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38 Oilfield Review Bordes cortantes Alain Besson TotalFinaElf París, Francia Bruce Burr Scott Dillard Eric Drake Brad Ivie Craig Ivie Roger Smith Graham Watson Houston, Texas, EUA Se agradece la colaboración en la preparación de este artí- culo a Gerald Angst, Ron Birch, Marcel Boucher, Bruce Boulanger, Jeff Daly, Bob Fabian, Wayne Mausbach, Bill Miller, Gail Nelson, Tamara Price y Charles Stafford, Houston, Texas, EUA; David Jelley, Nigel Griffin, Terry Matthias, Jo Taper y Malcolm Talyor, Stonehouse, Inglaterra; y James Garner, Sugar Land, Texas. Armor Clad, ASTRA, Bicentrix, BitTrak, DiamondBack, Duradiamond, Mudpick, PowerDrive, PowerSteering, Steeringwheel, Switchblade y Transformation son marcas de Schlumberger. La mejor calidad de los materiales y los diseños innovadores de barrenas (brocas, trépanos, mechas) rotativas están extendiendo el rango de aplicaciones de las mismas y modificando la forma en que se utilizan para perforar los pozos. Los operadores y los contratistas de per- foración están aprovechando las más recientes tecnologías de barrenas y las nuevas técni- cas para construir pozos más efectivos desde el punto de vista de los costos. La perforación de los estratos del subsuelo en busca de hidrocarburos requiere bajar una barrena con una columna (tubería, sarta) de perfo- ración o tubería flexible y hacerla girar desde la superficie mediante equipos de perforación rota- tiva, o directamente en el fondo con motores y tur- binas emplazados en el fondo del hueco. Uno de los retos que enfrentan las compañías petroleras y los contratistas de perforación a la hora de pla- near el pozo, es la selección de la mejor barrena para una aplicación en particular. La herramienta básica de los ingenieros de perforación, la barrena rotativa de cortador fijo o de cono giratorio, está diseñada y fabricada para cortar diferentes formaciones y para ser utilizada en un amplio rango de condiciones. Las personas que adquieren y utilizan las barrenas deben com- prender las diferencias entre los distintos tipos y diseños de las mismas (próxima página). Las barrenas de cortador fijo o barrenas de arrastre cuentan con cuchillas integradas que giran en conjunto. Las barrenas de arrastre con cortadores de acero, también conocidas como barrenas tipo cola de pescado debido a sus for- mas características, datan de la época de la per- foración rotativa anterior a 1900. Estas cortaban formaciones blandas en forma similar al arado, haciendo surcos o hendiduras en la tierra. Las modernas barrenas de cortador fijo con superficie de diamante también cortan las formaciones; las barrenas con diamantes suspendidos en cuchillas matriciales trituran las rocas y los cortadores de un compuesto policristalino de diamante (PDC, por sus siglas en Inglés) cortan las rocas en forma similar a como lo hace un torno. Las barrenas de conos giratorios poseen conos de metal que giran en forma independiente al mismo tiempo que la barrena rota en el fondo del hueco. Cada uno de los conos cuenta con estruc- turas cortantes (dientes de acero resistentes al desgaste o insertos de carburo de tungsteno) que cortan y trituran, o penetran y rompen como si fuesen cinceles o palas, dependiendo de la dureza de la formación. Las barrenas de conos giratorios permiten perforar más profundo y normalmente se las conoce como barrenas para roca, debido a que pueden perforar formaciones más duras en com- paración con las primeras barrenas de arrastre. Las barrenas de perforación constituyen sola- mente una fracción del costo total del pozo (uno a cinco por ciento), sin embargo, representan un componente clave de la economía de construcción del pozo. El tiempo necesario para perforar un pozo se encuentra relacionado directamente con la rapidez con la cual las barrenas corten la for- mación y con el tiempo que conserven su filo. En términos de costo por pie o metro perforado (metraje), invertir en la barrena adecuada reduce en forma importante el costo total, ya que esto ayuda a disminuir el tiempo de perforación y el número de viajes (carreras) de entrada (bajada) y salida de un pozo. Para perforar pozos poco pro- fundos, las barrenas para roca estándar podrían ser las más adecuadas, las cuales son menos cos- tosas. Las modernas barrenas de conos giratorios o de PDC que tienen una mejor velocidad (tasa, índice) de penetración, (ROP, por sus siglas en Inglés) y una vida útil más prolongada, si bien son más costosas, pueden ser la opción más econó- mica en operaciones marinas y en los pozos pro- fundos, donde las velocidades de perforación y los costos por viaje para reemplazar las barrenas son elevados. Independientemente de la aplicación, el precio de compra de las barrenas adecuadas para cada caso en particular se recupera varias veces.

Bordes cortantes

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38 Oilfield Review

Bordes cortantes

Alain BessonTotalFinaElfParís, Francia

Bruce BurrScott DillardEric DrakeBrad IvieCraig IvieRoger SmithGraham WatsonHouston, Texas, EUA

Se agradece la colaboración en la preparación de este artí-culo a Gerald Angst, Ron Birch, Marcel Boucher, BruceBoulanger, Jeff Daly, Bob Fabian, Wayne Mausbach, BillMiller, Gail Nelson, Tamara Price y Charles Stafford,Houston, Texas, EUA; David Jelley, Nigel Griffin, TerryMatthias, Jo Taper y Malcolm Talyor, Stonehouse,Inglaterra; y James Garner, Sugar Land, Texas.Armor Clad, ASTRA, Bicentrix, BitTrak, DiamondBack,Duradiamond, Mudpick, PowerDrive, PowerSteering,Steeringwheel, Switchblade y Transformation son marcasde Schlumberger.

La mejor calidad de los materiales y los diseños innovadores de barrenas (brocas, trépanos,

mechas) rotativas están extendiendo el rango de aplicaciones de las mismas y modificando

la forma en que se utilizan para perforar los pozos. Los operadores y los contratistas de per-

foración están aprovechando las más recientes tecnologías de barrenas y las nuevas técni-

cas para construir pozos más efectivos desde el punto de vista de los costos.

La perforación de los estratos del subsuelo enbusca de hidrocarburos requiere bajar unabarrena con una columna (tubería, sarta) de perfo-ración o tubería flexible y hacerla girar desde lasuperficie mediante equipos de perforación rota-tiva, o directamente en el fondo con motores y tur-binas emplazados en el fondo del hueco. Uno delos retos que enfrentan las compañías petrolerasy los contratistas de perforación a la hora de pla-near el pozo, es la selección de la mejor barrenapara una aplicación en particular.

La herramienta básica de los ingenieros deperforación, la barrena rotativa de cortador fijo ode cono giratorio, está diseñada y fabricada paracortar diferentes formaciones y para ser utilizadaen un amplio rango de condiciones. Las personasque adquieren y utilizan las barrenas deben com-prender las diferencias entre los distintos tipos ydiseños de las mismas (próxima página).

Las barrenas de cortador fijo o barrenas dearrastre cuentan con cuchillas integradas quegiran en conjunto. Las barrenas de arrastre concortadores de acero, también conocidas comobarrenas tipo cola de pescado debido a sus for-mas características, datan de la época de la per-foración rotativa anterior a 1900. Estas cortabanformaciones blandas en forma similar al arado,haciendo surcos o hendiduras en la tierra. Lasmodernas barrenas de cortador fijo con superficiede diamante también cortan las formaciones; lasbarrenas con diamantes suspendidos en cuchillasmatriciales trituran las rocas y los cortadores deun compuesto policristalino de diamante (PDC,por sus siglas en Inglés) cortan las rocas en formasimilar a como lo hace un torno.

Las barrenas de conos giratorios poseen conosde metal que giran en forma independiente almismo tiempo que la barrena rota en el fondo del

hueco. Cada uno de los conos cuenta con estruc-turas cortantes (dientes de acero resistentes aldesgaste o insertos de carburo de tungsteno) quecortan y trituran, o penetran y rompen como sifuesen cinceles o palas, dependiendo de la durezade la formación. Las barrenas de conos giratoriospermiten perforar más profundo y normalmente selas conoce como barrenas para roca, debido a quepueden perforar formaciones más duras en com-paración con las primeras barrenas de arrastre.

Las barrenas de perforación constituyen sola-mente una fracción del costo total del pozo (uno acinco por ciento), sin embargo, representan uncomponente clave de la economía de construccióndel pozo. El tiempo necesario para perforar unpozo se encuentra relacionado directamente conla rapidez con la cual las barrenas corten la for-mación y con el tiempo que conserven su filo. Entérminos de costo por pie o metro perforado(metraje), invertir en la barrena adecuada reduceen forma importante el costo total, ya que estoayuda a disminuir el tiempo de perforación y elnúmero de viajes (carreras) de entrada (bajada) ysalida de un pozo. Para perforar pozos poco pro-fundos, las barrenas para roca estándar podríanser las más adecuadas, las cuales son menos cos-tosas. Las modernas barrenas de conos giratorioso de PDC que tienen una mejor velocidad (tasa,índice) de penetración, (ROP, por sus siglas enInglés) y una vida útil más prolongada, si bien sonmás costosas, pueden ser la opción más econó-mica en operaciones marinas y en los pozos pro-fundos, donde las velocidades de perforación y loscostos por viaje para reemplazar las barrenas sonelevados. Independientemente de la aplicación, elprecio de compra de las barrenas adecuadas paracada caso en particular se recupera varias veces.

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Barrenas de

perforación rotativa

Barrenas de

cortador fijo

Primeras barrenas

tipo cola de pescado

Primeras barrenas con

cuchillas giratorias

Barrenas de conos

giratorios

Invierno de 2001 39

La primera barrena de conos giratorios contres conos fue patentada por Howard Hughes en1909. En 1916 y 1917, C. E. Reed desarrolló lasbarrenas con discos gemelos reemplazables ycuatro cortadores giratorios. Estas primeras eta-pas en la evolución de las barrenas ampliaron elrango de aplicaciones de la perforación rotativamás allá de los límites de profundidad y durabili-dad alcanzados por barrenas con cuchillas deacero. Desde entonces, los nuevos desarrolloshan mejorado alternativamente los cojinetes delos conos y la estructura cortante. Estos avancesincluyen conos con metales más duros soldadossobre los dientes de acero, los cojinetes de rodi-llos con bolas giratorias para sostener y mantenerlos conos en su lugar, los insertos de carburo detungsteno, el autolubricado de los cojinetes derodillos sellados y los cojinetes lisos de fricción.

Esta tendencia continúa hoy en día con losnuevos diseños de cojinetes y sellos, mejores sis-temas de retención de conos, carburos cementa-dos mejorados y filos de un compuesto dediamantes con mayor resistencia al desgaste queofrecen mejor rendimiento y mayor confiabilidad,especialmente cuando se trata de formacionesduras problemáticas, y de perforaciones con mo-tores o turbinas de fondo de alta velocidad. Lacombinación de elementos individuales y de los

avances logrados en las barrenas destinadas aaplicaciones específicas, mejora el rendimientode la perforación y prolonga la vida útil de la ba-rrena, incrementando la capacidad de carga y ladurabilidad de las barrenas de conos giratorios.

Las barrenas de cortadores fijos también hanevolucionado y han superado a los primeros dise-ños de las barrenas tipo cola de pescado y de lasbarrenas de arrastre; todo esto mediante la apli-cación de diamantes naturales y compuestos sin-téticos de PDC en los bordes cortantes. Lasbarrenas de cortadores fijos no poseen partesmóviles, sino superficies cortantes para desgas-tar, y pueden perforar rápidamente durante largosperíodos en ciertas condiciones. Los diamantesnaturales se utilizaron por primera vez alrededorde 1910 en barrenas especializadas sacatestigosque hacían cortes en forma de rosquillas y extra-ían columnas concéntricas de roca—núcleo (tes-tigo corona)—en camisas o tubos especialespara ser utilizados en la evaluación de la forma-ción. Las barrenas de diamante de pleno diáme-tro se introdujeron a principios de 1920. Lasprimeras barrenas de PDC se pusieron a la ventaa principios de la década de 1970; estas barrenasse construyeron sobre la base de la tecnología deGeneral Electric, que permitió que los diamantessintéticos se adhirieran al carburo de tungsteno.

Los desarrollos observados en las barrenasde cortadores fijos son el resultado de las mejo-ras introducidas en los materiales y en el procesode manufactura, conjuntamente con un mejorentendimiento de la estabilidad de la barrena yde la dinámica de los fluidos. Las estructuras ylos diseños de corte avanzados disminuyen elmovimiento inestable, o las vibraciones, en elinterior del hueco, dando como resultado unaperforación más agresiva. Los elementos decorte se fabrican para cubrir las característicasespecíficas de las formaciones a taladrar y paralas condiciones particulares de perforación. Unanueva generación de barrenas de PDC ha evolu-cionado para satisfacer las demandas más com-plejas de perforación direccional, y las barrenasimpregnadas con partículas de diamante estánencontrando nuevas aplicaciones.

Los avances logrados en la hidráulica de labarrena y en las estructuras de corte, resultan enmejores diseños para las barrenas de conos gira-torios y para las barrenas de cortadores fijos. Larealización de pruebas (ensayos) en tamaño natu-ral y el diseño asistido por computadora, mejorannuestro entendimiento de las relaciones entre elflujo del fluido, la limpieza de la barrena y la eli-minación de recortes para mejorar el rendimientode la barrena de perforación. Las simulaciones

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computarizadas de la dinámica de los fluidos (CFD, por sus siglas en Inglés),como las utilizadas para desarrollar el contorno (perfil) de automóviles, aero-naves y barcos de la marina, les permiten a los diseñadores optimizar la hi-dráulica de los conos giratorios y de los cortadores fijos para una mejor ROP.

Hoy en día, el software para diseño avanzado establece una correlaciónentre la litología y la resistencia de la roca con distintos tipos de barrena. Estole ayuda a los operadores a elegir una barrena apropiada. Las extensas basesde datos registran y rastrean el rendimiento de la perforación y de los resulta-dos para ayudar en la selección de la barrena de conos giratorios o de corta-dores fijos, y contribuir a una mejora continua y a futuros desarrollos.

A medida que se mejoran el diseño y la fabricación de las barrenas, loslímites tradicionales entre las barrenas de conos giratorios y las barrenas decortadores fijos se tornan menos claros. Gracias a la investigación y el desa-rrollo se obtiene una mejor confiabilidad, diseños de compuestos avanzados,una hidráulica mejorada y una mayor estabilidad para todos los tipos debarrena. Esto le facilita la tarea a los perforadores, sin embargo, la selecciónde una barrena se convierte en un verdadero reto.

Las barrenas de perforación y las nuevas herramientas de fondo, conjun-tamente con la experticia de las compañía de servicios, les ahorran tiempo ydinero a los operadores. Este artículo describe las barrenas de conos girato-rios, de cortadores fijos de PDC y de diamante, y los avances más recientes,incluyendo una amplia gama de diseños, materiales y métodos de fabricación

que mejoran en gran parte el rendimiento de la perforación y les ayudan a losperforadores a seleccionar las barrenas acorde con las necesidades delcliente, para cada formación o aplicación. Asimismo, el artículo examina lainvestigación, la realización de pruebas y los desarrollos en la hidráulica de lasbarrenas, la adquisición de datos en el fondo del hueco frente a la barrena, laoptimización de la barrena y el estudio de casos relacionados con solucionesespecíficas de perforación.

Tecnología de conos giratoriosEn la década de 1800, las perforaciones hechas con herramientas operadaspor cable y barrenas de percusión eran lentas y limitadas para agujeros pocoprofundos. Las barrenas tipo cola de pescado y los equipos de perforaciónrotativa con circulación continua para remover los recortes representaron losprimeros avances, pero las barrenas con cuchillas de acero eran más ade-cuadas para formaciones blandas y se desgastaban rápidamente. Lasestructuras de corte en los conos que giran en forma independiente pararotar en el fondo del hueco a medida que rota la barrena, se hicieron máspopulares en la década de 1900. Estas barrenas duraban más y podían hacerhuecos más profundos. No obstante, las primeras barrenas de conos girato-rios carecían de durabilidad y confiabilidad, pero eran mejores que las barre-nas de cuchillas. Para reducir la fricción, se utilizaron cojinetes sencillos conrevestimientos de acero.

Los primeros avances se centraron en las estructuras de corte. A princi-pios de la década de 1930, se desarrollaron barrenas con suficiente espa-cio entre los conos. Al dejar espacio entre conos adyacentes, los cortadores

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Barrenas con dientesde acero

Barrenas de insertos

Dureza de la formaciónBlanda Dura

> Estructuras cortantes con dientes de acero y de insertos. Los dientes deacero, se funden, forjan o fabrican del mismo metal que los conos (arriba).El recubrimiento duro de carburo de tungsteno se suelda sobre los dientesde acero para incrementar la durabilidad. Las barrenas con conos desplaza-dos permiten estructuras de corte más largas y proporcionan una acción delimpieza adicional. En las formaciones blandas, los amplios espacios entrelos cortadores promueven también la limpieza de la barrena. Los insertossinterizados de carburo de tungsteno se funden por separado y se colocanmecánicamente a presión en agujeros ligeramente menores al tamaño delos insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos (abajo).También se encuentran disponibles los insertos cubiertos con revestimien-tos de PDC que son más resistentes a la abrasión.

Alta excentricidad del cono (5°)

Direción dela rotación

Baja excentricidad del cono (0°)

Trituración

Diámetroo contorno

de corteDiámetro

o contornode corte

Rotación realen todos los puntos

Angulo delcojinete

Acanalado y raspado

El borde del cono se apartadel movimientoreal de rotación

> Acciones de perforación con conos giratorios. Las barrenas de conosgiratorios remueven la roca acanalándola y raspándola o triturándola. Losconos giratorios realizan una acción de trituración. A medida que los conosse apartan del movimiento giratorio real, las estructuras cortantes penetrany raspan más. El desplazamiento o ángulo de excentricidad del cono y laforma del mismo, provocan que los conos dejen de girar periódicamente amedida que gira la barrena. Como resultado, las estructuras cortantes sedeslizan en el fondo del hueco y raspan la formación. Los ángulos de despla-zamiento varían de 5° para formaciones blandas, a cero para formacionesduras. Las barrenas para formaciones blandas utilizan estructuras de cortemás largas con ángulos de desplazamiento en los conos que reducen elmovimiento de rotación. Los cortadores cortos en los conos que giran más,provocan una acción de trituración en las formaciones duras.

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pueden ser más largos y proporcionar una acción de limpieza adicional enformaciones blandas. Anteriormente, los dientes tenían que ser lo suficien-temente cortos para no tocarse entre sí a medida que giraban los conos.Aproximadamente al mismo tiempo, los fabricantes comenzaron a utilizar elacero tratado térmicamente y a soldar metal más resistente sobre los dien-tes de acero para taladrar formaciones con alta resistencia a la compresión.

Existen dos tipos de estructuras cortantes en los conos giratorios: los fa-bricados con dientes de acero, fundidos o forjados integralmente con bordesde compuestos de carburo resistentes al desgaste, y los insertos de carburode tungsteno formados por separado y colocados a presión en agujeros per-forados con precisión en las superficies de los conos. Existen barrenas condiente cortador y de insertos para perforar formaciones blandas, semidurasy duras (página anterior, arriba). Las barrenas con dientes de acero se utili-zan en formaciones blandas con baja resistencia a la compresión, así comotambién en formaciones semiduras o duras con mayor resistencia a la com-presión. Las barrenas de insertos se utilizan para perforar formaciones quevan de blandas y semiduras, a duras semiabrasivas y duras abrasivas.

Las estructuras de corte que trituran u ocasionan una falla de la roca du-ra frente a un esfuerzo de compresión son romas (chatas), cortas para evi-tar el rompimiento del cortador y se hallan muy cerca entre sí. Lasformaciones blandas permiten dientes filosos y largos para penetrar y remo-ver el material mediante el acanalado y raspado de la roca. Cada acción decorte se utiliza con distinta intensidad, dependiendo del tipo de formación.Los cortadores tienden a acanalar y a raspar más a medida que los conos seapartan del movimiento real de rotación. El balance entre los mecanismosde falla de la roca se logra ajustando el ángulo del cojinete, la forma delcono y el desplazamiento para controlar la manera en la que giran los conos(página anterior, abajo). Los cojinetes son ejes o estructuras similares a uneje alrededor de las cuales giran los conos. El desplazamiento o ángulo deexcentricidad del cono, es una medida de cuánto se inclinan los cojinetespara que el eje de cada cono no se cruce en el centro de la barrena.

A medida que mejoraron las estructuras de corte y las barrenas comen-zaron a perforar en forma más agresiva, la vida útil del cojinete se convir-tió en un factor limitante. A mediados de la década de 1930, sedesarrollaron los cojinetes de rodillos antifricción (derecha). Los viajes paracambios de la barrena mejoraron de 6-8 horas a 20-25 horas, con el corres-pondiente incremento en el metraje y la disminución en los costos. Las bo-quillas para fluidos fueron introducidas en 1950 para mejorar la limpieza dela barrena y del agujero y para incrementar las velocidades de penetración.Esto se logra forzando chorros de lodo en el fondo del hueco para apartarlos recortes retenidos por la presión hidrostática. Los insertos de carburo detungsteno, introducidos en 1951, fueron de gran ayuda para la perforaciónde rocas duras. Los insertos de carburo, con solamente una pequeña reduc-ción en la dureza, eran más duros y más resistentes al desgaste que elmejor acero, y podían perforar largos intervalos antes de desgastarse.

Por primera vez, las estructuras de corte duraron más que los cojinetes.No obstante, el lodo y las sustancias sólidas aún dañaban a los cojinetes,especialmente en aplicaciones críticas. A pesar de que se utilizó una grasaespecial para lubricar los componentes del cojinete y extender la vida útilde la barrena, la fatiga y el desgaste de las superficies del cojinete de rodi-llos, y los surcos sobre las piezas de sujeción y los conos, limitaron la dura-bilidad del cojinete. Fue entonces necesario un nuevo enfoque para lasbarrenas de insertos. En la década de 1960, se incluyeron sellos para man-tener la grasa dentro de los cojinetes y evitar que los líquidos o las sustan-cias sólidas penetraran. Los depósitos de grasa en cada pieza de sujeciónproporcionan lubricación continua y el sistema de compensación del dia-fragma estabiliza la presión a través de los sellos. No obstante, los cojine-tes de rodillos abiertos sin sellos, enfriados y lubricados por los fluidos deperforación, aún se utilizan en barrenas de dientes cortantes para perfora-ciones de bajo costo.

Hoy en día, los carburos cementados menos porosos se elaboranmediante la combinación de finas partículas de carburo de tungsteno enuna matriz de cobalto y se sinterizan a altas temperaturas en una atmós-fera al vacío o de hidrógeno.1 El contenido de cobalto y el tamaño del granose varían para generar una docena de calidades estándar de carburocementado. Estos compuestos metálicos combinan la dureza para limitar ladeformación, y la resistencia para prevenir el agrietamiento.

Cojinete de rodillos sellado

Diafragma

Tapa del depósitode grasa

Depósito degrasa

Superficiede empuje

Pieza de sujeción

Cojinetes derodillos

Bolas giratoriasDientes de acero

Perno de fricciónMetal duro protector

del contorno de corteCojinete

lisoCono Diámetro o contorno

de corte

Sello belleville

Cojinetes antifricción. Las actuales barrenas con tres conos, el diseño deconos giratorios más común, tiene muy poco parecido con las primerasbarrenas de conos giratorios. Los cojinetes giratorios soportan la mayoría delas cargas y los cojinetes de bolas insertos a través de un agujero en el coji-nete liso mantienen los conos en su lugar. La superficie de empuje y los per-nos de fricción soportan las cargas y estabilizan a los cojinetes. Los sellosmantienen la grasa dentro de los cojinetes y evitan que entren el lodo de per-foración y las partículas sólidas. Los primeros sellos de caucho se energiza-ron mediante un anillo de metal interno o resorte belleville. Posteriormente,se utilizaron los sellos redondeados de elastómero radial. Los depósitos degrasa en las partes de sujeción aseguran la lubricación. No existe diferenciade presión a través de los sellos y la presión hidrostática se transfiere a tra-vés de un diafragma para estabilizar la presión entre los cojinetes y el hueco.

1. La sinterización consiste en el calentamiento del metal pulverizado hasta que el agluti-nante del metal se funde, originando la densificación y el encogimiento a la vez que semantiene el contorno o perfil preformado.

>

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Los granos pequeños y el bajo contenido de cobalto aumentan la durezay la resistencia al desgaste a costa de la firmeza. Los granos más grandesy el alto contenido de cobalto reducen la dureza y la resistencia al desgaste,pero incrementan la firmeza. Debe escogerse la calidad adecuada; dema-siado blanda ocasiona el desgaste prematuro, demasiado dura incrementael rompimiento de los insertos bajo cargas severas. La opción es, entonces,insertos resistentes al desgaste y a la erosión para formaciones duras, einsertos fuertes para formaciones blandas (derecha).

Las mejores estructuras de corte y la perforación agresiva en rocasduras y profundas, requieren más carga sobre la barrena y mejores cojine-tes. Los cojinetes lisos o de fricción sin rodillos que utilizan sellos O-ringscomprimidos más del 15%, fueron introducidos a fines de la década de 1960y principios de la década de 1970, marcando una nueva era en el rendi-miento de los conos giratorios.

Los cojinetes lisos son más durables y soportan mayores pesos que loscojinetes de rodillos debido a que las cargas se distribuyen sobre un áreamás grande (tanto en la superficie del cojinete como en la superficie internadel cono), en lugar de distribuirse únicamente sobre los rodillos (abajo). Lasprimeras barrenas con cojinetes lisos perforaban el mismo metraje quehacían de tres a cinco barrenas estándar con cojinete de rodillos, pero eranmás caras. Los ahorros netos resultaron en el incremento del metraje per-forado por barrena y en un número menor de viajes para reemplazar lasbarrenas.

A principios de la década de 1970, la empresa Reed Tool Company, enla actualidad Reed-Hycalog, desarrolló un cojinete flotante plateado, cons-truido de una aleación de berilio y cobre que cuenta con mayor capacidadde carga, superior maleabilidad y más resistencia al desgaste, y alta con-ductividad térmica para disipar el calor.2 Este cojinete flotante gira entre lasuperficie del cono y la superficie del cojinete liso para proporcionar cuatrosuperficies y un área de resbalamiento dos veces mayor que la de los coji-netes de fricción convencionales, lo que reduce las velocidades relativas ydisminuye el desgaste. Los cojinetes flotantes además tienen un plateadoque reduce la fricción y el desgaste. Casi al mismo tiempo, Reed patentó unsello oval con una sección transversal que es mayor en la dirección radialque en la axial.3 Los sellos radiales requieren menos del 10% de compre-sión para sellar en forma eficaz, lo que reduce el desgaste. Una menor pre-sión interfacial reduce también la fricción y el calor, de modo que los sellospermanecen más fríos. Hoy en día, muchos diseños de barrenas utilizansellos radiales.

Las estructuras de las barrenas de conos giratorios inicialmente se fun-dían o forjaban en una sola pieza con los conos y, en algunas ocasiones, seles adherían cuchillas complementarias. Con el advenimiento del diseño detres conos, los fabricantes comenzaron a producir unidades con piezas desujeción y conos individuales que posteriormente se ensamblaban y solda-ban. Esto fue el comienzo de seis décadas de continua introducción demejoras en los procesos de fabricación (próxima página, abajo). Las tole-

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Cojinete liso sellado

Sello radial deelastómero

Insertosde carburo

de tungsteno

Metal duroprotector del

contorno de corte

Perno de fricciónCono Diámetro o contorno

de corte

Cojineteliso

Superficie deempuje

Cojinete flotanteplateado, dealeación de berilioy cobre

Depósito de grasa

Tapa del depósitode grasa

Diafragma

,Cojinetes de fricción. Los cojinetes sin rodillos antifricción son durables ymanejan grandes pesos debido a que las cargas se distribuyen sobre unárea más grande del cojinete. Estos cojinetes lisos se utilizan en tamañosde barrenas superiores a 121⁄4 pulgadas. Los cojinetes flotantes hechos deuna aleación de berilio y cobre disipan el calor y reducen las velocidadesrelativas entre los cojinetes lisos y los conos. El plateado actúa como unlubricante sólido para reducir la fricción y el desgaste. Los sellos radialesde elastómero se utilizan porque requieren menor compresión que lossellos redondos y no generan tanto calor.

>

Formacionesblandas

Tipos de insertos

Formacionesduras

Formaciones blandas asemiduras

Formacionessemidurasa duras

43A 51 51A 52A

53 53A 61 62 62A

63

73 83

10 micrones

Microestructura de carburo cementado

> Variedad de los insertos. La durabilidad de los insertos depende de losavances en la metalurgia de partículas pulverizadas que eliminan los defec-tos, optimizan la química del aglutinante y logran una relación precisa entre la dureza y la firmeza para cada aplicación. Los carburos cementados menosporosos son mezclados en los dientes de acero o sinterizados en insertosresistentes al desgaste o a la erosión para formaciones duras o en insertosmás fuertes para formaciones blandas. El control cuidadoso del proceso ase-gura las propiedades precisas del material y el adecuado tamaño de los gra-nos. Asimismo, la compresión isostática a alta temperatura elimina los defec-tos intersticiales del carburo cementado (recuadro inferior derecho).

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rancias más estrechas para el forjado, el maquinado, el tratamiento tér-mico, la sinterización, el triturado, la soldadura y la metalurgia de partícu-las pulverizadas, son los cimientos del actual alto rendimiento de lasbarrenas de conos giratorios. La compañía Reed fue pionera en el armadode un sistema de maquinado de las superficies de los cojinetes, para pro-veer formas consistentes y eliminar las excentricidades.

Reed también desarrolló los métodos patentados para el terminado delos cojinetes que mejoraron los terminados de las superficies, la concentri-cidad y el control dimensional. Los elementos de soporte proporcionan unmétodo para sujetar repetitivamente las partes en una máquina.4 Se ajustaun soporte a un torno para colocar las partes en forma segura y exacta. Laspartes de mayor tamaño se fabrican mediante la rotación estática; un tornomóvil moldea las partes estacionarias.5 La rotación estática es hoy en díauna norma en la fabricación de la barrena de conos giratorios. En formasimilar, la soldadura robótica proporciona incrustaciones de aleacionescuyas formas son casi las formas terminadas. Esto no puede lograrsemediante la soldadura manual.

Los avances en la metalurgia de partículas pulverizadas se han tradu-cido en un mejorado rendimiento del metal duro de alta calidad para lasbarrenas con dientes de acero. Los revestimientos soldados para los dien-tes de la barrena han evolucionado desde que se utilizaba la soldaduramanual con barras compuestas hechas de polvos de acero y carburo. Estearduo proceso de aplicación limita la consistencia y el rendimiento de lasbarrenas con dientes de acero. La barra del compuesto Armor Clad, desa-rrollada por Reed-Hycalog aumenta al doble la velocidad de aplicación dela soldadura, y al mismo tiempo reduce la degradación por calor de las par-tículas de carburo (arriba).6

El proceso patentado del cortador de metal pulverizado, (PMC, por sussiglas en Inglés) combina el metal pulverizado y las tecnologías tradiciona-les del forjado para producir barrenas con avanzadas geometrías de corte ycaracterísticas excepcionales. Este método de fabricación que incluye una

> Fabricación de conos giratorios. Los conos y los cortadores de dientesfresados, se forjan de barras de acero laminadas en caliente (arriba a laizquierda). El tratamiento térmico endurece las cavidades de los cojinetes.Estas formas coniformes se realizan forjando contornos y un agujero rús-tico, seguidos de un fresado detallado complejo de cada uno de los dientesen forma individual (arriba a la derecha). El carburo de tungsteno se sueldamanualmente en cada diente para incrementar la resistencia al desgaste.Para las barrenas de insertos, los insertos de carburo cementado se sinte-rizan y se colocan a presión en agujeros ligeramente más pequeños que losinsertos, precisamente labrados en las superficies de los conos (abajo a laizquierda). Las piezas de sujeción y los conos se ensamblan y sueldan(abajo a la derecha).

0.4 mm 0.4 mm

Barra para soldadura convencional

Soldaduracon revestimientodelgado de una varilla extruida

,Dientes de acero de alta calidad de superficie dura. La degradación porcalor proveniente de la soldadura estándar a altas temperaturas y la lentaaplicación con varillas de tubos gruesos ocasionan alta porosidad, agrieta-miento y propiedades inconsistentes (arriba a la izquierda). Los revestimien-tos de metal duro soldados en forma convencional dejan partículas esféri-cas de carburo de tungsteno expuestas a la erosión (centro a la izquierda).La soldadura a menor temperatura y la deposición rápida de un revesti-miento delgado de una varilla extruida (Thin-Sheath Extruded Rod, TSER)minimiza la dilución en los dientes de acero (arriba a la derecha). Un pre-mezclado multifásico de carburo de tungsteno y acero pulverizado propor-ciona una mayor resistencia a la abrasión. Las partículas esféricas grandesy las estructuras en forma de placa se traslapan para reducir la erosiónmatricial (centro a la derecha). Este metal duro Armor Clad, cuenta con unaexcepcional baja porosidad e ínfimos defectos de agrietamiento, de modoque los dientes permanecen filosos por más tiempo, incrementando las velo-cidades de penetración y la vida útil de la barrena (abajo).

2. Mayo TH: “Drill Bit Bearings,” Patente de EUA, No. 3,721,307 (Marzo 20, 1973).3. Murdoch HW y Schumacher PW Jr: “Drill Bit Seals,” Patente de EUA, No. 3,765,495

(Octubre 16, 1973). 4. Gaither PI y Tucker III JR: “Method and Apparatus for Machining a Workpiece,”

Patente de EUA, No. 4,599,921 (Julio 15, 1986).5. Gaither PI y Klappenbach SW: “Method of Making Lug Journal for Roller Cutter

Drill Bits,” Patente de EUA, No. 4,982,496 (Enero 8, 1991).6. Smith RC: “Hardfacing Material for Rolling Cutter Drill Bits,” Patente de EUA, No.

5,740,872 (Abril 21, 1998).

>

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rápida densificación en estado sólido de la forma final de los conos y losdientes, elimina muchas limitaciones del diseño de la barrena convencionaly proporciona opciones de un material avanzado que mejora la integridad dela estructura de corte (arriba). Los dientes de metal duro que se obtienencon este proceso, cuyos espesores son consistentes y su resistencia al des-gaste es alta, constituyen la ventaja principal de la tecnología PMC.

Este proceso es adecuado para la automatización, y las operaciones desoldadura manual quedan eliminadas. A diferencia del metal duro de altacalidad soldado a mano, el volumen de carburo y la microestructura sonidénticos en cada diente de cada cono. Este proceso proporciona flexibilidadde innovación en diferentes aspectos del diseño de conos giratorios. Lacapacidad del modelo final permite la fabricación económica de estructurasde corte complejas (formas agresivas, ubicaciones y orientaciones que no

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Tamaño delgrano dediamante

Capa dediamante Diamante Cobalto

Carburo detungsteno Espesor

Parte superiorSegundoTercero

Substrato

8 micrones8 micrones8 micrones

95 %62 %42 %

5 %16 %16 %18 %

0 %22 %42 %82 %

0.010 pulgadas0.010 pulgadas0.015 pulgadas

Contornos e insertos con revestimientos de diamante

Revestimientode diamante

Substrato del carburo de tungsteno

Insertos de PDC. Los revestimientos de diamante en los substratos de car-buro cementado mejoran las propiedades abrasivas, de impacto y térmicasde los insertos de los conos giratorios (arriba). Los insertos en forma dedomo utilizan un recubrimiento uniforme de diamante, mientras que los recu-brimientos de insertos con punta redondeada varían de gruesos en la punta adelgados en los bordes (centro). Un recubrimiento de PDC superficial de dia-mante casi puro y una o dos capas intermedias de diamante, carburo detungsteno o combinaciones de cobalto, se sinterizan, ocasionando que elmaterial aglutinante se adhiera firmemente a la base de carburo (abajo). Losrevestimientos intermedios se optimizan para minimizar las tensiones entre eldiamante y el carburo de tungsteno ocasionadas por la diferencia en laexpansión entre el diamante y el carburo.

Modelo dealuminio sólido

Molde con bolsade aluminio

Bolsa de elastómero

Pieza preformada precalentada

Prensa caliente Forma final del cono ydel cortador

Molde de inyección ycubierta de metal duro

Cubierta de metal duroen la cavidad del modelo

Prensa isostática parapreformar en frío

1 2 3 4 5 6

7 8 9 Secciones transversales del diente

Metal duro soldado manualmente Metal duro de PMC

> Tecnología del cortador de metal pulverizado, (PMC, por sus siglas en Inglés). El proceso patentado combina el metal pulverizado y las tecnologías tra-dicionales de forjado para producir barrenas a menor costo, con avanzadas geometrías de corte y características excepcionales. La geometría final delcono y del cortador se amplían para considerar un proceso de densificación de dos pasos. El modelo sólido y el molde de dos partes se hacen de aluminioa fin de fabricar una bolsa de elastómero que duplique el modelo en forma exacta.

Las ubicaciones y el espesor del material resistente al desgaste de los dientes, también se amplían para fabricar moldes de acero. Una mezcla de car-buro de tungsteno y bolitas de cobalto, polvo de acero y un material aglutinante se inyecta en los moldes para producir las cubiertas de los dientes demetal duro. La bolsa flexible se coloca en un soporte de aluminio y las cubiertas se insertan en las cavidades correspondientes a los dientes. Un mandrilsólido y una cubierta forman el agujero de la barrena y permiten el acceso para llenar la bolsa con polvo de acero. El polvo se empaca por vibración hastaun 60% en la forma del molde. El prensado isostático en frío densifica el polvo hasta un 80%, con una reducción uniforme del tamaño del 14%. Estas piezaspreformadas pueden manejarse, calentarse o manipularse durante la deformación final, pero se rompen si se dejan caer.

La densificación del cono y del cortador hasta el 100% y la obtención de la forma final se inicia precalentando uniformemente las piezas preformadasen una atmósfera inerte cercana a la temperatura de forjado. Las piezas preformadas se transfieren a un molde precalentado y rodeado por polvo de gra-fito caliente. Esta transferencia toma menos de 30 segundos a fin de prevenir la oxidación y minimizar la pérdida de calor. Una prensa hidráulica consolidalas piezas preformadas para darles la forma final y darles la densidad total en menos de un minuto.

Después de la limpieza con ráfagas de aire, se fabrican los cojinetes, se endurece la superficie mediante un tratamiento térmico y se rectifica con pre-cisión por medios convencionales. El contenido de carbón y la microestructura son los mismos en cada cono y cada diente. La soldadura manual quedaeliminada (abajo a la derecha).

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son factibles con las operaciones de fabricación convencionales). Losrecientes avances en el PMC, incluyen formulaciones mejoradas del metalduro y cobertura amplia del metal duro.7

Los insertos que tienen recubrimientos de compuestos de diamante hanrevolucionado el rendimiento de la estructura cortante en muchas aplica-ciones de la barrena de conos giratorios. La tecnología del diamante pro-porciona resistencia al termo fraccionamiento y al desgaste de los bordescortantes, así como de la superficie de corte que está frente a la roca. Losinsertos mejorados de diamante utilizan capas de un compuesto policrista-lino de diamante de distinta calidad sobre los substratos de carburo cemen-tado (página anterior, abajo). La capa superficial (fabricada casi dediamante puro) que corta la roca, se optimiza para evitar el desgaste a laabrasión, a la temperatura y al impacto en las aplicaciones de conos gira-torios. Las diferencias en la expansión térmica y en la elasticidad entre lossubstratos de carburo cementado y los compuestos de diamante originanincompatibilidad en cuanto a la dilatación; inconvenientes que se reducenmediante la aplicación de capas progresivas intermedias.

Los insertos recubiertos de Reed-Hycalog se fabrican bajo licencia, uti-lizando un proceso patentado de fabricación a alta temperatura y a alta pre-sión similar al utilizado en la fabricación de los elementos de PDC delcortador fijo (véase "Tecnología del cortador fijo," página 48).8

Afortunadamente, el desarrollo de los insertos de PDC durables para lasbarrenas de conos giratorios, coincidió con el agresivo aumento de la per-foración direccional con los motores de fondo.

Los diseños más recientes de los cojinetes y los avances actuales enhidráulica amplían también las capacidades de la barrena de conos girato-rios, además de haber mejorado el rendimiento de la perforación. Una

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nueva generación de barrenas de alta calidad, las utilizadas con motores enserie y de rendimiento mejorado (EMS y EHP, por sus siglas en Inglés, res-pectivamente), combinan las mejoras en los materiales y en los procesos defabricación con los diseños avanzados. Estos nuevos diseños equilibran losmejoramientos en la estructura de corte, los cuales aumentan la velocidadde penetración, con cojinetes y sellos que mejoran la durabilidad y la vidaútil de la barrena (arriba).

El cojinete Threaded Ring (Anillo roscado) introducido por Reed-Hycalogproporciona una mayor retención de los conos en caso de falla del sellado.9

Este anillo plateado de acero sólido está fabricado en dos mitades, de modotal que pueda instalarse en el cojinete liso. Las acciones agresivas de corteprovocan grandes cargas en los cojinetes. Esta estructura similar a un recubri-miento de metal ofrece una mayor capacidad interior de carga que los cojine-tes de bolas para una vida útil más larga del cojinete, especialmente en laperforación direccional. Los reducidos espacios libres disminuyen la vibraciónaxial y minimizan las variaciones de presión a través de los sellos y limitan lamigración de partículas hacia adentro del cojinete ampliando la vida útil delsello. La dureza de las arandelas plateadas Stellite también mejora el manejode las cargas de empuje y reduce la fricción en el área de la superficie deempuje de los cojinetes.10

Diseños avanzados de los cojinetes. Las barre-nas de cojinetes giratorios para usar con motoresen serie (EMS, por sus siglas en Inglés) son dura-bles a altas velocidades de penetración cuandose las utiliza con turbinas y motores de alta velo-cidad, particularmente en aplicaciones direccio-nales (izquierda). Para una vida útil prolongada dela barrena, se incluyen múltiples hileras de rodi-llos que incrementan la durabilidad y sellos textu-rizados con acanalado central que reducen lafricción. Los bordes contorneados del rodillominimizan las tensiones de contacto y reducen eldesprendimiento de metal. Los rodillos estánencapsulados en el cono para maximizar el diá-metro del cojinete liso y reducir las tensiones decontacto. Los sellos de Hydrogenated NitrileButadiene Rubber, (HNBR) proporcionan resisten-cia a la abrasión y soportan temperaturas mayo-res a 300°F (150°C). Los sellos texturizados atra-pan la grasa y reducen la fricción, el acanaladocentral mantiene los contaminantes afuera(recuadro inferior izquierdo). Las barrenas paten-tadas de rendimiento mejorado, (EHP, por sussiglas en Inglés), utilizan cojinetes Threaded Ring(Anillo Roscado) que tienen mayor capacidad decarga hacia su interior que los cojinetes conbolas, lo cual contribuye a reducir las fallas y laspérdidas de conos (derecha). Los cojinetes Thre-aded Ring proporcionan una mejor retención delcono en caso de falla del sello. Existe una menorvibración axial, lo que reduce las fluctuacionesde presión a lo largo de los sellos y limita lamigración de partículas. La arandela de empujeplateada Stellite soporta las cargas axiales yreduce la fricción por calentamiento en la super-ficie de empuje.

7. Sreshta HA y Drake EF: “Hardmetal Facing for Rolling Cutter Drill Bit,” Patente de EUA,No. 5,653,299 (Agosto 5, 1997).Sreshta HA y Drake EF: “Hardmetal Facing for Earth Boring Drill Bit,” Patente de EUA,No. 5,988,302 (Noviembre 23, 1999).Drake EF y Sreshta HA: “Rock Bit Hardmetal Overlay and Process of Manufacture,”Patente de EUA, No. 5,967,248 (Octubre 19, 1999).Drake EF y Sreshta HA: “Rock Bit Hardmetal Overlay and Process of Manufacture,”Patente de EUA, No. 6,045,750 (Abril 4, 2000).

8. Hall HT Jr y Hall DR: “Carbide/Metal Composite Material and a Process Therefor,”Patente de EUA, No. 5,304,342 (Abril 19, 1994).

9. Pearce DE: “A New Rock Bit Bearing Provides Superior Cone Retention,” artículo de lasIADC/SPE 19909, presentado en la Conferencia de Perforación de las IADC/SPE,Houston, Texas, EUA, Febrero 27-Marzo 2, 1990.Murdoch HW y Schumacher PW Jr: “Drill Bit,” Patente de EUA, No. 3,971,600 (Julio 27,1976).Pearce DE y Walter JC: “Means for Mounting a Roller Cutter on a Drill Bit,” Patente deEUA, No. 4,991,671 (Febrero 12, 1991).

10. Stellite es una familia de superaleaciones basadas en el cobalto.Singh RK, Nixon MS y Daly JE: “Rolling Cutter Drill Bits,” Patente de EUA, No. 5,725,313(Marzo 10, 1998). Griffin ND: “Methods of Treating Preform Elements Including Polycrystalline DiamondBonded to a Substrate,” Patente de EUA, No. 6,056,911 (Mayo 2, 2000).

Sello radial HNBR texturizadocon acanalado central

Rodillos contorneadoscon filos punteagudos

Bolas giratorias

Sello radial HNBR

Anillo roscado

Punto de contacto de cargas

Múltiples hileras derodillos encapsulados

Arandela plateada de empuje Stellite

Dureza optimizada del conoDureza optimizada del cono

Cojinete flotante plateado dealeación de berilio y cobre

Barrena mejorada en serie (EMS) Barrena de rendimiento mejorado (EHP)

Superficie de contacto de cargas

>

Page 9: Bordes cortantes

profundidad aproximada de 2000 m [6560 pies].La compañía planeó perforar pozos horizontalesde relleno con un alcance aproximado de 600 m[1970 pies]. La información de pozos vecinosmostró velocidades de penetración y metrajesextremadamente bajos para todos los tipos debarrena. Para reducir los costos, el operador, tra-bajando con dos fabricantes de barrenas, evaluólas características de la formación, el historialdel rendimiento de la perforación y la informa-ción de pérdida de filo de la barrena tanto paralas barrenas de conos giratorios, como para lasbarrenas de cortadores fijos.

La arenisca consiste de granos de cuarzoangulares entrelazados con una porosidad de 5 a10%. El pobre rendimiento alcanzado en el pozovecino y el alto nivel de desgaste de las barrenas,indicaron que se trataba de una formación ultraabrasiva y, probablemente, extremadamentedura. Los insertos mejorados de diamante sondemasiado friables para perforar roca ultradura,pero el análisis determinó que esta zona eraentre semidura y dura.

La abrasividad era mayor que la de cualquierotra arenisca de cuarzo clasificada anteriormente.El resbalamiento de cualquier material, incluyendoel diamante, en esta formación genera desgasteexcesivo—un factor crítico en la selección de labarrena para la perforación de estos pozos hori-zontales—lo cual confirma que una barrena deconos giratorios adecuadamente diseñada podríaperforar en forma más eficiente que una barrenacon cortadores fijos.

En los pozos vecinos, tanto las barrenas deconos giratorios como las barrenas de cortadorfijo (diseños de PDC e impregnados de diamante),experimentaron una vida útil corta, bajos metra-jes por barrena y gran desgaste ocasionado por laabrasión y el calor. La sección horizontal de unpozo vecino consumió 25 barrenas de insertos ymás de 500 horas de perforación. Debido a queesta formación puede triturarse, se eligieron lasbarrenas de conos giratorios para reducir el res-balamiento. Se utilizaron tacos de apoyo (almo-hadillas, patines) laterales más grandes y másfuertes para estabilizar las barrenas en formalateral. Las superficies expuestas se mejoraroncon diamante al igual que los tacos de apoyolaterales, el talón, los insertos de la primerahilera intermedia y los insertos centrales. Elángulo de excentricidad del cono se redujo o eli-minó para minimizar el resbalamiento y generarmás acción trituradora. Las disposiciones irregu-lares de insertos mejoraron el triturado en formaadicional y redujeron la fricción por resbala-miento de los insertos en hendiduras o surcos.

La sección horizontal del primer pozo se per-foró en 215 horas con once barrenas de insertosde 81⁄2 pulgadas de diámetro. Las velocidades depenetración se incrementaron de 1.25 m/hr [4pies/hr—ROP alcanzado en un pozo adya-cente—a 2.8 m/hr [9 pies/hr]. El rendimiento delcojinete no fue un factor limitante. Las barrenasEHP fueron escogidas por su desempeño en con-diciones severas de perforación y por sus venta-jas en cuanto a la retención del cono del cojineteThreaded Ring. Los insertos mejorados de dia-mante mostraron un desgaste limitado. Pero lostacos de apoyo laterales experimentaron un altodesgaste. Sobre la base de estos resultados, laexcentricidad del cono se redujo a 0°, se incre-mentó en forma sustancial el número de insertosde diamante en el área del taco de apoyo lateral,y se incrementó la cobertura de insertos de dia-mante en la hilera intermedia del cortador.

En el segundo pozo, la velocidad de penetra-ción promedio se incrementó a 3.5 m/hr [11pies/hr], lo que requirió nueve barrenas y 176horas para perforar el tramo horizontal. En el ter-

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Sello metálico en formade anillo del lado de la

pieza de sujeción

Energizadorde la pieza de

sujeción

Lodo de perforación

Sello O-ring estático

Cono

Pieza desujeción

Sello metálicoen forma de anillodel lado del cono

Cojinete flotanteplateado dealeación de berilioy cobre

Resorteenergizadordel cono

> Sellos con superficie metálica. Los sellos metálicos prometen ampliar ymejorar la durabilidad y la vida útil de la barrena. El acero inoxidable lubri-cado genera menor fricción y calentamiento por resbalamiento que los elas-tómeros sobre el acero y además posee una mayor resistencia al calor o alataque químico.

El incremento en el uso de los motores y lasturbinas de fondo someten a las barrenas a rota-ción de alta velocidad y a velocidades de resbala-miento que ocasionan fallas en los sellos antes detiempo. La investigación indicó que un sello textu-rizado podía resistir el desgaste y retener la grasabajo estas condiciones.11 Este sello autolubricantemantiene la grasa en el área texturizada, lo quereduce la fricción y proporciona una vida útil másprolongada del sello. Los sellos de metal se utili-zan también para perforaciones expuestas a altatemperatura y a alta velocidad, y en ambientescon productos químicos abrasivos (abajo).12

Optimización del rendimiento de los conos giratoriosEl programa de perforación de cinco pozos paraTotalFinaElf en el campo Tin Fouyé Tabankort(TFT), ubicado al oeste de Argelia ilustra lasmejoras que pueden lograrse utilizando nuevosmateriales y avanzados diseños (próximapágina).13 El campo TFT produce gas de un yaci-miento de arenisca Ordoviciana, ubicado a una

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Invierno de 2001 47

11. Carter MW, Daly JE y Van Nederveen H: “A New SealedBearing Rock Bit for High-Speed Drilling,” artículo de laSPE 14385, presentado en la Conferencia Técnica yExhibición Anual de la SPE No 60, Las Vegas, Nevada,EUA, Septiembre 22-25, 1985.Daly JE y Kotch RJ: “Roller Cutter Drill Bit Having aTexturized Seal Member,” Patente de EUA, No. 4,619,534(Octubre 28, 1986).

12. Daly JE, Pearce DE y Wick TA: “Different StiffnessEnergizers for MF Seals,” Patente de EUA, No. 875,861(Marzo 2, 1999).Pearce DE: “Face Seal Having Strain Induced Face

Argelia

Libia

Nigeria

Marruecos

Mar Mediterráneo

Campo Hassi

Messaoud

CampoTin FouyéTabankort

Campo Algiers Túnez

Insertos mejoradosde diamante

Hileras de cortadores de insertosmejorados de diamantes

África

> Barrenas de conos giratorios optimizadas. El rendimiento de la per-foración horizontal en la arenisca ultra abrasiva, semidura del campoTin Fouyé Tabankort (TFT) en Argelia (arriba) se mejoró optimizandobarrenas EHP con cojinetes Threaded Ring, con 0° de ángulo de excen-tricidad y contorno mejorado de diamante, insertos en el talón y en lahilera central y en los tacos de apoyo laterales (almohadillas, patines)(abajo). Los insertos de PDC o con revestimiento de diamante son rela-tivamente nuevos en las barrenas de conos giratorios, pero los resulta-dos son impresionantes. En ambientes que dañan seriamente los inser-tos de carburo de tungsteno, los insertos recubiertos de diamantepermanecen virtualmente intactos. Las barrenas tienen una vida útilmás prolongada y perforan más metraje, lo que significa menos viajespara reemplazar las barrenas y costos de perforación reducidos.

cer pozo, el tiempo de perforación disminuyó a123 horas. Se utilizaron sólo 6 barrenas y la velo-cidad de penetración se mejoró nuevamente a4.8 m/hr [16 pies/hr]. En el quinto pozo, se per-foraron 637 m [2090 pies] con seis barrenas en121.5 horas, a 5.3 m/hr [17 pies/hr]. Comparandocon el pozo adyacente, la velocidad de penetra-ción promedio y el metraje perforado por pozo semejoró en más del 400% y el tiempo en viajes seredujo drásticamente. Los ahorros totales porpozo fueron de más de $1 millón.

Hidráulica avanzada enlos conos giratoriosLa hidráulica de la barrena comprende cuatro fun-ciones básicas: la separación de los recortes des-prendidos, la limpieza de los conos y loscortadores, el enfriamiento de la barrena y eltransporte de los recortes hacia la superficie paraevitar la pulverización de los mismos.14 No obs-tante, la colocación de boquillas convencionalesdirige el flujo del lodo de perforación directa-mente hacia abajo y no limpia los conos o el agu-jero antes de que las estructuras cortantes hagancontacto con la formación. Como resultado, lasastillas de roca permanecen en el fondo y puedenadherirse a los conos o quedar encerradas entrelas estructuras cortantes, ocasionando un fenó-meno conocido como empastado de la barrenaque evita la penetración total de la formación vir-gen. Por lo tanto, la hidráulica de la barrenainfluencia en forma importante el rendimiento delos conos giratorios y las velocidades de penetra-ción óptimas.

La relación entre la velocidad de penetración,la limpieza de la barrena y la remoción de recor-tes fue reconocida por primera vez en las prue-bas de laboratorio efectuadas con barrenas detamaño natural. Antes de alcanzar el rendi-miento estacionario, las barrenas perforan enuna forma ligeramente más rápida ya que losdientes o los insertos al principio cortan a lolargo de toda su extensión. Esta longitud decorte disminuye gradualmente a medida que losrecortes se empaquetan alrededor de los corta-dores, lo cual reduce la penetración en la forma-ción. Estas observaciones condujeron a una seriede pruebas para analizar los efectos de variar ladirección y la ubicación de la boquilla. En la pri-mera prueba, el ángulo de la boquilla se orientódirectamente hacia los cortadores. La penetra-ción mejoró en forma importante, demostrandola importancia de la redirección del flujo para lalimpieza de las barrenas y el impedimento delempastado.

Geometry,” Patente de EUA, No. 6,109,376 (Agosto 29, 2000).

13. Besson A, Rabourdin JL, Huon W y Cazenave F: “How toDesign Rock Bits to Drill Ultraabrasive QuartziticSandstone in Horizontal Wells, Algeria,” artículo de lasSPE/IADC 52878, presentado en la Conferencia dePerforación de las SPE/IADC, Amsterdam, Paises Bajos,Marzo 9-11, 1999.

14. Doiron HH y Deane JD: “Effects of Hydraulic ParameterCleaning on Rate of Penetration of Soft Formation InsertBits,” artículo de la SPE 11058, presentado en laConferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 57,Nueva Orleáns, Luisiana, EUA, Septiembre 26-29, 1982.

Page 11: Bordes cortantes

Para optimizar el rendimiento de la barrena,se sometieron a prueba diferentes extensiones yorientaciones de la boquilla (abajo). Las boquillasparcialmente extendidas se dirigieron hacia losbordes principales de los conos entre el contornoexterior y las hileras intermedias del cortadorpara limpiar la barrena y el fondo del agujeroantes de que la estructura cortante hiciera con-tacto con la formación. Esta tecnología Mudpick,patentada, mejoró las velocidades de penetra-ción en más de un 20% en las pruebas de labora-torio, proporcionando velocidades de penetraciónconsistentemente más altas en comparación conlas de los diseños convencionales de boquillarecta.15 Las extensiones de la boquilla se forjancomo partes integrantes de la pieza de sujeción afin de evitar el agregado de piezas por separado.

La investigación y las pruebas realizadas aescala natural originaron otras modificaciones enla ubicación y la dirección de la boquilla. Los cho-rros de fluido fueron dirigidos hacia los cortado-res laterales para que el lodo de perforación aalta velocidad limpie los conos antes de efectuarun cambio de dirección suave y los arrastre pordebajo de los conos. El diseño hidráulicoMudpick II elimina las áreas de estancamiento defluido, y mejora las velocidades de penetraciónen más del 45% cuando se usan barrenas con-vencionales para perforar formaciones blandas osemiduras.16

En las formaciones donde la vida útil de labarrena está limitada por fallas de la estructuracortante, los diseños hidráulicos avanzados per-miten que se utilicen estructuras de corte máscortas y durables sin sacrificar la penetración.Muchos intervalos pueden hoy en día comple-tarse con una sola barrena. La elección de lahidráulica Mudpick o Mudpick II depende del tipode formación. Los diseños Mudpick se utilizan enbarrenas de dientes fresados para formacionesblandas. La hidráulica Mudpick II es estándar enlas barrenas de insertos EHP de alta calidad. Lainvestigación actual está centrada en los mejora-mientos adicionales para la remoción de recortesa fin de evitar el retriturado.

Tecnología del cortador fijo Las modernas barrenas de cortador fijo son des-cendientes de la barrena de arrastre con cuchillade acero y de las barrenas sacatestigos de dia-mante natural. Existen dos tipos de barrena decortador fijo: acero y de matriz (próxima página).Estas barrenas clasificadas como de diamantenatural, de un compuesto policristalino de dia-mante (PDC) híbridas e impregnadas de dia-mante, no cuentan con partes móviles ocojinetes, sino que tienen cuchillas. En 1953,Hycalog comenzó a fabricar barrenas utilizandodiamantes naturales colocados en la superficie.Las barrenas de PDC se comenzaron a comercia-

lizar en 1973; los diseños mejorados híbridoscombinaron el PDC y los cortadores revestidos dediamante. Las barrenas impregnadas cuentancon diamantes en o cerca de la superficie de lascuchillas. Los diamantes naturales están monta-dos en las barrenas con estructura de acero opreviamente fijados en las cavidades del moldeantes de sinterizar las barrenas de matriz concarburo de tungsteno. Los insertos de PDC pue-den montarse tanto en las barrenas de acerocomo en las barrenas de matriz.

La fabricación de barrenas de acero de unasola pieza elimina la soldadura, y los detalles dediseño son tales que pueden fabricarse ajustán-dose mucho más a las tolerancias. Las estructu-ras de corte se montan a presión en agujeros

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> Hidráulica avanzada de la barrena. La acción de corte es más eficaz cuando las astillas de roca se retiran inmediatamente. El flujo de fluido alrededor ypor debajo de las barrenas puede observarse en la Cámara de Visualización de Flujo de Reed-Hycalog (extrema izquierda). La hidráulica convencional dirigeel flujo hacia el fondo o hacia la esquina del fondo de un agujero (izquierda). El líquido se dispersa 360° en forma radial, y mucha de la energía hidráulica dellodo de perforación se pierde en el espacio anular. El flujo restante converge en las áreas de flujo estancado que coinciden con las zonas donde los cortado-res hacen contacto con la roca, lo cual reduce la velocidad de flujo y la eficiencia de la limpieza del agujero, así como también la penetración. Los diseñoshidráulicos Mudpick utilizan boquillas anguladas en forma exacta y ligeramente extendidas para limpiar los cortadores y la formación antes de que interac-túen, y mueven las áreas de flujo estancado lejos de las zonas de corte (derecha). La hidráulica del diseño Mudpick II maximiza la eficiencia en la penetra-ción para las barrenas de insertos (extrema derecha). El flujo de fluido limpia los insertos internos y los del taco de apoyo, y se impulsa por debajo de los cor-tadores para limpiar el fondo del agujero. El flujo que pasa por debajo de los cortadores se maximiza para garantizar la remoción de las astillas.

Convencional Mudpick Mudpick II

15. Slaughter RH Jr: “Development, Laboratory, and FieldTest Results of a New Hydraulic Design for Roller ConeRock Bits,” artículo de la SPE 14220, presentado en laConferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 60,Las Vegas, Nevada, EUA, Septiembre 22-25, 1985.Childers JS y Pastusek PE: “Drill Bit Having AngledNozzles for Improved Bit and Well Bore Cleaning,”Patente de EUA, No. 4,546,837 (Octubre 15, 1985).Moffitt SR y McGehee DY: “Performance Comparison of Rolling Cutter Bits with Alternative Nozzle Config-urations,” artículo de las SPE/IADC 18630, presentado enla Conferencia de Perforación de las SPE/IADC, NuevaOrleáns, Luisiana, EUA, Febrero 28-Marzo 3, 1989.

16. Moffitt SR, Pearce DE y Ivie CR: “New Roller Cone Bits with Unique Nozzle Designs Reduce Drilling Costs,”artículo de las IDAC/SPE 23871, presentado en laConferencia de Perforación de las IADC/SPE, NuevaOrleáns, Luisiana, EUA, Febrero 18-21, 1992. Ivie CR y Pearce DE: “Hydraulic Action for Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No. 5,096,005 (Marzo 17, 1992).

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Invierno de 2001 49

precisamente labrados y ligeramente más peque-ños, perforados mediante fresas controladasnuméricamente por computadora, (CNC, por sussiglas en Inglés) que también cortan el agujeroprincipal, las cuchillas, las ranuras para desechoso conductos para el lodo, las cavidades de losinsertos laterales y de PDC, los agujeros de lasboquillas y las roscas. El acero es más blando que

CortadoresfrontalesFlanco o

adelgazamiento

Boquillasintercambiables

ConoSaliente

Acerosólido

Diámetro ocontorno de

corte

Perno de conexión API

Diámetrointerior del portabarrena

Cuchillas

Boquillasintercambiables

Husillosgiratorioshíbridos

impregnadosde diamante

Ranurapara desechos

Cortadores de PDC Cortadores de PDC

Superficie de enrosque

Bisel

Ranura delsaltador de barrena

Cuerpo

Tacos desoporte lateralde diamante

Insertos laterales

Cortadores laterales

Vacío de acero

Diámetro ocontorno decorte

Matriz de carburode tungsteno

Reborde

Saliente Cono

Ranura de soldadura

MatrizEstructura de acero

Tipos de barrenas con cortador fijo

Diamante natural Híbrida

PDC Impregnada de diamante

> Barrenas de cortador fijo de acero y de matriz. Para fabricar las estructuras de las barrenas de acero, el cuerpo de las mismas se fabrica en tornoscontrolados numéricamente por computadora, (CNC, por sus siglas en Inglés) (izquierda). Las barrenas de acero soportan mejor el impacto o las cargasde torsión y se prefieren para formaciones blandas y tamaños de agujeros más grandes. El proceso de metalurgia de partículas pulverizadas se utilizapara sinterizar las barrenas de matriz (derecha). Las barrenas de matriz que duran más y que pueden fabricarse en formas complejas, son las preferidascuando el lodo tiene un alto contenido de sólido, cuando las tasas (gasto, caudal, rata) de bombeo y la potencia hidráulica requeridas son altas, y parapozos que exigen barrenas de vida útil prolongada. Las barrenas de diamante natural (arriba a la izquierda) e impregnadas de diamante (abajo a la dere-cha) son aptas para formaciones semiduras y extremadamente duras, cuya abrasividad es mediana o extremadamente alta. Los diamantes se colocansobre la superficie o se dispersan en la matriz de carburo de tungsteno en o cerca de las superficies de las cuchillas. Las barrenas de PDC (abajo a laizquierda) son más adecuadas para formaciones que van de blandas a duras, con baja a alta abrasividad. Las barrenas híbridas (arriba a la derecha)cuentan con husillos giratorios impregnados de diamante que comparten las cargas con elementos de corte primarios de PDC.

el carburo de tungsteno, pero en las áreas críti-cas pueden aplicarse metales duros. El carburode tungsteno es más frágil que el acero, peroposee una mayor resistencia a la erosión. Lospolvos de carburo de tungsteno y una aleaciónadherente se colocan en un molde con un núcleode acero y se sinterizan para producir barrenasde matriz. Las partículas de carburo se unen y

forman un enlace entre la parte interna delnúcleo de acero y la capa exterior de carburo detungsteno o corona.

La energía necesaria para perforar una for-mación se determina por la acción cortante. Delos mecanismos básicos de remoción de rocas, elcorte es el más eficaz debido a que la resistenciaa la tensión de las rocas normalmente es menor

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a la resistencia a la compresión (izquierda). Lasbarrenas de PDC perforan rápido debido a laacción de corte que ejercen, lo que requieremenos energía que las grandes cargas que oca-sionan fallas por compresión en las formaciones.Las barrenas de diamante natural y las barrenasimpregnadas de diamante perforan lentamenteranurando y pulverizando respectivamente, loque hace que ambas requieran una gran cargasobre la barrena y altos esfuerzos de torsión (tor-que). Las barrenas de cortadores fijos cuestanmás, pero perforan más rápidamente y duranmás que las barrenas de conos giratorios enalgunas formaciones duras y abrasivas.

El diamante, el material más duro conocidopor el hombre, es carbón cristalino casi puro. Es10 veces más duro que el acero, 2 veces más du-ro y 10 veces más resistente al desgaste que elcarburo de tungsteno, y 20 veces más resistentea la compresión que el granito. Además, entretodos los materiales conocidos, el diamantetiene el más bajo coeficiente de fricción y la másalta conductividad térmica. Las barrenas de dia-mante natural utilizan diamante industrial (no dela calidad del de las joyas) proveniente de rocasnaturales, que son trituradas y procesadas paraproducir tamaños específicos y formas redondea-das regulares. Las velocidades de penetraciónson relativamente bajas (aproximadamente 20pies/hr [6 m/hr], como máximo), pero una barrenade diamante diseñada adecuadamente puededurar hasta 6 días a 15,000 pies [4572 m], en for-maciones que van de semiduras a duras.

50 Oilfield Review

Hasta 2732°F [1500°C]

Hasta 2,000,000 lpc [13,733 MPa]Substrato de carburo de tungsteno

(controlado por el cobalto mediante el gradiente de concentración)

Tabla de diamante

Anillos de sal

Partículas de diamante

(controlado por el cobalto mediante el gradiente de concentración)

Substrato de carburo de tungsteno

Partículas de diamante

Tabla de diamantePieza de separación

Síntesis del compuesto policristalino de diamante. Reed-Hycalog fabrica cortadores de PDC utilizando dos prensascúbicas de diamante propias con seis yunques controla-dos en forma independiente, dispuestos en pares opues-tos que aplican presiones y temperaturas ultraelevadas afin de lograr la unión de las capas de diamante entre sí(izquierda). Los cortadores de PDC están formados poruna capa de partículas de diamante sintético, o tabla dediamante, adherida sobre un substrato más grueso de car-buro de tungsteno (centro). Estas estructuras de corte seutilizan como tales, o adheridas a un refuerzo más largo decarburo de tungsteno para facilitar el acoplamiento y pro-porcionar mayor exposición de corte. La fabricación decortadores de PDC requiere un control preciso de la pre-sión y de la temperatura (derecha). El equipo másmoderno y las capacidades de síntesis interna de Reed-Hycalog, le ayudan a establecer las especificaciones delPDC, mejoran el control del proceso y hacen más rápido eldesarrollo del producto.

Compresión

Angulo de inclinación

lateral

Angulo de inclinaciónposterior

Barrena de PDC—corte

Exposición

Resi

sten

cia

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CS),

lpc

LutitaMancos

LutitaPierre

Corte

10,000

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Barrena de diamante natural—ranurado Barrena impregnada de diamante—triturado

>

> Acciones de perforación de los cortadores fijos. Lasbarrenas de diamante natural son barrenas de arrastreque perforan ranurando (arriba a la izquierda). Lasbarrenas impregnadas de diamante trituran las forma-ciones como una rueda abrasiva o lija (arriba a la dere-cha). Las barrenas de PDC perforan rápidamente cor-tando las formaciones en forma muy similar a como lohace un torno (centro a la izquierda). Como regla gene-ral, es más fácil remover la roca cortándola (abajo a laizquierda). Los ángulos de inclinación posterior y lateraly la exposición del cortador definen cuán agresiva-mente los cortadores de PDC harán contacto con lasformaciones (centro y abajo a la derecha).

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Invierno de 2001 51

Cuando se introdujeron las barrenas de dia-mante, se utilizaron pequeños diamantes enforma de arenilla. Los diamantes se colocaron encuchillas de carburo de tungsteno durante la sin-terización, pero las cuchillas tendieron a desgas-tarse demasiado rápido. Además, los diamantesse aflojaban y finalmente originaban la detenciónde la perforación. Esto dio como resultado barre-nas convencionales de diamantes con piedrasmás grandes fijadas siguiendo patrones específi-cos. No obstante, cuando los diamantes natura-les fijados en la superficie se salen de la matriz ose pulen, no quedan elementos duros y filosospara moler las formaciones. Las velocidades depenetración disminuyen y se presentan fallas dedesgaste del anillo.

En un principio, la aplicación de barrenas dediamante natural no se comprendía bien y losdiseños se basaban en la intuición. Hoy en día,las barrenas de diamante y el tamaño de los dia-mantes se ajustan a la dureza de la formación.Las barrenas para formaciones más blandas uti-lizan diamantes grandes para producir hendidu-ras. Los diamantes pequeños producen más unaacción de pulverizado y se utilizan para perforarformaciones duras.

Los diamantes naturales se forman en zonasprofundas de la tierra sometidas a intenso calory extrema presión durante miles de años. A prin-cipios de la década de 1970, General Electricdesarrolló un proceso de sinterización para fabri-car diamantes sintéticos. Delgadas capas circu-lares de grafito de carbono y cobalto secolocaban en forma alternada en pequeñas latasy se prensaban a 2 millones de lpc [13, 733 MPa].Luego se las calentaba hasta 2732°F [1500°C]durante cinco minutos. El cobalto fundido,actuando como catalizador y solvente, disuelveel grafito y deposita arenilla monocristalina dediamante, la cual se conglomera y se une paraformar una capa policristalina de diamante otabla. Los cristales individuales, como los dia-mantes naturales se resquebrajan si las cargasde impacto se aplican en la dirección correcta,pero los diamantes policristalinos adheridos, nocuentan con planos de clivaje (resquebraja-miento) y son más resistentes al impacto.

Reed-Hycalog utiliza proveedores externos,pero también produce cortadores de PDC para lainvestigación y la fabricación de barrenas con dosprensas cúbicas de diamante propias (páginaanterior, abajo). Este enfoque ayuda a establecerlas especificaciones de las barrenas de PDC envez de tener que evaluar y aceptar únicamenteproductos estándar. Los cortadores de PDC estánformados por discos de diamante sintético ysubstratos más gruesos de carburo cementado. Elcobalto forma un enlace con el substrato para for-mar compactos integrales que con frecuencia seadhieren a refuerzos más largos de carburocementado para el montaje.

Al ser calentado, el cobalto se expande másque el diamante. A 1292°F [700°C] esta expansiónquiebra el enlace entre el cobalto y el diamante,de modo que los cortadores de PDC deben perma-necer por debajo de esta temperatura a fin de evi-tar la falla. Para ayudar a superar esta limitación,los diamantes policristalinos termalmente es-tables, (TSP, por sus siglas en Inglés) se producentratando con ácido los nuevos diamantes sinté-ticos con el fin de extraer el cobalto. Los cor-tadores de TSP permanecen estables a 2100° F[1150°C], pero son mantenidos en su lugar en for-ma mecánica debido a que ellos no pueden per-manecer adheridos directamente a los soportes.El silicio, el cual reacciona con las partículas dediamante para formar el carburo de silicio, puedeutilizarse en lugar del cobalto. El carburo de silicioenlaza las partículas de diamante y posee un coe-ficiente de expansión térmica mucho menor al delcobalto. Esta forma de TSP es estable a más de1150°C, pero también es difícil de adherir.

Los cortadores de PDC son más resistentes alimpacto que los diamantes naturales y son extre-madamente eficaces en rocas duras moderada-mente abrasivas. La resistencia a la abrasión semejoró en forma importante después de 1994 de-bido al desarrollo acelerado de materiales, peroseguía existiendo una situación de compromisodebido a la relación inversa entre la resistenciaal impacto y a la abrasión. Estas propiedades de-penden principalmente del procesamiento y deltamaño del grano del diamante. Granos másgrandes hacen que los compactos de diamantesean más resistentes al impacto, pero menos re-sistentes a la abrasión. Los granos más peque-ños incrementan la resistencia a la abrasión peroreducen la resistencia al impacto. Reed-Hycalogoptimiza las estructuras de corte del diamante,mezclando diferentes tamaños de polvo de dia-mante para proporcionar una mejor resistenciatanto a la abrasión como al impacto (arriba).

El rendimiento del PDC también se ve limita-do por el espesor de la tabla de diamante, lo quees una función de la difusión de cobalto desde lacapa de carburo de tungsteno hacia la capa dediamante, y mediante esfuerzos inducidos por laexpansión térmica y la contracción del carburode tungsteno. La tensión residual alta y las partí-culas de diamante no sinterizadas como resul-tado de una incompleta recolección de cobaltodurante la síntesis de PDC, ocasionan la separa-ción de las laminaciones, el descascarillado y elagrietamiento de las tablas de diamante queacortan la vida útil del cortador y termina prema-turamente con las carreras de las barrenas. Losmodernos cortadores ASTRA, utilizan diseños

Microestructura del diamante sintético. Hoy en día, los componentes de PDCson más durables al impacto y tienen mayor resistencia a la abrasión que enel pasado (abajo). La optimización de la distribución de las partículas de dia-mante y del procesamiento térmico ha mejorado la calidad del diamante. En elpasado, la relación inversa entre la resistencia al impacto y la resistencia a laabrasión del PDC, ponía a los fabricantes y a los usuarios en una situación decompromiso. En la actualidad, los cortadores clasificados como Top Right-hand Corner (TRC) se fabrican utilizando una síntesis mejorada de diamantepara mezclar los tamaños de las partículas de diamante que optimizan tanto laresistencia al impacto como la resistencia a la abrasión (arriba).

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1

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1984 1986 1987 1988 1993 1994*

*1994 terminación de la patente para la producción del compuesto PDC

1996 1997

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Resistencia a la abrasión

Línea de compromiso

Arena gruesa Arena fina mezclada

Arena muy fina

>

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con interfases diamante-carburo no planas, (NPI,por sus siglas en Inglés) para resolver algunas li-mitaciones inherentes a los cortadores conven-cionales que utilizan interfases planas entre latabla de diamante y el substrato de carburo detungsteno (abajo).17 El espesor de la tabla dediamante y las tensiones residuales han sidosiempre una debilidad del PDC, pero los mejora-mientos en el procesamiento y la geometría NPIincrementan el volumen del diamante y reducenlas tensiones en los cortadores modernos.

La geometría NPI reduce la tensión residual apartir de la contracción del carburo y proporcionaun bloqueo mecánico en las interfases diamante-carburo para incrementar la resistencia al impacto.El área superficial adicional para el enlace y ladifusión de cobalto, permite que los volúmenes dediamante se incrementen de 25 a 40%. Los impac-tos fuertes ocasionan la ruptura de los cortadores,especialmente cuando los cortadores de PDC sonnuevos y todo el peso aplicado sobre la barrena yla fuerza cortante están dirigidos al extremo late-ral. A medida que se desgastan los cortadores, lasfuerzas se esparcen a lo largo del borde desgas-tado, reduciendo las tensiones y el riesgo de daño.Los cortadores TuffEdge presentan un ligero biselque reduce las concentraciones de tensión amedida que los bordes cortantes hacen contacto ycomienzan a cortar.

La estabilidad de la barrena de PDC es un fac-tor clave en cuanto al rendimiento general de laperforación. El entendimiento de la dinámica y delas características de diseño que ayudan a dominarlos movimientos destructivos de la barrena en elfondo del hueco, es sumamente importante almomento de diseñar y seleccionar barrenas dePDC. Una barrena estable incrementa la velocidadde penetración y la calidad del agujero, dura muchomás, reduce el daño al resto del equipamiento defondo (BHA, por sus siglas en Inglés) y mejora elmanejo direccional mediante el suavizado de lasvariaciones de los esfuerzos de torsión.

En el fondo del hueco, las barrenas de PDC semueven en una forma extremadamente caótica,incluyendo vibraciones laterales, axiales y torsio-nales que se presentan solas o combinadas. Lasvibraciones en el fondo del hueco reducen la vidaútil de la barrena, dañando los cortadores de PDCindividuales, interfieren con el control direccionaly con la telemetría de adquisición de registrosdurante la perforación, (LWD, por sus siglas enInglés), ocasionando variaciones de los esfuerzosde torsión, y reducen la calidad del hueco, cre-ando agujeros de diámetros mayores a los de labarrena. Las vibraciones laterales, axiales y tor-sionales que se presentan en el fondo del hueco,representan movimientos en forma de remolino,el rebote de la barrena y movimientos de colga-miento-deslizamiento (stick-slip) respectiva-mente (próxima página).18

Cuando los cortadores de PDC alcanzan elfondo del hueco en forma asimétrica, el centro derotación instantáneo se desplaza hacia esepunto, y la barrena intenta girar alrededor de unpunto diferente a su centro geométrico. Esto creaun movimiento hacia atrás, o en forma de remo-lino, a medida que el centro de rotación de labarrena se mueve alrededor del hueco en direc-ción contraria a la rotación de la barrena. Esto dacomo resultado patrones de lóbulos múltiples enel fondo del hueco, en lugar de los cortes circu-lares concéntricos de una barrena estable. Lasvibraciones laterales y las cargas de alto impactoen la parte posterior de los cortadores de PDCreducen la vida útil de la barrena y pueden oca-sionar fallas catastróficas de la barrena. El movi-miento en forma de remolino hacia delante esmenos destructivo y ocurre cuando el centro derotación instantáneo se mueve en la mismadirección que lo hace la rotación de la barrena.

Los diseños de barrena estable reducen elmovimiento lateral ajustando el tipo, el tamaño,la densidad, la orientación y la ubicación del cor-tador, de modo que los cortadores se sigan unosa otros y no muerdan tan profundo.19 La inclina-ción posterior del cortador controla la agresivi-dad con que los cortadores envisten lasformaciones y pueden utilizarse para reducir lasvibraciones, pero los ángulos elevados tambiénlimitan la profundidad de corte y la velocidad depenetración. Además del refuerzo de los nuevosbordes del cortador de PDC, los cortadoresTuffEdge que tienen un borde delantero biseladoreducen la agresividad de la barrena, lo cual tam-bién incrementa la estabilidad. Los cortadores dePDC DiamondBack, colocados detrás de los cor-tadores primarios en la misma cuchilla y a lamisma profundidad de corte, ofrecen mayor esta-bilidad y más volumen de diamante en los rebor-des de la barrena, lo que permite contornos másestables y más cortos.

El perfil de la barrena y la estructura del con-torno, o configuración, actúan para mantener laestabilidad. En las pruebas de laboratorio, losperfiles o contornos planos o que cuentan conconos internos profundos reducen las vibracionesde la barrena. Los tacos de apoyo laterales, dis-puestos en forma de espiral, reducen la capaci-dad de una barrena de penetrar lateralmente ode penetrar directamente en las paredes de unaperforación, mediante el aumento de la circunfe-rencia de contacto. Los tacos de apoyo lateralesbiselados limitan la agresividad del corte lateraly reducen la tendencia de las barrenas paraasirse a la pared del hueco y provocar inestabili-dad. Las posiciones asimétricas de la cuchilla

52 Oilfield Review

SubstratoTabla de diamanteTabla de diamante

Borde estándar Borde biselado

Cortador de PDC

> Cortadores avanzados. El rendimiento de los cortadores de PDC se ha mejorado no solamentemediante el uso de un material de diamante con más resistencia al impacto y a la abrasión, sino tam-bién a través de la geometría. Una superficie no plana proporciona un bloqueo mecánico entre latabla de diamante y el substrato de carburo de tungsteno, y una superficie mayor para la difusión delcobalto (izquierda). Esto mejora los perfiles de tensión respecto de los cortadores de PDC planos,incrementa la resistencia al impacto y permite volúmenes de diamante mucho mayores. Los mejora-mientos en la resistencia al impacto también contribuyen a una mejor resistencia a la abrasiónmediante la ligera reducción de la microdevastación de las tablas de diamante. No obstante, no setrata simplemente de incrementar el volumen del diamante. Las tablas de diamante más gruesas pre-sentan menor resistencia a la abrasión, de modo que deben optimizarse simultáneamente las carac-terísticas de abrasión y desgaste por impacto. Los cortadores biselados reducen las concentracio-nes iniciales de tensiones en los bordes del PDC (arriba a la derecha).

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Invierno de 2001 53

rompen los patrones lobulares regulares delhueco. Las cuchillas montadas en forma de espi-ral proporcionan asimetría adicional rompiendola única línea de contacto del cortador, de modotal que es menos probable que la barrenamuerda uniformemente en forma lateral las for-maciones y establezca un punto de rotación dife-rente al centro de la barrena.

Los ambientes en el fondo del hueco provo-can muchas fuerzas sobre las barrenas de perfo-ración. El equilibrio de las barrenas que se logracon el diseño de las cuchillas y de los cortadoresque minimizan las fuerzas en desequilibrio, hasido reconocido como una característica de esta-bilidad. A pesar de que variaciones, tales comola anisotropía y la dureza de la formación tiendena anular las estructuras de corte equilibradas, elequilibrio de las fuerzas, por lo menos, minimizalas vibraciones laterales inducidas por labarrena. En muchas aplicaciones, las barrenascon una o más características estándar de esta-bilidad reducen la dinámica de la barrena y pro-porcionan un rendimiento aceptable. Sinembargo, si las vibraciones son severas e impac-tan en forma significativa los resultados de per-foración, se harán necesarias otras medidas.

Otra técnica consiste en instalar un taco deapoyo lateral grande de baja fricción (LFGP, porsus siglas en Inglés) de un lado de la barrena, yacomodar los cortadores de PDC de modo que lasfuerzas en desequilibrio se dirijan hacia el tacode apoyo. El diseño antiremolino del LFGP fuedesarrollado por Amoco Research para minimizarlas vibraciones laterales.20 La desventaja es quelas fuerzas desequilibradas y sus direcciones sondifíciles de predecir. La estabilidad de unabarrena LFGP también puede verse comprome-tida por grandes fuerzas de acción lateral, comolas que se presentan durante la perforacióndireccional.

Reed-Hycalog utiliza un LFGP más grande sinelementos de corte para compensar dicha incer-tidumbre. Debido a que las barrenas antiremo-lino carecen de capacidad de corte lateral, losconjuntos de fondo deben minimizar las fuerzaslaterales para lograr un rendimiento óptimo.Además de las características de estabilidadestándar y de las barrenas antiremolino LFPG, seutilizan conceptos de diseños específicos parafavorecer la estabilidad de la barrena. Estos con-ceptos incluyen el taco de soporte lateral conti-nuo y los cortadores híbridos.

17. Matthias TR, Griffin ND y Fuller JM: “Elements Faced with Superhard Material,” Patente de EUA, No.5,590,728 (Enero 7, 1997).

18. Brett JF, Warren TM y Behr SM: “Bit Whirl: A New Theoryof PDC Bit Failure,” artículo de la SPE 19571, presentadoen la Conferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPENo 64, San Antonio, Texas, EUA, Octubre 8-11, 1989.Brett JF: “The Genesis of Bit-Induced Torsional DrillstringVibrations,” artículo de la SPE/IADC 21943, presentado enla Conferencia de Perforación de las SPE/IADC,Amsterdam, Países Bajos, Marzo 11-14, 1991.Langeveld CJ: “PDC Bit Dynamics,” artículo de lasIADC/SPE 23867, presentado en la Conferencia dePerforación de las IADC/SPE, Nueva Orleáns, Luisiana,EUA, Febrero 18-21, 1992.Kyllingstad A y Halsey GW: “A Study of Stick-Slip Motion ofthe Bit,” artículo de la SPE 16659, presentado en laConferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 62,Dallas, Texas, EUA, Septiembre 27-30, 1987; también en SPEDrilling and Engineering 3, no. 4 (Diciembre 1988): 369-373.

Warren TM y Oster JH: “Torsional Resonance of Drill Collars with PDC Bits in Hard Rock,” artículo de laSPE 49204, presentado en la Conferencia Técnica yExhibición Anual de la SPE No 73, Nueva Orleáns,Luisiana, EUA, Septiembre 27-30, 1998.

19. Sinor LA, Powers JR y Warren TM: “The Effect of PDC Cutter Density, Back Rake, Size, and Speed onPerformance,” artículo de las IADC/SPE 39306, presen-tado en la Conferencia de Perforación de las IADC/SPE,Dallas, Texas, EUA, Marzo 3-6, 1998.

20. Warren TM, Brett JF y Sinor LA: “Development of aWhirl-Resistant Bit,” artículo de la SPE 19572, presen-tado en la Conferencia Técnica y Exhibición Anual de laSPE No 64, San Antonio, Texas, EUA, Octubre 8-11, 1989.Sinor LA, Brett JF, Warren TM y Behr SM: “Field Testingof Low-Friction Gauge PDC Bits,” artículo de la SPE20416, presentado en la Conferencia Técnica yExhibición Anual de la SPE No 65, Nueva Orleáns,Luisiana, EUA, Septiembre 23-26, 1990.

Dinámica de la barrena MovimientoVibración

ReboteAxial

Colgamien-to-desliza-

miento

Torsional

En forma de remolino

Lateral

> Vibraciones en el fondo del hueco. La dinámica de la barrena de PDC involucra tres modos devibración principales: axial, torsional y lateral que resultan, respectivamente, del rebote de la barrena,los movimientos de colgamiento-deslizamiento (stick-slip) y los movimientos en forma de remolino(arriba a la izquierda). El movimiento en forma de remolino es cualquier movimiento regular caracteri-zado por la rotación de la barrena alrededor de un punto diferente a su centro geométrico. Los movi-mientos hacia atrás en forma de remolino, en los cuales el centro de rotación se mueve alrededor delagujero en oposición a la dirección de rotación de la barrena, reducen el rendimiento de la barrena,dañan los cortadores de PDC y producen formas en el fondo del hueco predeciblemente lobulares(arriba a la derecha). Los lóbulos generalmente avanzan en el fondo del hueco siguiendo una formade espiral en la pared del hueco (abajo a la izquierda) (no confundirse con un agujero en espiral endonde la línea central toma una forma helicoidal). Una barrena estable realiza cortes circulares con-céntricos (abajo a la derecha). El movimiento de colgamiento-deslizamiento hace que la barrenatienda a disminuir su velocidad o se detenga, que aumente el esfuerzo de torsión y posteriormente,que se acelere a medida que gira libremente. El rebote ocurre cuando las barrenas vibran haciaarriba y hacia abajo en el fondo. Los movimientos de la barrena en el fondo del hueco ocurren solos y

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Las barrenas Steeringwheel utilizan un taco desoporte lateral continuo de 360° para centralizar labarrena y mantener la estabilidad lateral (arriba).21

Dado que el contacto de corte cubre todo el hue-co, es menos probable que la barrena penetre enla pared del hueco, lo que reduce la vibración late-ral, incrementa la vida útil de la estructura de cor-te y mejora la calidad del hueco. Estas barrenasgeneran esfuerzos de torsión reactivos y mínimasfluctuaciones de los esfuerzos de torsión, y perfo-ran huecos uniformes para facilitar el deslizamien-to y la transferencia de peso; factores esencialespara controlar la orientación direccional.

Las barrenas Steeringwheel combinan el ren-dimiento direccional de los conos giratorios conlas altas velocidades de penetración de las barre-nas de PDC y reúnen todos los requisitos paraperforar pozos direccionales y horizontales, inclu-yendo las bajas relaciones largo-diámetro, (LAR,por sus siglas en Inglés), la respuesta uniforme alos esfuerzos de torsión y el desempeño antiremo-lino. Es más fácil hacer girar una barrena corta queuna barrena larga. Las barrenas LAR cuentan conuna relación entre dimensiones—longitud de labarrena dividida entre su diámetro—menor a unoy facilitan las operaciones de incremento o dismi-nución angular y de giro. Las barrenasSteeringwheel, que fueron diseñadas prin-cipalmente para aplicaciones de control direccio-nal, cuentan con una reducida longitud de corte yun perfil plano que cumplen con el requisito LAR.

Los cortadores de PDC que se siguen, o ras-trean unos a otros, tienden a dejarse llevar por lasranuras o hendiduras creadas por los cortadoresfrontales, lo cual actúa para recuperar la estabili-dad. Sin embargo, un seguimiento profundo dismi-nuye la eficiencia de corte y reduce lasvelocidades de penetración hasta el 66%. Las ba-rrenas Transformation utilizan disposiciones decuchillas duales con seguimiento moderado paraequilibrar la estabilidad y la velocidad de penetra-ción (próxima página). Los cortadores en las cuchi-llas primarias remueven aproximadamente el 80%de la roca. Los cortadores de las cuchillas secun-darias remueven menor cantidad de material y noreducen las velocidades de penetración como ocu-rre con los cortadores adicionales agregados a lascuchillas de las barrenas convencionales. Cuandolas barrenas Transformation encuentran formacio-nes duras, las cuchillas secundarias se vuelvenmás importantes. Los cortadores de seguimientoreducen las cargas en los cortadores primarios ymejoran la estabilidad de la barrena, otorgándoleasí una vida útil más prolongada.

Las barrenas Steeringwheel y Transformationofrecen estabilidad adicional en comparación conlos diseños LFGP. Tanto las barrenasSteeringwheel, como las barrenas Transformationutilizan hidráulica avanzada. Un diseño patentadode flujo transversal emplea una boquilla interiordirigida a cada una de las cuchillas primarias, yuna boquilla exterior frente a cada una de las

cuchillas secundarias.22 El fluido sale por lasboquillas exteriores, limpiando y enfriando única-mente los cortadores que se encuentran sobrelas cuchillas secundarias antes de fluir haciaadentro. El flujo a alta velocidad proveniente delas boquillas internas crea una caída de presión,o efecto venturi, que drena fluido de las boquillasexternas a través del espacio reducido que hayentre las cuchillas. Las cuchillas primarias reci-

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Formación dura

Nueva barrena híbrida

Formación blanda

< Elementos de corte híbridos. La combinación de la tecnología del PDC yde los insertos impregnados de diamante natural, ayuda a proteger a loscortadores de PDC contra el desgaste abrasivo y el daño causado por lasvibraciones en el fondo del hueco, lo cual incrementa la durabilidad y pro-longa la vida útil de la barrena. Cuando las barrenas híbridas están nuevas,los insertos impregnados de diamante no hacen contacto con la formacióny la barrena se desempeña como las barrenas de PDC convencionales,garantizando máximas velocidades de penetración (arriba). A medida quelos cortadores de PDC se desgastan con las formaciones duras, los inser-tos de diamante penetran la formación y toman una participación crecientede la carga, lo que minimiza el daño del PDC (centro). En las rocas másblandas, los cortadores de PDC más eficaces toman nuevamente la mayorparte de la carga, y la eficiencia de corte permanece alta (abajo).

Giro de perforación direccional de tres puntosBarrena Steeringwheel

Barrena con tacos de soporte lateral de baja fricción (LFGP) Estabilizador superior

Estabilizador inferior

Radio corto

Barrena larga

Barrenacorta

Radio largo

A

B

DC

Barrena con baja relación largo-diámetro (LAR): <1AB

CD

Estabilidad y perforación direccional. Las barrenas antiremolino estándarutilizan tacos de apoyo laterales grandes de baja fricción, (LFGP, por sussiglas en Inglés) (arriba a la izquierda). Los cortadores de PDC están dis-puestos de modo que las fuerzas en desequilibrio se dirijan hacia el taco deapoyo. Las barrenas Steeringwheel van más allá del concepto de LFGP yaque cuentan con un anillo de contorno de corte continuo de 360° (abajo a laizquierda). Esta característica centraliza la barrena y restringe los movimien-tos laterales, evitando que los cortadores exteriores penetren en la forma-ción, lo que reduce los movimientos en forma de remolino e incrementa lavida útil de la estructura de corte. Estas barrenas perforan huecos suaves dediámetro uniforme, presentan menos fluctuación de los esfuerzos de torsióny cuentan con una transferencia de peso más predecible. La respuesta uni-forme a los esfuerzos de torsión de las barrenas Steeringwheel, en combina-ción con la baja relación largo-diámetro, (LAR, por sus siglas en Inglés) y elperfil de corte corto, hacen que estos diseños sean particularmente adecua-dos para la perforación direccional (derecha, arriba y abajo).

>

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ben el flujo de las boquillas interiores y exterio-res. Estos diseños Switchblade distribuyen laenergía hidráulica en forma más eficiente paramejorar la limpieza, el enfriamiento y las veloci-dades de penetración de la barrena.23

Las barrenas híbridas combinan la tecnologíadel PDC y del diamante natural.24 Los elementos decorte de carburo de tungsteno impregnados dediamante se colocan detrás de los cortadores prin-cipales de PDC. Cada cortador impregnado fun-ciona como un compañero de reparto de la cargapara un cortador de PDC específico en las regionesde alto desgaste de una barrena. Estos cortadoressecundarios protegen a los cortadores de PDC encondiciones de perforación severas y reducen eldesgaste en formaciones duras y abrasivas

(página anterior, abajo).25 Los diseños híbridosmejoran la estabilidad de la barrena evitando cor-tes excesivamente profundos, lo que minimiza lasvibraciones laterales y torsionales provenientes delos movimientos arremolinados y de los colga-mientos-deslizamientos. Los cortadores impregna-dos de diamante también soportan la mayor partedel impacto proveniente del movimiento haciaatrás de la barrena, asociado con los movimientosen forma de remolino.

La vibración axial hacia arriba y hacia abajo, oel rebote de la barrena, ocasiona variaciones en laprofundidad de corte que se traducen en unesfuerzo de torsión excesivo. Los cortadoresimpregnados limitan la penetración de la forma-ción y suavizan las rápidas fluctuaciones del

esfuerzo de torsión. Los cortadores impregnadosse colocan más abajo que los cortadores de PDC,de modo que a medida que se incrementa el pesosobre la barrena, estos hacen contacto con la for-mación y disminuyen la respuesta del esfuerzo detorsión respecto al peso sobre la barrena; unaspecto particularmente importante en las aplica-ciones de perforación direccional. Las cargas late-rales que se aplican a las barrenas cuando seefectúan perforaciones con motores direccionalesde fondo, exponen a los cortadores externos dePDC al daño por impacto. Para mantener un con-torno eficaz, las barrenas de PDC de Reed-Hycalogutilizan husillos giratorios impregnados que otor-gan una protección adicional al contorno.

60°

180°

Cuchilla primaria (P)

Barrena Transformation de PDC de seguimiento moderado

Cortador removedor de roca

Primaria o frontal Secundaria o posterior Otros cortadores

Barrena de PDC convencional deseguimiento intenso

Cuchilla posterior

Cuchilla frontal

Cuchilla secundaria (S)

Hidráulica

Diseño Switchblade Diseño convencional

> Cortadores secundarios (de seguimiento) y mejoras en la hidráulica. Las cuchillas de las barrenas de PDC convencionales generalmente comparten la remo-ción de la roca en forma equitativa. Para perforar en forma eficaz las formaciones interestratificadas blandas y duras, se han acoplado las cuchillas primarias(P) y secundarias (S) (arriba) en las barrenas Transformation. El espaciado variable que existe entre los cortadores secundarios dispuestos en cuchillas adya-centes, le permite a los cortadores de las cuchillas primarias remover mayor cantidad de roca que los cortadores que siguen la misma trayectoria de las cuchi-llas secundarias (arriba a la derecha). Esto le permite a las barrenas perforar más rápidamente las formaciones blandas. Por otro lado, se reducen las cargassobre el cortador en las rocas más duras. Los cortadores secundarios también reducen la vibración en el fondo del hueco. El canal hidráulico de la barrena dePDC convencional fluye hacia fuera desde el centro (abajo a la derecha). La mayor cantidad de este flujo es ineficiente y contribuye poco a limpiar y enfriar loscortadores. Las barrenas Transformation y Steeringwheel utilizan diseños hidráulicos avanzados Switchblade de flujo transversal que le dan un uso eficiente al flujo, dirigiendo el fluido desde las cuchillas secundarias hacia adentro para maximizar el flujo a lo largo de las cuchillas primarias (abajo a la izquierda).

P

P

P

P

S

S

SS

21. Caraway D, Hayward J, Taylor MR, Roberts TS, Taylor Sy Watson GR: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No.5,904,213 (Mayo 18, 1999).Caraway D, Hayward J, Taylor MR, Roberts TS, Taylor Sy Watson GR: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No.5,967,246 (Octubre 19, 1999).Caraway D, Hayward J, Taylor MR, Roberts TS, Taylor Sy Watson GR: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No.6,092,613 (Julio 25, 2000).

22. Taylor MR, Murdock AD y Evans SM: “High PenetrationRates and Extended Bit Life Through Revolutionary

Hydraulic and Mechanical Design in PDC Drill BitDevelopment,” artículo de la SPE 36435, presentado en laConferencia Técnica y Exhibición Anual de la SPE No 71,Denver, Colorado, EUA, Octubre 6-9, 1996.

23. Newton A, Taylor MR, Murdock A y Clegg JM: “RotaryDrill Bits,” Patente de EUA, No. 5,671,818 (Septiembre 30,1997).Caraway D, Watson G y Newton TA, “Rotary Drill Bits Having Nozzles to Enhance Recirculation,” Patentede EUA, No. 5,699,868 (Diciembre 23, 1997).

24. Fuller J: “Rotary Drill Bits,” Patente de EUA, No. 4,718,505 (Enero 12, 1988).

Fuller J y Gasan JA: “Rotary Drill Bit for Use in DrillingHoles in Subsurface Earth Formations,” Patente de EUA,No. 4,991,670 (Febrero 12, 1991).

25. Williams JL y Thompson AI: “An Analysis of thePerformance of PDC Hybrid Drill Bits,” artículo de lasSPE/IADC 16117, presentado en la Conferencia dePerforación de las SPE/IADC, Nueva Orleáns, Luisiana,EUA, Marzo 15-18, 1987.Hanna IS y Hollister K: “PDC Bits Proved Effective inDrilling Severely Depleted Sands in the Gulf of Mexico,”artículo de la SPE 19567, presentado en la ConferenciaTécnica y Exhibición Anual de la SPE No. 64, San Antonio,Texas, EUA, Octubre 8-11, 1989.

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dos en el fondo del hueco. Estos sistemas tienenmenos arrastre, transfieren el peso a las barre-nas en forma más eficaz y logran mayores veloci-dades de penetración. La rotación continua de latubería mejora la limpieza del agujero y reduce latortuosidad del hueco, lo que significa menos via-jes de limpieza y menores costos de equipo deperforación. Los sistemas de rotación direcciona-les permiten el uso de barrenas agresivas y ofre-cen oportunidades para optimizar las barrenas.

Las características específicas de la barrenade PDC maximizan el rendimiento del sistemadireccional rotativo.27 Las barrenas para estossistemas requieren baja relación largo-diámetroy un contorno activo o una estructura de cortecon contorno agresiva (izquierda).

Las barrenas de PDC convencionales no tie-nen una capacidad de corte lateral significativa.Los elementos tradicionales de protección delcontorno, como los insertos de carburo de tungs-teno o impregnados de diamante, elementos deun compuesto policristalino de diamante térmi-camente estable (TSP) y los cortadores de PDCpreviamente aplanados, se utilizan únicamentepara mantener el diámetro del hueco constante yperforar agujeros de tamaño normal. El conceptodel contorno activo, desarrollado por primera vezpara las aplicaciones del Mar del Norte, ofrececortadores de PDC completamente redondeadoscon husillos giratorios híbridos de carburo detungsteno en forma de domo, ubicados directa-mente detrás de éstos como protección. Además,el diámetro del contorno es reducido y se pres-cinde de la protección de los insertos para incre-mentar la exposición del cortador.

Las altas densidades del cortador y los bajosángulos de inclinación posterior que se observanen los diseños del contorno activo, proporcionancapacidad lateral de corte agresiva y mejoran lamaniobrabilidad. Los puntos de contacto del con-torno activo—cortadores y husillos giratorioshíbridos—reducen la fricción del taco de apoyolateral, el arrastre y el esfuerzo de torsión de labarrena. Los diámetros más pequeños del con-torno mejoran el flujo del líquido alrededor de labarrena, lo que ayuda al enfriamiento y a la lim-pieza del taco de apoyo lateral y de los cortado-res. El contorno activo se utiliza tanto en las

Perforación direccional y barrenas especialesLas barrenas de PDC juegan un papel importanteen la perforación direccional y son componentesclave de los sistemas avanzados que perforanhuecos horizontales y pozos de alcance extendidocon trayectorias complejas. Los avances tecnoló-gicos que se han producido en aspectos talescomo las configuraciones de las barrenas, lasestructuras de corte, los diseños hidráulicos y laprotección del contorno, han mejorado el rendi-miento de la perforación direccional. No obs-tante, para cumplir con los retos de la perforacióndireccional, es necesario aplicar la tecnologíaadecuada.

Para un desempeño óptimo de la barrena sedeben minimizar las fluctuaciones de los esfuer-zos de torsión durante la perforación direccional.Los esfuerzos de torsión variables en los motoresdireccionales disminuyen la maniobrabilidad einhiben el control direccional. Para los montajesgiratorios, los esfuerzos de torsión generados porlos colgamientos-deslizamientos de la barrenaproducen vibraciones torsionales perjudiciales. Elaumento de los ángulos del cortador, la disminu-ción en el tamaño del cortador y la utilización de

cortadores de respaldo híbridos, impregnados condiamante reducen los esfuerzos de torsión. La tec-nología híbrida reduce también las fluctuacionesde los esfuerzos de torsión. Los cortadores bise-lados TuffEdge se utilizan para minimizar el dañodel PDC. Las barrenas aptas para las perforacio-nes direccionales y horizontales utilizan pequeñoscortadores de PDC, contornos planos y longitudesreducidas de la barrena. El incremento en los pun-tos de contacto en la barrena de PDC que se lograaumentando el número de cuchillas, de cortado-res y de tacos de apoyo laterales, también reducelas fluctuaciones de los esfuerzos de torsión.

Hoy en día, se encuentran disponibles barre-nas para sistemas direccionales rotativos queperforan pozos horizontales y de alcance exten-dido. La tecnología de empuje de la barrena, talcomo la de los sistemas direccionales rotativosPowerDrive, permite realizar ajustes direcciona-les desde la superficie durante la perforaciónrotativa. En lugar de utilizar un motor direccionalpara inclinar o apuntar la barrena, una fuerzagenerada por la herramienta desvía la barrena enla dirección necesaria.26 Independientemente delesfuerzo de torsión, la trayectoria de la barrenase controla por válvulas y tacos de apoyo coloca-

56 Oilfield Review

26. Colebrook MA, Peach SR, Allen FM y Conran G:“Application of Steerable Rotary Drilling Technology toDrill Extended Reach Wells,” artículo de las IADC/SPE39327, presentado en la Conferencia de Perforación delas IADC/SPE, Dallas, Texas, EUA, Marzo 3-6, 1998.Downton G, Hendricks A, Klausen TS y Pafitis D: “New Directions in Rotary Steerable Drilling,” OilfieldReview 12, no. 1 (Primavera de 2000): 18-29.

27. Barton S: “Development of Stable PDC Bits for SpecificUse on Rotary Steerable Systems,” artículo de lasIADC/SPE 62779, presentado en la IADC/SPE Asia PacificDrilling Technology Conference, Kuala Lumpur, Malasia,Septiembre 11-13, 2000.

Contorno convencional Contorno activo

> Contorno activo. Las barrenas rotativas direccionales requieren estructu-ras de corte agresivas en el contorno. Para lograr las trayectorias requeridasdel pozo, la barrena debe cortar en la parte lateral del agujero de la mismaforma en que las herramientas direccionales rotativas aplican esfuerzo late-ral para apuntar la barrena en la dirección adecuada. En contraste con laprotección del contorno convencional (izquierda), el contorno activo cuentacon diámetros reducidos de la barrena, cortadores del contorno de PDC total-mente redondeados con ángulos de inclinación posterior agresivos a lo largode todo el contorno, y husillos giratorios híbridos de carburo de tungstenoque controlan la profundidad del corte lateral (derecha). Un número máximode cortadores expuestos incrementa la capacidad lateral de corte e incre-menta la durabilidad de la barrena. Los diámetros más pequeños de labarrena reducen la fricción y mejoran el flujo de fluidos en la región del contorno, para un mejor enfriamiento y una mayor limpieza.

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Invierno de 2001 57

barrenas de acero como en las barrenas dematriz. Esta técnica proporciona protección ade-cuada al contorno, pero las barrenas de acerorequieren un revestimiento de metal duro resis-tente a la erosión, debido al incremento del flujoa través de los tacos de apoyo.

La experiencia es un factor crítico a la hora deproveer soluciones para la barrena de perforacióndireccional. En cuanto a la perforación direccio-nal, la experiencia de Schlumberger se manifiestaen el concepto PowerSteering, una combinaciónúnica de tecnología y experiencia. En las aplica-ciones de perforación direccional, el procesoPowerSteering suministra las especificaciones dela barrena más adecuada para cada aplicación,las modificaciones necesarias de las barrenasexistentes o el diseño de una barrena para satis-facer las necesidades específicas del cliente.

En algunas ocasiones, existe la necesidad deagrandar los huecos existentes o de perforar agu-jeros más grandes de lo normal por debajo delrevestidor, especialmente para mejorar los traba-jos de cementación o terminar pozos en las for-maciones que se dilatan o derrumban. En elpasado, se utilizaban las barrenas ensanchado-ras mecánicas que se expandían para cortar undiámetro más grande del agujero debajo delrevestidor. Hoy en día, las barrenas asimétricasse encuentran disponibles para estas aplicacio-nes. Las barrenas Bicentrix pasan a través de undiámetro más pequeño para perforar un agujeroque es de mayor diámetro que el de la secciónanterior o el del revestidor (derecha). Las versio-nes más recientes de estas barrenas combinan elescariador Bicentrix y los diseños direccionalesSteeringWheel con un escariador, cuyo paten-tado está pendiente, que permite que un agujeroagrandado sea perforado sin hacer un viaje extrapara el cambio de la barrena después de perforarel cemento. Las cuchillas más cortas del escaria-dor tienen una forma tal que proporcionan unespacio entre el revestidor y los cortadores exte-riores de las cuchillas más largas.

Barrenas impregnadas de diamanteLa selección de las barrenas para formacionesextremadamente duras y abrasivas encierra unasituación de compromiso. Las barrenas de PDCperforan rápidamente, pero no duran mucho encondiciones abrasivas; las barrenas de conosgiratorios perforan más lentamente, pero se des-gastan más rápidamente y hacen agujeros detamaños más pequeños que su diámetro. Lasbarrenas de diamante natural cuentan con mejo-res velocidades de penetración y duran más, perosu selección se ha visto limitada, especialmentepara las formaciones interestratificadas donde

ContactoContacto

Contacto

Espacio intermedio

Barrena Bicentrix dentro del revestidor

Corte de agujero de mayor tamaño

Barrena Bicentrix

Barrena Bicentrix Steeringwheel

> Barrenas excéntricas. Las barrenas Bicentrix cuentan con una estructura agrandada, o escariador(ensanchador, rectificador) en un lado para perforar agujeros más grandes debajo del revestidor(arriba a la izquierda). Sin rotación, la asimetría le permite a la barrena pasar a través de un diámetromás pequeño. Las barrenas Bicentrix Steeringwheel están diseñadas para perforar cemento y conti-nuar taladrando en aplicaciones direccionales (abajo a la izquierda). La forma de la sección del esca-riador evita que los cortadores hagan contacto con el revestidor mientras se perfora el cemento(arriba a la derecha). Los cortadores que se encuentran sobre el escariador giran con la barrena paraperforar un agujero de mayor diámetro (abajo a la derecha).

los delgados filones blandos recubren la partefrontal de la barrena, disminuyendo el rendi-miento de la perforación. Durante los últimos 10años, las barrenas impregnadas de diamante handado un giro sustancial. Con mejores materialesde matriz y de diamante, y con nuevas técnicasde fabricación, la resistencia al desgaste se haincrementado significativamente. Las barrenasimpregnadas pueden diseñarse para perforar for-maciones blandas o duras y abrasivas. Las turbi-nas y los motores de fondo también se hanmejorado y pueden permanecer más tiempo en elhueco para aprovechar la larga vida útil de lasbarrenas impregnadas.

Las primeras barrenas impregnadas de dia-mante, que se remontan a la década de 1800,perforaban muy despacio y eran principalmenteel último recurso cuando las formaciones erandemasiado duras, abrasivas o muy profundaspara las barrenas de conos giratorios, de PDC ocon diamantes naturales fijados en la superficie.Hoy en día, las partículas de diamante están sus-pendidas en la matriz de carburo de tungsteno de

las cuchillas de la barrena, a fin de incrementaren gran medida la resistencia al desgaste. Enlugar de cortadores individuales, la superficietotal de la barrena contiene elementos cortantessituados tan profundamente como los canales dela hidráulica de la barrena. Los diamantes pulve-rizan las formaciones duras y los filos de lascuchillas cortan las formaciones blandas enforma similar a las barrenas de PDC. La velocidadde penetración se reduce gradualmente amedida que las cuchillas pierden el filo. La matrizse desgasta para exponer continuamente nuevosy filosos diamantes. La vida útil de la barrena esuna función del volumen impregnado de dia-mante que puede colocarse en la parte frontal dela barrena. En consecuencia, las cuchillas másaltas duran más.

En el pasado, el uso de las barrenas impreg-nadas de diamante se limitaba a la perforaciónde formaciones duras y abrasivas con turbinas dealta velocidad. Durante los últimos años, el rangode las aplicaciones se amplió a arenas interes-tratificadas, lutitas (esquistos), carbonatos y car-

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bón, así como también a rocas ígneas, metamór-ficas y conglomeradas perforadas en forma direc-cional con motores de fondo. Hoy en día, lasbarrenas impregnadas de diamante son capacesde perforar diferentes tipos de formaciones(abajo). Un balance entre las propiedades del dia-mante y de la matriz, optimiza el rendimiento dela perforación y el ahorro en los costos, especial-mente en las aplicaciones de perforación que uti-lizan motores y turbinas de desplazamientopositivo de alta velocidad. Para extender el rangode aplicaciones de estas barrenas, se encuentrandisponibles tres contornos distintos (cono dobleprofundo, doble cono superficial redondeado ycontorno redondeado plano).

Debido a que las barrenas impregnadas seutilizan también en formaciones interestratifica-das, se ha incrementado la demanda de lasestructuras de corte más agresivas. Para forma-

ciones blandas con filones delgados duros, lasbarrenas impregnadas se complementan con ele-mentos de corte triangulares o cúbicos TSP paraincrementar la agresividad. Los diseñosDuradiamond Transformation utilizan contornosestriados (cuyo patentado está pendiente) concuchillas primarias, secundarias y terciarias adiferentes alturas. Los bloques TSP se colocan enlas estrías de los bordes frontales de cada cuchi-lla, a fin de mantener estos bordes filosos. Estasbarrenas inician la perforación con 5 cuchillas,posteriormente se convierten en barrenas de 10cuchillas y finalmente en barrenas de 15 cuchi-llas. Esto ocurre a medida que se desgastan losrebordes de altura variable.

Debido a que no existen áreas de baja presiónpara drenar el fluido a lo largo de la barrena, cau-ces de flujo secundarios se conectan directa-mente a los conductos principales de flujo, de

modo que el flujo radial de alta presión fluya acada uno de los conductos. Esto proporciona unflujo uniforme hacia todas las partes de labarrena y reduce el taponamiento. Los cauces deflujo convergen a diferentes distancias radiales,para luego esparcirse en las áreas sin diamantesy reducir las fallas por desgaste. Los conductosdel flujo en forma de V son más fáciles de lim-piar, maximizan el volumen de la cuchilla y de laspartículas de diamante para un área de flujodada, y proporcionan un borde cortante agresivo.

Adaptación del rendimientode la barrena de cortador fijoLa perforación en el campo Tunu en el delta deMahakam cerca de Balikpapan, Indonesia, escomplicada debido a la presencia de formacionesinterestratificadas en la sección del agujero de121⁄4 pulgadas. La litología en la parte superior de

58 Oilfield Review

> Barrenas impregnadas. Las barrenas impregnadas de diamante son muelas abrasivas especializadas. La tecnología Duradiamond proporciona opcionespara manejar cualquier tipo de formación dura. Se han desarrollado mezclas especiales de diamantes y carburo de tungsteno para incrementar las velocida-des de penetración y asegurar una vida útil más larga de la barrena. El paralelismo entre el desgaste de la matriz y el del diamante equilibra la vida útil de labarrena y la velocidad de penetración. Si la matriz es demasiado blanda, los diamantes se liberan antes de que se desgasten, lo que acorta el tiempo de utiliza-ción de la barrena. Si la matriz es demasiado dura, los diamantes no se exponen adecuadamente y las velocidades de penetración se reducen. Se encuentrandisponibles tres contornos distintos (centro). El contorno más agresivo es un doble cono profundo (azul) para perforar formaciones interestratificadas blandas ysecciones horizontales. El doble cono superficial redondeado (rojo) se utiliza en formaciones de resistencia intermedia. El contorno redondeado más plano(verde) es un diseño de uso general para formaciones abrasivas más duras y secciones de incremento angular en los pozos direccionales. Las barrenas Duradiamond (arriba a la izquierda) y Duradiamond Transformation (arriba a la derecha) utilizan una hidráulica de flujo radial para proporcionar flujo uniformesobre la superficie de la barrena (abajo a la izquierda).

5Peso sobre la barrena, 1000 lbm

Conductos principales para el flujo ycauces espiralados de arrastre

Bloques policristalinos térmicamente estables, (TSP) en el filo frontal de cada estría

Prueba de verificación del contorno de la barrena impregnada de diamante

Doble cono,agresivo

Doble cono,intermedio

Redondeado de uso general

Matriz demasiado duraMatriz demasiado blanda Dureza óptima de la matriz

Carbonato con 21,000 Ipc de resistencia a la compresión sin confinamiento (UCS, por sus siglas en inglés)

Velo

cida

d de

pen

etra

ción

, pie

s/hr

0

80

60

40

20

10 15

P4 6 pulg P5 6 pulg P7 6 pulg

Barrena Duradiamond

Superficie de la barrena

Barrena DuradiamondTransformation

Cuchilla de la barrena

P4 P5 P7

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Invierno de 2001 59

tal sección consiste de arena blanda y homogé-nea, y arcilla. Más abajo, las formaciones estánconstituidas de una arenisca homogénea deresistencia media y de lutitas. Además, seencuentran capas de caliza y dolomita a lo largode todo el intervalo. Los filones delgados decaliza, los cuales no son abrasivos y son muchomás blandos que la dolomita, tienen hasta 2 m [7pies] de espesor. Los filones de dolomita extre-madamente duros presentan poca porosidad ytienen alrededor de 0.5 m [1.6 pies] de espesor.

Cuando se inició el desarrollo del campo en1973, la sección de 121⁄4 pulgadas se perforabacon lodo a base agua, consumiendo entre 8 a 12barrenas de conos giratorios, a una tasa de pene-tración promedio de unos 9 m/hr [30 pies/hr].Para la década de 1980 se comenzaron a utilizarbarrenas de PDC y lodo a base de aceite (petró-leo). Las primeras barrenas de PDC fueron dediseños estándar. Para perforar la sección senecesitaban tres barrenas de conos giratorios ytres barrenas de PDC, lo que mejoró la velocidadde penetración a 10 m/hr [33 pies/hr]. A finalesde la década de 1980 y principios de la década de1990, las barrenas de conos giratorios fueronreemplazadas por barrenas de PDC y se utiliza-ban de tres a cuatro de tales barrenas para ter-minar la sección. El análisis de las barrenasaplanadas indicó que las cargas de alto impacto,aplicadas frente a los filones dolomíticos durosocasionó fallas catastróficas, (cortadores rotos,desvastados o perdidos). Después de la utiliza-ción de las barrenas antiremolino convenciona-les, se evaluó un nuevo diseño para mejorar eldesempeño de las barrenas.

Se necesitaron barrenas más estables a fin dereducir la vibración de la barrena, principalmentelos movimientos laterales en forma de remolino,y completar la sección con una sola barrena, sinembargo, las formaciones interestratificadascomplicaron la selección de la barrena óptima.Las características necesarias para los filonesduros se contraponían a las necesarias para lasformaciones más blandas. Las formaciones blan-das requieren una limpieza hidráulica eficaz, con-tornos agresivos, cortadores grandes y elevadosvolúmenes de diamante utilizables para lograraltas velocidades de penetración. En filonesduros, se requiere la tecnología antiremolino,una baja fricción del contorno para lograr estabi-lidad y diseños óptimos del cortador para unavida útil prolongada de la barrena.

Las fallas del cortador son ocasionadas por elcontacto inicial con los filones duros y por elincremento en las vibraciones que se producencuando se abandona la roca dura. Cuando sepenetra la roca dura, los cortadores de la saliente

hacen contacto primero y se sobrecargan conrelación a los cortadores que aún se encuentranen un filón blando. Esta sobrecarga se ve redu-cida mediante un contorno corto. Una vez que seabandonan los filones duros, el reborde y los cor-tadores del contorno se sobrecargan. Esto es aúnmás dañino, debido a que los cortadores del con-torno se encuentran a un radio mayor que los cor-tadores frontales, lo que incrementa la inercia deimpacto. Este efecto se ve minimizado medianteel diseño de la profundidad y la altura del conopara que sean iguales, de modo tal que elreborde, los cortadores del contorno y los corta-dores del cono compartan el peso de la barrena ylas cargas en forma uniforme cuando la barrenaabandona un filón duro (arriba).

Las barrenas estaban equipadas con cortadoresgrandes para mantener una penetración alta en lasformaciones blandas y para maximizar el volumende diamante disponible, a los efectos de lograr lavida útil necesaria de la barrena, para perforar lasección completa con una sola barrena. Se utilizóuna barrena LFGP para reducir las vibraciones y evi-tar los movimientos en forma de remolino. La acu-

mulación de material sobre la barrena en las for-maciones blandas fue un problema, de modo quese utilizó un diseño hidráulico Switchblade con elfin de mejorar el flujo sobre la superficie de labarrena y así lograr una mejor limpieza, particular-mente en el área de la ranura para desechos rode-ada por la barrena LFGP. Para esta aplicación, seseleccionaron barrenas con estructura de acerodebido a que son elásticas y, por lo tanto, reducenel daño del cortador frente al impacto.

Inicialmente, la nueva barrena perforó la are-nisca a 120 m/hr [394 pies/hr] y la arcilla a 80 m/hr[262 pies/hr]. A medida que la formación se tornómás dura cerca de la parte final de la sección, seperforó la arenisca a velocidades de hasta 40 m/hr[131 pies/hr] y la arcilla a velocidades de hasta 30m/hr [30 pies/hr]. Los filones de dolomita dura seperforaron a aproximadamente 0.5 a 1 m/hr [1.6 a3.3 pies/hr]. El análisis del nuevo diseño revelópoco o ningún daño causado por el impacto, indi-cando suficiente estabilidad de la barrena. Nohubo daño por calentamiento o desgaste, lo quesugirió que el diseño hidráulico estaba enfriandolos cortadores en forma eficaz.

> Barrenas de cortador fijo adaptadas para cubrir aplicaciones específicas. La combinación de las tec-nologías del PDC, incluyendo los tacos de apoyo laterales LFGP, la optimización del contorno y lahidráulica Switchblade, proporcionan una solución que perfora las formaciones interestratificadas enforma consistente y sin comprometer el desempeño general. El contorno poco profundo de la barrenaminimiza el daño del cortador al penetrar o abandonar filones duros, distribuyendo las cargas uniforme-mente entre las áreas del cono interior y el reborde exterior. Este nuevo diseño (arriba a la derecha),fue comparado con dos tipos de barrenas utilizadas desde junio de 1991 hasta abril de 1997 en el campoTunu cerca de Balikpapan en Indonesia (arriba a la izquierda). La primera era una barrena de PDCestándar; se utilizó en 14 viajes. La segunda era una barrena antiremolino convencional y se usó en 42viajes. La nueva barrena tenía 20 viajes al momento de efectuarse la comparación. Esta barrena perforó180% más metraje (abajo a la derecha) y 141% más rápido (abajo a la izquierda) que las barrenas dePDC estándar; y 68% más metraje y 70% más rápido que las barrenas antiremolino convencionales.

PDC estándar1991 a 1996

Nuevo diseño1996 a 1997

PDC antiremolino1993 a 1995

200

16001400130012001000

800600400

Secc

ión,

m

PDC estándar1991 a 1996

0

5

10

15

20

25

30

Velo

cida

d de

pen

etra

ción

(ROP

), m

ph

Nuevo diseño1996 a 1997

PDC antiremolino1993 a 1995

Balikpapan

YakartaINDONESIA

Estándar Nueva

Formación dura

Columna de

perforación

Cortador de PDC

Estructurade la

barrena

Formación blanda

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60 Oilfield Review

La optimización de la barrena de 121⁄4 pulgadasfue extremadamente exitosa. En 1997, TotalFinaElfmodificó parte del programa de perforación delcampo Tunu y comenzó a perforar pozos de diáme-tro reducido. Esto implicó que las secciones de 121⁄4pulgadas tuvieron que reducirse a 81⁄2 pulgadas. Sediseñó una barrena más pequeña basada en lastecnologías del PDC para confirmar que estascaracterísticas podían transferirse a otros tamañosde barrenas. Cuando las barrenas de 81⁄2 pulgadasfueron sometidas a pruebas en el campo, el rendi-miento fue el mismo que el de las barrenas demayor diámetro.

Diseño, prueba y selección de la barrena La simulación y el diseño conducen a muchos delos avances que se están realizando en el diseñoy en la optimización de la barrena. Las simulacio-nes computarizadas de la dinámica de los fluidos(CFD) se utilizan para investigar el diseño y opti-mizar el flujo del fluido en diversas aplicaciones.Las técnicas CFD complementan las pruebas delaboratorio o sirven como una alternativa de lainformación experimental. El modelado de lahidráulica de la barrena mediante las técnicasCFD genera resultados rápida y económicamente,y es particularmente útil cuando las formas com-plejas y las condiciones de flujo son difíciles dereproducir en forma experimental.

El análisis mediante simulaciones CFD in-fluenció los diseños del cortador fijo, tal como lahidráulica Switchblade, y es cada vez más utiliza-do para el diseño de la hidráulica de las barrenasde conos giratorios (arriba).28 Los resultados desimulación deben validarse cuantitativamente,de modo que la simulación CFD no reemplace laspruebas experimentales de flujo, especialmentepara formas y diseños radicalmente diferentes.Sin embargo, la utilización de modelos computa-rizados será una herramienta sumamente impor-tante para acelerar el proceso de diseño.

Una clave para el modelado de la barrena dePDC la constituyen las ecuaciones para las fuer-zas que actúan sobre el cortador y la roca, y susinteracciones. El programa HYDI, una herra-mienta de diseño avanzado para predecir lasfuerzas que resultan de las interacciones entrelos cortadores de PDC y la roca, ha estado endesarrollo por más de tres años. Durante estetiempo, los algoritmos se han optimizadomediante pruebas efectuadas sobre un solo cor-tador y llevadas a cabo en el LaboratorioPresurizado de Perforación (PDL, por sus siglas enInglés). Actualmente, el programa HYDI se utilizaprincipalmente para calcular los desequilibrios delas fuerzas, pero también puede indicar la estabi-

lidad inherente de la barrena. Las simulacionesde la barrena pueden efectuarse en modo cine-mático (movimiento) o dinámico (fuerzas). Otrasopciones disponibles incluyen el movimiento dela barrena, la inclinación de la barrena y la densi-dad del PDC. Actualmente, se está desarrollandoy sometiendo a prueba un modelo torsional.

El software de diseño avanzado asistido porcomputadora, (CAD, por sus siglas en Inglés) lepermite a los ingenieros diseñar herramientas ybarrenas en tres dimensiones y producir modelosmatemáticos para controlar máquinas numérica-mente por computadora (CNC, por sus siglas enInglés), que reproducen los diseños en formaexacta en acero o carburo de tungsteno. Estascapacidades facilitan la optimización y fabrica-ción para cubrir necesidades específicas, redu-ciendo el tiempo de espera. De este modo, latransferencia de las barrenas de los sectores deingeniería a los de manufactura se produce ensemanas en lugar de meses.

En el pasado, las barrenas de perforación seevaluaban principalmente ensayando componen-tes individuales y haciendo pruebas limitadas apequeña escala a las barrenas completas, segui-das por la prueba del prototipo en el campo. Esteenfoque es costoso en términos de tiempo ydinero. Las decisiones de diseño, con frecuencia,se basan en el desempeño incompleto o incon-sistente en el campo, y los productos finales nosiempre se optimizan. La realización de pruebas alas barrenas a escala natural, utilizando muestras

de roca bajo presión se iniciaron en TerraTek enSalt Lake City, Utah, EUA en 1977. En 1982, Reedconstruyó el primer Laboratorio Presurizado dePerforación interno para cubrir la brecha entrelas pruebas efectuadas a los componentes y lasprueba en el campo (próxima página). Esta insta-lación le proporciona a los operadores solucionesefectivas en materia de costos y reduce eltiempo para comercializar los productos de lanueva barrena, permitiendo una evaluación pro-longada de los cojinetes, los sellos y la grasa.

Los componentes individuales como losforros metálicos, los sellos y las estructuras decorte todavía se someten a pruebas utilizandoequipo especializado. Se encuentra disponibleun Equipo de Prueba de Resistencia para some-ter a pruebas a las barrenas durante largos perí-odos y en tamaño natural, en lodo de perforaciónpresurizado, y a temperatura elevada. Luego, las

Corriente de flujo

Barrena de cortador fijo Barrena de conos giratorios

> Simulaciones computarizadas de la dinámica de los fluidos (CFD). Al igual que otros métodos deanálisis de elemento finito, los programas de simulación CFD modelan el flujo de fluido alrededor de lasbarrenas dentro de un hueco. Además de simular la hidráulica de la barrena de PDC, las técnicas CFDestán siendo utilizadas para optimizar la remoción de los recortes y minimizar el repulverizado en losdiseños Mudpick y Mudpick II. Este moderno programa de diseño reduce el tiempo necesario paraintroducir nuevas barrenas en el campo.

28. Watson GR, Barton NA y Hargrave GK: “Using NewComputational Fluid Dynamics Techniques to ImprovePDC Bit Performance,” artículo de las SPE/IADC 37580,presentado en la Conferencia de Perforación de lasSPE/IADC, Amsterdam, Países Bajos, Marzo 4-6, 1997.Ledgerwood LW, Wells MR, Wiesner BC y Harris TM:“Advanced Hydraulics Analysis Optimizes Performance ofRoller Cone Drill Bits,” artículo de las IADC/SPE 59111,presentado en la Conferencia de Perforación de lasIADC/SPE, Nueva Orleáns, Luisiana, EUA, Febrero 23-25,2000.

29. Mason KL: “Three-Cone Bit Selection With Sonic Logs,”artículo de la SPE 13256, presentado en la ConferenciaTécnica y Exhibición Anual de la SPE No 59, Houston,Texas, EUA, Septiembre 16-19, 1985.

30. Fabian RT: “Confined Compressive Strength Analysis CanImprove PDC Bit Selection,” Oil & Gas Journal 92, no. 20(Mayo 16, 1994): 59-63.

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barrenas son desmontadas para determinar lascaracterísticas del desgaste. El sistema es capazde aplicar carga sobre las barrenas y velocidadesde rotación similares a las utilizadas en condicio-nes reales. Durante las pruebas se registran lastemperaturas, las presiones y los esfuerzos.Debido a que estas pruebas generan condicionessimilares a las experimentadas en el campo, losresultados de las pruebas ayudan a implementarmejoras en el diseño. La Cámara de Visualizaciónde Flujo permite visualizar la circulación sobre lasuperficie de una barrena a través de un plásticotransparente. Las áreas de flujo insuficiente oexcesivo pueden identificarse y corregirse antesde que los prototipos de las barrenas sean some-tidos a pruebas en el fondo del hueco.

Normalmente, las selecciones de la barrenase realizaban utilizando los datos y los registros

de los pozos vecinos, pero este enfoque no tomaen cuenta la resistencia de la formación. Debidoa que la velocidad sónica está relacionada con ladureza de la formación, los registros sónicos delpozo se han utilizado tradicionalmente como unaindicación de la resistencia de la formación.29

Recientemente, se han desarrollado programasque utilizan la información del registro sónicopara calcular la resistencia a la compresión sinconfinamiento (esto es, la dureza de la roca a pre-sión atmosférica). Esto representa un avance res-pecto de la utilización directa de las velocidadessónicas, pero con frecuencia subestima la resis-tencia de la formación en sitio. El análisis deresistencia a la compresión es un nuevo métodocuantitativo para calcular la dureza de la roca, elcual puede utilizarse para identificar la aplicaciónadecuada de una barrena.30

El programa de Análisis de Resistencia de laRoca, (RSA, por sus siglas en Inglés), se desarro-lló en 1993 para la selección de la barrena dePDC y recientemente se adaptó para las barrenasde conos giratorios. El sistema RSA define ladureza de la roca en términos de la resistencia ala compresión confinada (en condiciones de con-finamiento), la cual se aproxima a la dureza ensitio. El programa utiliza los registros sónicos yde rayos gamma del pozo, además de los datosprovenientes de los registros del lodo de perfo-ración. Dentro del rango de litologías para lascuales este programa es válido, la dureza de laroca puede determinarse en forma exacta. Losresultados del programa se representan gráfica-mente en un formato de registro de pozo, quemuestra las líneas de registro de los datos talcomo fueron adquiridos en el pozo, la litología

> Laboratorio Presurizado de Perforación (PDL, por sus siglas en Inglés). Lasinstalaciones del PDL, incluyendo la Cámara de Visualización de Flujo y elEquipo de Prueba de Resistencia, fueron esenciales para el desarrollo de losdiseños hidráulicos Mudpick, Mudpick II y Switchblade, de los sellos radialestexturizados y del cojinete Threaded Ring. El equipo principal es una estructuratriangular que soporta cilindros hidráulicos que proporcionan energía a labarrena. Un recipiente a presión dentro de esta estructura contiene las mues-tras de roca. Dos bombas tricilíndircas de lodo de perforación de 500 hhp pro-porcionan el sistema de flujo y la presión. La presión del recipiente para simu-lar las condiciones del subsuelo en el agujero se genera mediante un reguladorcontrolado por computadora, el cual crea la contrapresión adecuada. Las ins-talaciones del PDL cuentan con un completo sistema de lodo de perforaciónque permite utilizar sistemas de lodo de perforación a base de agua o aceite.

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interpretada con ayuda de la computadora, loscálculos de la resistencia a la compresión confi-nada y varios cómputos opcionales sobre lamecánica de la roca (abajo).

La información del programa RSA se utiliza enlos diseños de las nuevas barrenas y en la modifi-cación de los diseños actuales. El programa esmás eficaz cuando las formaciones son homogé-neas, isotrópicas y plásticas, lo que es típico demuchas de las rocas que contienen petróleo y gas.Este programa no funciona bien para conglomera-dos, sedimentos no consolidados o rocas alta-mente quebradizas o no plásticas como son lasrocas ígneas y metamórficas. Además, el análisisde resistencia a la compresión por sí mismo noindica las formaciones abrasivas o los mineralesdañinos como la pirita.

Seguimiento y monitoreo delrendimiento de la barrenaLa manera más segura de optimizar las barrenas ymejorar el rendimiento de la perforación es cuan-tificar la experiencia monitoreando los éxitos y losfracasos. La base de datos de los viajes y, los pará-metros de las barrenas, es vital para que los fabri-cantes de barrenas evalúen el rendimiento de laperforación. Reed-Hycalog ha reconocido desdehace tiempo las ventajas de contar con una basede datos de los viajes de las barrenas para cerrarel ciclo de diseño.

Una sola base de datos BitTrack de toda la com-pañía se encuentra vinculada a toda la organiza-ción, de modo que la información de rendimientode las barrenas y la información disponible de lospozos vecinos estén disponibles en las locacionesde campo en todo el mundo. Para analizar y solu-cionar los problemas, los ingenieros de todos los

sectores de la compañía utilizan la base de datosBitTrack, tanto para las barrenas de conos gira-torios como para las barrenas de cortadores fijos.

Las estrategias PowerSteering requieren que labase de datos registre los factores y las variablesrelacionadas con la perforación direccional, inclu-yendo los datos del conjunto de fondo, las especi-ficaciones del motor, las trayectorias del pozo y losdatos de inclinometría. La base de datos BitTrackes útil también para monitorear las pruebas de ren-dimiento de las barrenas, así como las barrenas ensu uso general. Al poder rastrear, manipular y eva-luar los datos de rendimiento de las barrenas elanálisis se hace más fácil y más útil.

La dinámica del subsuelo afecta la vida útilde la barrena, pero los fenómenos como losmovimientos en forma de remolino y de colga-miento-deslizamiento son difíciles de detectar ymonitorear con exactitud en la superficie, debido

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> Análisis de Resistencia de la Roca, (RSA, por sus siglas en Inglés). El programa de análisis por computadora fue desarrollado para ayudar en la selec-ción de barrenas de PDC. El programa utiliza la información de los datos sónicos y de rayos gama, obtenida de los registros del pozo, así como tambiéndatos de los registros de lodo de perforación, para definir en forma exacta la dureza de la formación en términos de resistencia a la compresión confinadao dureza en sitio. Los resultados del programa se representan gráficamente en un formato de registro de pozo, que muestra las líneas de los datos talcomo fueron adquiridos en el pozo, la litología interpretada con ayuda de la computadora, los valores calculados de la resistencia a la compresión confinada y los parámetros de la mecánica de la roca.

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a la masa de la columna de perforación, a la fle-xibilidad y a los efectos de amortiguamiento.Como resultado, ha sido difícil desarrollar untotal entendimiento de la dinámica del subsuelo.En forma similar, los datos de laboratorio nosiempre representan ambientes operativos rea-les. Para superar estas limitaciones, Reed desa-rrolló el paquete de sensores del Equipo deInvestigación de Perforación (DRT, por sus siglasen Inglés), para capturar los datos de alta fre-cuencia del subsuelo, evaluar las barrenas enambientes operativos reales, identificar los nue-vos desarrollos potenciales, validar las pruebasde laboratorio y mejorar el diseño predictivo(arriba). Actualmente, se están utilizando dosequipos DRT (63⁄4 pulgadas y 91⁄2 pulgadas).

El equipo de 63⁄4 pulgadas se ha utilizado tantocon barrenas de conos giratorios como con barre-nas de cortadores fijos. El sistema DRT mide elmovimiento de la barrena (axial, lateral y las ace-leraciones de rotación), la velocidad, la orienta-ción angular, el peso sobre la barrena y losesfuerzos de torsión, así como también las pre-siones y temperaturas internas y externas. Losdatos continuos de baja velocidad se registrandurante todo el viaje. Los aumentos bruscos quese manifiestan en los datos a altas velocidades,también pueden registrarse durante eventos es-pecíficos o lapsos de duración determinada. Estaherramienta mejora el entendimiento de la diná-mica del subsuelo, posiblemente el área más im-

portante de las operaciones de perforación. Lapredicción y el control de la dinámica de la ba-rrena incrementará el rendimiento de la barrenay facilitará la optimización de la misma. La com-binación de los sensores de la herramienta DRT yla base de datos BitTRack, constituyen una pode-rosa herramienta para optimizar los diseños delas barrenas y el rendimiento de la perforación.

En el futuro¿Cuál es el futuro de las barrenas de perforación?Los nuevos productos y servicios de perforaciónincluirán la adquisición sísmica durante la perfo-ración, el posicionamiento global de las barre-nas, el análisis del yacimiento frente a labarrena, la predicción de la vida útil de la barre-na, y el control y monitoreo de la dinámica de labarrena en tiempo real. Las áreas de investiga-ción en curso incluyen pruebas de laboratorio aescala natural, monitoreo de los datos de fondo,modelado para optimizar la barrena y la perfora-ción, y la tecnología de materiales emergentes.La especialización y fabricación de barrenas paracubrir o satisfacer necesidades específicas, juga-rán papeles cada vez más importantes en lageneración de productos, servicios y solucionesrelativos a las barrenas. La modernización delproceso de manufactura mediante la colocaciónde fresas y tornos juntos en celdas, ha facilitadola fabricación de barrenas destinadas a aplica-ciones específicas, han mejorado la eficiencia y

reducido el tiempo de fabricación. Esto permiteel rápido equipamiento con nuevas maquinariaspara tener en cuenta las revisiones de diseño.

Finalmente, el objetivo principal de cualquierbarrena de perforación es aplicar la mejor estruc-tura de corte y optimizar la acción de corte paraayudar a construir pozos efectivos en materia decostos. La tecnología de materiales emergentes,como los compuestos de diamante, seguirásiendo importante en los futuros desarrollos debarrenas. Todo el potencial de estos materialespara mejorar el rendimiento de la perforacióndepende del desarrollo de procesos necesariospara fabricar formas cortantes más eficaces ypara producir materiales más resistentes.También constituyen áreas activas de investiga-ción las modificaciones de la interfase del subs-trato de carburo de tungsteno y el diamante, lamedición y modificación de la tensión residual ylos revestimientos de diamante de distintas cali-dades. Los nuevos procesos llevados a cabo aalta presión y alta temperatura están incre-mentando la eficiencia en la producción de dia-mante, lo cual reduce los costos y amplía elrango de aplicación de los elementos con com-puestos de diamante que se encuentran a lolargo de las estructuras de corte, tanto de lasbarrenas de conos giratorios como de las barre-nas de cortadores fijos. – MET

Conexiónroscadaregular

Obturador decomunicación

Baterías

Sistema deadquisiciónde datosMódulo del sensor

0

0 2 4 60

1000

2000

3000

4000

5000

40

80

120

Segundos

RPM

Esfu

erzo

de

tors

ión,

pie

s-lb

-4 -3 -2 -1 0

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

1 2 3 4Pulgadas

Pulg

adas

Colgamiento-deslizamientoRemolino

> Registro de datos de la barrena en el fondo del hueco. El sistema del Equipo de Investigación de Perforación (DRT, por sus siglas en Inglés), contieneacelerómetros para medir la aceleración lateral, axial y torsional (de rotación) y también para determinar la posición espacial de una barrena. Además, elequipo mide la velocidad de la barrena y la orientación angular con un magnetómetro, y el peso sobre la barrena y los esfuerzos de torsión con extensíme-tros (strain gauges). Los sensores miden la temperatura y la presión (interna y externa).