotario de perforación, su aceptación
se debe a que son universales y tienen gran versatilidad y buenos
resultados en la perforación de pozos petroleros.
Las brocas tricónicas están formadas por tres conos cortadores que giran
sobre su propio eje, como se demuestra en la figura 2.
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Figura 2. Brocas Tricónicas
Varían de acuerdo con la estructura de corte, pueden tener dientes de
acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno y cambiar en
función de su sistema de rodamiento.
Los principales componentes de las brocas tricónicas de rodamiento son:
La estructura de corte o cortadores.
Cojinetes.
Cuerpo de la broca.
2.2.1. La Estructura de Corte o Cortadores.
Las brocas tricónicas emplean dos tipos de cortadores:
Dientes de Acero.- 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 apropiadamente pueden
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perforar por varias horas y se diseñan para trabajar en formaciones
blandas, medias y duras.
Dientes con Insertos de Carburo de Tungsteno.- En estas brocas el
fabricante introduce insertos duros de Carburo de Tungsteno aplicando
presión en huecos perforados en el cono de la broca. 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. Este tipo perfora desde
formaciones blandas, medianas, hasta muy duras.
En general, la estructura de corte está montada sobre los cojinetes, que
rotan sobre pernos y constituyen una parte fundamental del cuerpo de la
broca, como se aprecia en la figura 3.
Figura 3. Estructura de Corte de una
Broca tricónica
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2.2.2. Cojinetes
Permiten a los conos girar alrededor del cuerpo de la broca como se
observa en la figura 4.
Se clasifican en dos tipos principales:
Cojinetes de bolas y rodillos: posicionados de tal forma que soporten
la carga radial.
Cojinete a fricción (journal): es un perno sólido unido a la superficie
interna del cono que se convierte en el principal elemento del cojinete
que soporta la carga radial, son los más usados en estos días por
desarrollar una vida más prolongada.
Figura 4. Cojinetes de bolas y de fricción
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Figura 5. Vista Interna de los cojinetes.
Figura 6. Partes del Sistema de Rodamiento.
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2.2.3. Cuerpo de una Broca
Uno de los propósitos del cuerpo de la broca es dirigir el fluido de
perforación para lograr una limpieza más efectiva en el fondo del pozo.
Anteriormente, los orificios en el cuerpo estaban ubicados para dirigir el
fluido de perforación de forma tal que limpiaban los conos de la broca.
En la actualidad, la mayoría de las brocas son del tipo a chorro, donde el
fluido apunta hacia el fondo del pozo.
El Cuerpo de una Broca Tricónica está compuesto por las siguientes
partes externas como lo demuestra la figura 7.
Una conexión roscada (piñón) que une la broca con la tubería de
perforación.
Tres ejes (muñón) del cojinete en donde van montados los conos.
Tres conos.
Los depósitos que contienen el lubricante para los cojines.
Los orificios (toberas) a través de los cuales el fluido de perforación fluye
para limpiar del fondo el recorte que perfora la barrena.
Cortadores (dientes o insertos).
Hombro de la barrena.
Figura 7. Partes Externas de una Broca tricónica
14
Figura 8. Partes Internas de una Broca
El Código IADC para Brocas Tricónicas
La Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) ha
desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las brocas
tricónicas y evitar que exista confusión entre los tipos de brocas
equivalentes en relación con los distintos fabricantes.
Para este propósito se creó el sistema (código IADC) de clasificación de
tres dígitos, que se explica en la siguiente tabla:
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Tabla 1. Código IADC para brocas tricónicas
16
Las Brocas Tricónicas están diseñadas para una amplia variedad de
aplicaciones, pueden perforar formaciones muy duras, muy abrasivas,
blandas, plásticas, pegajosas y cualquier combinación de estas
aplicando distintos parámetros operativos como se demuestra en la
figura 9.
Mecanismo de Corte de las Brocas Tricónicas
La broca Tricónica perfora la roca por compresión (trituración). Cuando
se tritura la formación, se ejerce una carga perpendicular a la roca dando
lugar a una serie de fracturas que se propagan radialmente desde el
punto de contacto hacia el radio del hueco.
Figura 9. Mecanismo de Trituración
Es muy importante anotar que la correcta selección del diámetro de las
boquillas o jets juega un papel muy importante en la perforación como se
observa en la figura 10, pues esto no genera una energía adicional al
realizar la operación.
17
Figura 10. Jet o Boquilla usadas para la Perforación
Teniendo en cuenta que no todas las formaciones a perforar tienen la
misma litología y características de compactación, dureza, etc., se
diseñaron las brocas con insertos de carburo de tungsteno, como ya
sabemos este material es más resistente a la abrasión y desgaste que
pueden generar dichas formaciones.
Figura 11. Tipos de Brocas Tricónicas.
18
Cuerpo de Carburo de Tungsteno
Consiste de una matriz hecha a partir de carburo de tungsteno en polvo, con
una aleación de níquel-cobre que actúa como aglutinante, como se representa
en la figura 12.
La matriz protege y soporta los cortadores y define la dirección en que circulan
los fluidos (incluyendo los conductos interiores) y las áreas de los canales de
limpieza.
Figura 12. Cuerpo de Carburo de Tungsteno
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Cuerpo de Acero
El material es un acero de alta aleación, que provee buena resistencia y
elasticidad como se observa en la figura 13.
Al finalizar el proceso de fabricación, la corona se suelda a la espiga y
simultáneamente los cortadores se adhieren a la broca mediante soldadura.
Dado que el acero ofrece resistencia a la abrasión y a la erosión mucho menor
que la matriz de carburo de tungsteno, es necesario aplicar material duro
(hardfacing) en zonas críticas del cuerpo, con el fin de prolongar su vida útil.
Figura 13. Cuerpo de Acero
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Con el fin de observar un poco más en detalle la posición que adoptan
los dientes o insertos en la operación de perforación y la función que
desempeñan se presenta la figura 14.
Figura 14. Dientes o Insertos
Clasificación de las Brocas y código IADC.
Un sistema de clasificación para brocas de conos de acuerdo al tipo de
dientes sean éstos de acero o insertos de carburo de tungsteno, el tipo
de formación a ser perforado y las características mecánicas de las
brocas, fue desarrollado por la Asociación Internacional de Contratistas
de Perforación IADC.
De acuerdo a un código alfa numérico con una serie de tres dígitos, las
brocas pueden ser clasificadas de la siguiente manera.
El primer dígito va de 1 a 8 y dentro de éste rango la serie 1,2 y 3 son
reservados para brocas de dientes de acero en formaciones suaves,
medias y duras.
Las series del 4 al 8 son para brocas de insertos en formaciones suaves,
medias, duras y extremadamente duras.
21
El segundo dígito corresponde a una sub-clasificación de las series y va
de 1 hasta 4, lo cual permite una mejor caracterización de las
formaciones a ser perforadas.
El tercer dígito va desde la columna 1 hasta la 9, donde, desde la
columna 1 hasta la 7 corresponde a características específicas de las
brocas en cuanto al tipo de cojinetes, protección al calibre, etc. Las
columnas 8 y 9 han sido removidas y reservadas para el desarrollo de
futuras brocas.
Por ejemplo, una broca de dientes de acero ATJ-4 de la compañía
HUGHES CHRISTENSEN corresponde a una broca 216 dentro del
código IADC, por otra parte una broca de insertos de carburo de
tungsteno S53A de la compañía REED, corresponde al código IADC 535.
El código IADC permite estandarizar las brocas de todos los fabricantes,
dependiendo de su aplicación. Se puede ver en el selector de broca en la
siguiente tabla.
Tabla 2. Ejemplo de Selector de Brocas
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Evaluación del daño de una broca
La IADC estableció un código de evaluación del daño ocurrido a una broca
después de haber operado por un tiempo determinado en el hueco.
Toda broca debe ser evaluada después de ser sacada de un pozo,
independientemente de su condición, puesto que podría decidirse correrla
nuevamente.
Los casilleros para la evaluación de la broca están distribuidos de la siguiente
manera:
4 casilleros para los cortadores
1 casillero para los cojinetes
1 casillero para el calibre de la broca
1 casillero para el desgaste secundario de los cortadores y
1 casillero para expresar la razón por la que fue sacada la broca.
El desgaste de los dientes internos y externos es evaluado de 0 a 8, donde 0
quiere decir que no tiene desgaste y 8 es desgaste total, llenando en los
casilleros 1 y 2 respectivamente.
El tercer casillero es para especificar la característica del desgaste
El cuarto casillero es para definir su ubicación
El quinto casillero permite calificar la condición de los cojinetes ya sean sellados
o no
En el sexto casillero se debe colocar la evaluación del calibre de la broca en
dieciseisavos de pulgada, se debe disponer del anillo de calibración
correspondiente para evaluar el desgaste.
El séptimo casillero permite especificar un desgaste secundario.
El octavo casillero es para indicar la razón por la cual la broca fue sacada del
pozo.
Los siguientes casos representan ejemplos de brocas que estuvieron
perforando y fueron sacadas del pozo para luego ser evaluadas de acuerdo a
su condición como lo demuestra las figuras 15,16 y 17.
23
Figura 15. Desgaste 1 ( 7, 1, BT, M, E, I, WT, PR )
Figura 16. Desgaste 2 ( 7, 1, BT, M, E, I, WT, PR )
24
Figura 17. Desgaste 3 ( 0, 0, NO, A, E, I, LN, PP )
25
CAPÍTULO 3
26
CAPÍTULO 3
3.1. Brocas de Diamante.
Dos tipos de brocas de diamante son usadas para aplicaciones especiales
donde su acción de raspado es más eficiente como se observa en la figura 18.
La de cortadores fijos PDC, que usa cortadores compactos de diamante
policristalino, mientras que el otro tipo usa cortadores de diamante natural
embebidos en una matriz que cubre la cabeza de la broca.
Figura 18. Brocas de Diamante.
Las brocas PDC pertenecen al conjunto de brocas de diamante con cuerpo
sólido y cortadores fijos, estas brocas son fabricadas con diamante natural o
sintético. Los cortadores se diseñan y fabrican en forma de pastillas (compactas
de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la broca, las brocas
27
de diamante tienen un diseño muy elemental y a diferencia de las tricónicas,
carecen de partes móviles como lo vemos en la figura 19.
Están construidas de acuerdo a las características de sus fabricantes, el
cuerpo fijo puede ser de acero, de carburo de tungsteno o combinación de
ambos, la dureza extrema y la alta conductividad térmica del diamante lo hacen
un material con alta resistencia para perforar en formaciones duras a semiduras
y en algunos casos hasta en formaciones suaves.
Por su diseño hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo
moneda, actualmente este tipo de broca es la más usada para la perforación de
pozos petroleros.
También presenta ventajas económicas por ser reutilizables. Una desventaja
son los problemas de acuñamiento en formaciones poco consolidadas y en
pozos en donde se debe repasar el agujero debido a constantes derrumbes de
la formación, situación que contribuye a que sean atrapadas más fácilmente
que una tricónica.
Figura 19. Vista de una Broca de Cortadores Fijos PDC.
28
Figura 20. Partes de la Broca de Cortadores Fijos.
Figura 21. Secciones de una Broca de Cortadores fijos.
29
3.1.1. Componentes de la Broca con Cortadores PDC
La estructura de una broca de diamante se compone de tres partes: la
estructura de corte, el cuerpo (también denominado corona) y la espiga (shank).
Todas las brocas de diamante poseen esencialmente los mismos componentes
pero distintos elementos de corte y sistemas hidráulicos.
Las brocas de diamante no usan toberas de lodos para circular el fluido de
control para aprovechar su hidráulica, están diseñadas de tal manera que el
fluido de perforación pueda pasar a través del centro de la misma, alrededor de
la cara de la broca y entre los diamantes por unos canales llamados vías de
agua o de circulación.
3.1.1.1. Estructura de Corte de una broca PDC
La estructura de corte de una broca PDC está constituida por diamantes
sintéticos. El tipo de elemento de corte depende de la formación en la que se
trabajará.
Cortadores PDC: Un cortador PDC consiste de una serie de diamantes
sintéticos unidos a una base de carburo de tungsteno. Los cortadores PDC se
sueldan a la broca después de haberse unido al cuerpo y su principal objetivo
es obtener un cortador de mayor duración y más resistente al desgaste.
Figura 22. Cortadores PDC.
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3.1.1.2. Cuerpo de una Broca con Cortadores PDC
Puede estar fabricado de acero o de carburo de tungsteno y sus partes se
reflejan en la figura 23 y consta de:
Una conexión roscada (piñón) que une la broca con una doble caja del mismo
diámetro de las otras brocas.
Numerosos elementos de corte policristalino (cortadores).
Aletas (en algunos modelos).
Los orificios (toberas) a través de los cuales el fluido de perforación fluye para
limpiar del fondo el recorte que perfora la broca.
Hombro de broca.
Figura 23.- Componentes de una Broca PDC.
31
3.1.1.3. Espiga (Shank)
Es la que vincula la broca con la sarta de perforación y está representada en la
figura 24, se fabrica con acero de alto porcentaje de aleación tratado
térmicamente.
Figura 24. Representación de una Espiga
A las brocas de cortadores fijos también se conocen como brocas de cabeza
fija, éstas tienen cortadores, pero los fabricantes los embeben en la cabeza de
la broca, la cual solo se mueve cuando la broca rota, no tiene partes móviles,
vienen en varios tamaños que van desde 2 o 3 pulgadas (50 – 75 mm) hasta
más de 36 pulgadas (1 m).
Tenemos tres tipos de brocas con cortadores fijos y son:
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a) Brocas Policristalinas de Diamantes Compactos (PDC)
b) Brocas de Diamante.
c) Brocas Corazonadora.
3.1.2. Brocas Policristalinas “PDC Bits”.
La broca PDC tiene cortadores hechos de diamantes artificiales y de Carburo
de Tungsteno como se observa en la figura 25.
Cada cortador hecho de diamante y Carburo de Tungsteno se conoce como
compacto. Los fabricantes colocan los compactos en la cabeza de la broca.
A medida que la broca rota sobre la roca, los compactos cortan la formación.
Figura 25. Brocas Policristalinas
Las brocas PDC son bastante costosas, sin embargo, cuando se usan
apropiadamente, pueden perforar en formaciones blandas, medianamente
duras o duras por varias horas y sin fallar.
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Compacto de PDC – “PDC Compact”.
La capa de un compacto de PDC es muy fuerte y bastante resistente al
desgaste, un ejemplo se puede apreciar en la figura 26.
Los fabricantes adhieren los cristales de diamante al inserto de Carburo de
Tungsteno a altas presiones y elevadas temperaturas.
Fig. 26.- Capa de un compacto de PDC.
La parte de Carburo de Tungsteno le da al compacto de PDC alta resistencia al
impacto, reforzando las propiedades de resistencia al desgaste de los
cortadores.
3.1.3. Brocas de Diamantes
Los fabricantes hacen las brocas de diamantes a partir de diamantes
industriales como se demuestra en la figura 27.
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Los diamantes son los cortadores de la broca.
Figura 27. Brocas de Diamantes
Los diamantes son una de las sustancias más duras conocidas; algunos tipos
de diamantes son:
a) Regular.
b) Premium.
c) Octahedron
d) Carbonato
e) Magnífico “Magnific”.
La broca de diamantes rompe la formación comprimiéndola, cortándola o
rapándola, el diamante actúa como una lija, desgastando la formación.
35
Los fabricantes embeben el diamante en la matriz de metal que conforma la
cabeza de la broca. Las brocas de diamantes son costosas, sin embargo,
cuando se usan adecuadamente, pueden perforar por muchas horas sin fallar.
3.1.4. Broca Corazonadora y Barriles.
Los miembros de la cuadrilla corren una broca corazonadora y un barril cuando
el geólogo necesita un corazón de la formación que está siendo perforada.
Normalmente una broca corazonadora es una broca de cortadores fijos de PDC
o de diamante, como se demuestra en la figura 28.
Tiene un hueco en el medio. Esta abertura permite que la broca obtenga el
corazón. Los diamantes y PCS se encuentran alrededor de la abertura y a los
lados de la broca.
Figura 28. Broca Corazonadora
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El Código IADC para Brocas PDC
Similar que para las brocas tricónicas existe un código IADC para las brocas
PDC, el cual se muestra a continuación en la tabla 3.
Tabla 3.- Código IADC para Brocas PDC
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Clasificación de las brocas de Diamante (Cortadores Fijos)
El código IADC de 4 caracteres para brocas de diamante se viene usando
desde 1987.
El primer caracter es una letra para describir el tipo de cortador y el material
del cuerpo.
El segundo caracter detalla el perfil de la selección transversal de la broca, es
el modelo del fondo de la broca referida a los cortadores.
Nueve perfiles básicos son definidos numéricamente basados en dos
parámetros del perfil; altura del calibre y concavidad interna (altura del cono).
El tercer caracter describe el diseño hidráulico de la broca, es definido
numéricamente asó como el caracter de perfil de la broca.
El cuarto caracter denota el tamaño y densidad de ubicación de los cortadores,
una matriz numérica 3x3 es usada para éste propósito.
Una consideración importante es la selección del tamaño de la broca, puede
ser corrida dentro de un casing para perforar los accesorios de cementación
usados en el casing (tapones, válvula flotadora, zapato guía, etc.) y luego
continuar con la siguiente sección del pozo.
El siguiente cuadro presentado en la tabla 4, puede ser usado como guía para
tal propósito.
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Tabla 4.- Dimensiones de las brocas.
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Costo por pie perforado.
No siempre la broca más rápida resulta ser la más económica, ni tampoco la
broca que permanezca más tiempo en el hueco, ante ésta situación, no es fácil
decidir cual será la próxima broca para perforar el siguiente pozo, sin embargo,
usando la ecuación de costo por pie perforado, es posible realizar un mejor
análisis y posiblemente decidir cuál es la broca más conveniente.
Donde:
C = Costo por pie perforado ( US $/Pie )
B = Costo de la broca ( US $ )
R = Costo de operación del taladro ( US $ /Hr )
T = Tiempo de perforación o rotación ( Hr )
t = Tiempo de viaje redondo ( Hr )
F = Piesaje ( Pie )
Es importante aclarar que ésta ecuación puede ser aplicada para establecer si
un set de brocas tricónicas que perforó una determinada sección sería
económicamente más conveniente que una broca PDC para perforar la misma
sección.
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Brocas Especiales
Son brocas que como su nombre lo indica, se usan para operaciones muy
específicas y por tanto, no se considera su análisis económico comparativo
para su aplicación directa.
Dentro de las brocas especiales tenemos:
Brocas Desviadoras
Brocas Monocónicas y
Brocas Especiales
Las brocas de chorro desviadoras a veces se emplean para la perforación
direccional de formaciones blandas durante operaciones de desviación del
agujero. La tubería de perforación y la broca especial son bajadas dentro del
agujero, y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión
de las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en una dirección
específica.
Una broca considerada para trabajar en condiciones especiales es la barrena
para perforar con aire. Las brocas de chorro de aire están diseñadas para la
perforación con aire, gas o neblina, como medio de circulación. Estas brocas
están provistas de conductos para circular parte de aire, gas o neblina a través
de los cojinetes no-sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios. Los
filtros de tela metálicos colocados sobre la abertura de la entrada de aire, evitan
que los ripios u otras materias extrañas obstruyan a los cojinetes.
Existen también las brocas especiales ampliadoras, las brocas para cortar
tuberías de revestimiento, las brocas para perforar diámetros demasiado
grandes o demasiado pequeños con aplicación de tubería flexible.
41
CAPÍTULO 4
42
CAPÍTULO 4
4.1. Factores para la selección de las brocas.
Entre los factores que se deben tomar en cuenta para la selección de brocas
tenemos:
Factores importantes
Factores que afectan su selección y
Factores que afectan su desgaste.
4.1.1. Factores importantes
Todos los factores son importantes, pero destacaremos algunos:
Rendimiento de la broca.- Perforar la mayor cantidad de metros en un tiempo
de rotación aceptable es uno de los principales objetivos de los técnicos, es
decir perforar un pozo en el menor tiempo posible.
Longitud de la sección a perforar.
Dureza y Abrasividad de la formación.
Litología.- La información geológica es lo primero que se necesita para poder
seleccionar adecuadamente una broca, tipo de roca, homogeneidad, dureza.
Objetivos de la perforación direccional.
Sistema de rotación.
Tipo de fluido de perforación
Trayectoria del pozo.- Las brocas de diamante en una perforación horizontal
tienen ventaja a las tricónicas por su gran alcance y poder perforar
horizontalmente.
Economía.- Es muy importante el factor económico en la selección de brocas.
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4.1.2. Factores que afectan su selección.
Perfil de la broca.- Afecta la capacidad de dirigir las brocas PDC, no tomar en
cuanta éste perfil puede incluir consecuencias como la reducción de la vida de
la broca debido a la menor remoción de elementos y una limpieza pobre debido
a una inadecuada configuración de la hidráulica. La capacidad hidráulica, el
ensamblaje de fondo y la evaluación de formaciones tienen un rol importante en
la elección del mejor perfil de la broca.
Eficiencia de corte.- Los especialistas de servicio optimizan la eficiencia de
corte para una aplicación direccional específica y para maximizar las ratas de
penetración a través del mejoramiento del control direccional de la broca y ante
los problemas que se presentan, ellos usan las configuraciones de corte trac –
set y single – set como se observa en la figura 29, para optimizar la estabilidad,
la capacidad de dirección y el desempeño.
Figura 29. Optimización de Eficiencia de Corte
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Fuerza de balance.- La estabilidad de la broca es un factor clave en el logro de
un desempeño aceptable y de las expectativas de dirección, la calidad del pozo
es también importante para ver cómo reacciona la broca para alcanzar los
resultados deseados.
4.1.3. Factores que afectan su desgaste
Dentro de los factores que afectan su desgaste podemos mencionar los
siguientes:
Factor geológico.- Considerado el factor más importante para la selección de
una broca, ya que conociendo la composición y la dureza de la roca, se puede
determinar los materiales abrasivos de la misma y que son la causa del
desgaste prematuro de la broca.
Factor operativo.- Se puede considerar dos factores.
Peso sobre la broca.- Los cortadores de las brocas se van desgastando
conforme se va perforando, por lo que se necesita de más peso sobre la broca
para que su desgaste no sea prematuro.
Limpieza del fondo del pozo.- Al mantener una limpieza continua en el fondo
del pozo, se evita el embolamiento de la broca y a la vez un desgaste por
exceso de temperatura.
45
CAPÍTULO 5
46
CAPÍTULO 5
5.1. Análisis del lo investigado
Realizado el análisis respectivo de todo lo investigado se llega a:
5.1.1. Conclusiones
Para perforar un pozo, la información que se puede obtener de los pozos es:
litología, parámetros operacionales, registros geofísicos, entre otros; es de vital
importancia para diseñar el programa de brocas más óptimo.
El conglomerado superficial (zona de cantos rodados) se debe perforar
triturándolo, mediante el uso de brocas tricónicas de dientes de acero.
La selección del tipo de broca se facilita conociendo la litología a perforar y
características, tales como dureza, abrasión y composición permitirán
establecer la estructura de corte más adecuada.
El peso del lodo es la propiedad del fluido de perforación más influyente en el
comportamiento hidráulico de las brocas, no se debe perforar con pesos
elevados de lodo, a excepciones estrictamente necesarias, ya que pesos altos
disminuyen la tasa de penetración.
Un alto torque indica que la broca probablemente tenga algún daño en su
estructura de corte o la inclinación del pozo está cambiando, se debe hacer
una revisión de todas las herramientas usadas en el BHA, principalmente los
estabilizadores, los cuales podrían estar generando dicho torque.
Para que la estructura de corte se mantenga perforando a una óptima ROP se
debe aplicar peso sobre la broca antes que aumentar la velocidad rotaria, tanto
para la tricónica como la PDC, logrando además estabilizar la broca y evitar
remolino.
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5.1.2. Recomendaciones
Para atravesar Lutitas (shales) suaves y limpias se debe aumentar la velocidad
de rotación (RPM) y disminuir el peso sobre la broca (WOB) con el fin de
mejorar la tasa de penetración (ROP). No se recomienda trabajar con HSI
mayores a 3 debido a que los mismos pueden ocasionar su derrumbe y
posteriores problemas en la perforación.
Para perforar calizas (limestone) duras se recomienda incrementar el peso
sobre la broca (WOB) y disminuir la velocidad de rotación (RPM) para permitir
que los cortadores cizallen de mejor manera la formación. Se debe tener en
cuenta que debido a la dureza de estas formaciones las ROP que se obtienen
normalmente no son altas (menores a 50 ft/hr).
Para maximizar la tasa de penetración (ROP) en areniscas (sandstone) duras
se debe aumentar el peso sobre la broca (WOB) y disminuir la velocidad de
rotación (RPM); de esta manera se asegura reducir el desgaste de los
cortadores por abrasión y continuar con una buena estructura de corte en toda
la sección de arenisca y en los estratos siguientes.
Debido a su comprobada resistencia y eficiencia para la perforación del
Conglomerado de Tiyuyacu (estrato chertoso) se aconseja mantener el uso de
una broca de insertos estableciendo los topes precisos a fin de perforar con
seguridad dentro del intervalo y optimizar los parámetros operacionales.
Realizar siempre la perforación de la sección Superficial con broca Tricónica de
dientes hasta atravesar la zona de Boulders con el fin de no tener
inconvenientes en la perforación del mismo. El uso de brocas PDC en esta
sección no es recomendable debido a que esta litología causa rotura y
astillamiento de los cortadores por impacto.
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5.2. Bibliografía
BAKER HUGHES, Drill Bit Foundation, Capítulo 2 - 3, Pag. 5 – 132.
Barrenas e Hidráulica de Perforación, PDF, Pag. 30 – 41, 80.
Diseño de la Perforación Pozos, PDF, Pag. 90 – 97.
Fluidos de Perforación e Hidráulica, PDF, Pag. 2 – 10, 25 – 29.
STEVE TAYLOR, Procedimiento para correr brocas de perforación
http://www.scribd.com/doc/24882797/Brocas-de-Perforacion-by-Halliburton
http://www.scribd.com/doc/19414708/Brocas-de-Perforacion
http://es.scribd.com/doc/52785339/Tomo-04-Barrenas-e-Hidraulica-de-
Perforacion
http://www.ingenieriadepetroleo.com/2010/01/brocas-triconicas-y-pdc-partes-y-
fotos.html
http://petroshaggy.blogspot.com/2010/07/brocas-de-perforacion-triconicas-y-
pdc.html
49
5.3 Anexos
Anexo 1. Tipos de Brocas de Perforación.
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Anexo 2. Diagrama de Tipos de Brocas.
51
Anexo 3. Brocas de cortadores fijos.
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Anexo 4. Cortadores PDC.
53
Anexo 5. Tipos de Desgaste de Cortadores PDC.
54
Anexo 6. Brocas tricónicas.
55
Anexo 7. Partes de las brocas tricónicas.
56
Anexo 8. Brocas Tricónicas luego de usarlas.
57
Anexo 9. Presentaciones de Diferentes Brocas de Perforación.
58
Anexo 10. Herramientas