Poroelasticidad

Dentro de la proximidad de la pared del pozo, la Poroelasticidad se examina con base en la teoría expuesta porTerzaghiy Biot. Este concepto, como ya se indicó, sugiere que la presión de poro ayuda a contrarrestar el esfuerzo mecánico del con tacto entre granos. La constante poroelástica se puede determinar a partir de:

Criterio de Drucker-Prager

Este criterio está basado en la suposición de que el esfuerzo de corte octaedro alcanza un valor crítico:

Criterio de Mohr - II

La falla no tendrá lugar cuando los valores de a y T estén por debajo de la curva AB. La falla tomará lugar si el círculo con centro C con un diámetro a} y ar3toca a la curva AB. La envolvente de Mohr es usualmente cóncava hacia abajo, de tal manera que a medida que el esfuerzo promedio se incrementa el plano de fractura se torna más inclinado en dirección creciente a a,.El punto en el cual la envolvente de Mohr intersecta al eje r es la resistencia al cizallamiento de la roca. La figura 24 es una envolvente típica de Mohr mostrando varias pruebas.

La expresión matemática relaciona a la resistencia al cizallamiento con las fuerzas de contacto, la fricción y la cohesión que existe entre los granos. Una aproximación lineal de la curva AB es:

Donde Im es el índice friccional y Is es el índice de intacto. Ambos son dependientes del material.| Este criterio correlaciona razonablemente a la falla quebradiza pero da pobres resultados con fallas dúctiles. Los parámetros Im, Is y Co se determinan en el laboratorio. De manera general, para rocas débiles Im es menor a 0.1, Is es menor a 0.0001; sin embargo, para rocas duras Im varía de 5 a 15 y Is es igual a 1.

Criterio de Mohr - I

En 1900 Mohr propuso que cuando una falla por cizallarmento sucede en un plano, el esfuerzo normal y de cizallamiento en ese plano se da en función de las características del material. El diagrama de Mohr es probablemente el método gráfico más importante para representar la variación de los esfuerzos en dos dimensiones, la figura 22 ¡lustra el círculo de Mohr.

El primer paso es dibujaren coordenadas cartesianas donde el eje y representa al cizallamiento y el eje x

La manera en que se usa el círculo de Mohr es a través del trazo de varios círculos con base en los datos obtenidos de una serie de pruebas triaxiales. Las pruebas triaxiales se llevan a cabo bajo diferentes presiones de confinamiento hasta que la falla ocurre y se obtiene una envolvente de falla particular para cada tipo de roca. De aquí se define que los esfuerzos normales y de cizallamiento están normalmente relacionados de tal forma que r=f(a). La figura 23 muestra cómo esta relación está representada como al curva AB.

Criterios de falla

Existe una relación entre el esfuerzo principal efectivo, el cual representa el límite a partir del cual la inestabilidad o la falla ocurre. Si la roca se encuentra bajo confinamiento estos esfuerzos serán máximos. La variación del esfuerzo máximo (a1) con la presión de confinamiento (o3) se conoce como criterio de falla. Existen varios criterios de falla en la literatura, aquí sólo se presentará el panorama general de cada uno de ellos. Para mayor profundidad en el tópico refiérase a la bibliografía reportada.

Esfuerzos efectivos

Al aplicar un esfuerzo total en una porción de roca que contenga fluidos, parte de éste será soportado por el fluido contenido en los poros. Como el fluido soporta parte del esfuerzo, la matriz de la roca sólo está afectada por la componente del esfuerzo efectivo. Al ocurrir el movimiento de fluidos en un yacimiento ocurre un efecto en la respuesta mecánica. La difusión del fluido en los poros también alterará los resultados, por lo tanto, puede haber una gran diferencia en los resultados si las pruebas se realizan en condiciones drenada y no drenada. La velocidad a la cual se aplique la carga a una muestra porosa puede hacer que la roca se comporte de una manera rígida o suave. El concepto de esfuerzo efectivo fue introducido originalmente por Terzaghi en 1923, cuando sugirió una relación lineal entre el vacío del material y el logaritmo de la presión aplicada.

Y gobierna la deformación del medio poroso mientras la falla se controla por el esfuerzo efectivo dado en la ecuación 5.3.4.4.1. Típicamente el valor de a es 0.7.

Efecto de! módulo de Poisson - III

Por definición, la fuerza es positiva. De tal forma que en el caso de el cambio lateral, o deformación principal (e2), debe ser negativo porque el cambio es en expansión. El esfuerzo aplicado para causar compresión es en este caso a\ y es positivo; por lo tan to, la otra deformación principal llamada 1 es contracción y tiene signo positivo. La relación de la expansión lateral a la contracción longitudinal es la relación de Poisson y se expresa como:

Efecto de! módulo de Poisson - II

La curva esfuerzo/deformac¡ón(a) es lineal para la mayoría de las rocas y finaliza en forma abrupta en el punto F. Anteriormente se mencionó que la relación lineal esta representada por E (módulo de Young). Sin embargo, esta relación sólo es cierta si el material es linealmente elástico. La figura 20 muestra que la curva tiene varias regiones antes de la falla. La figura (b) muestra un material perfectamente elástico. Esto está definido por una única relación entre el esfuerzo y la deformación que no necesita ser lineal. 

La elasticidad perfecta se tiene cuando el material se somete gradualmente a un esfuerzo y cuando se libera éste la ruta sigue la misma tendencia en sentido inverso. Además, la energía almacenada en la carga se disipa en la descarga. Por lo tan- to, no hay un modulo único, sino que para cualquier valor correspondiente a un punto P, la pendiente PQ de la tangente a la curva es el modulo tangente de Young y la pendiente de la secante OP, ole, se llama el módulo secante. 

La figura c muestra el comportamiento del material elástico. Un material se llama elástico si después del esfuerzo y liberación, antes de la falla, la deformación va a cero, aunque no necesariamente por la ruta de carga. Este efecto se llama histeresis y es causado por la disipación de energía de procesos tales como la creación de nuevas microfracturas. Al inicio se mencionó que una fuerza compresiva aplicada en un cilindro de roca causará deformación. Si la roca se comprime en una dirección, se acortará en esa dirección y se expandirá en forma lateral. La figura 21 ¡lustra el cambio en diámetro con el cambio de longitud debido a una fuerza compresional.

Efecto de! módulo de Poisson - I

Un espécimen de roca, tal como un cilindro cuya longitud es de dos a tres veces su diámetro, se deformará cuando esté sujeto a compresión axial. Entre más alto sea el nivel de esfuerzos, mayor deformación experimentará la roca. Las deformaciones axiales y laterales para cualquier campo de esfuerzos aplicado, se pueden medir con manómetros de deformación fijados a la muestra de roca. La gráfica del esfuerzo aplicado contra la deformación producirá una curva similar a la de la figura 19.

Esta curva tiene distintas regiones. En la región no lineal (OA) la roca tiende a comprimirse debido a las microfracturas preexistentes que se cierran y a los minerales que se comprimen ligeramente. Si la roca se removiera, la mayoría de las microfracturas permanecerían cerradas y resultaría en una deformación neta. La porosidad de las fracturas está relacionada con esta deformación. Continuando con la aplicación de carga (A a B), la mayoría de las fracturas cerradas producen la compresión neta de la roca y donde los poros se deforman y los granos se comprimen a un ritmo lineal. Esta forma lineal se representa por un coeficiente de proporcionalidad, E, el cual se llama módulo de Young y se define como:

La mayoría de las rocas presentan esta respuesta en un amplio rango de carga y, por lo tanto, el módulo de Young es una medición de la rigidez de la roca o el parámetro que expresa la resistencia a la deformación que una tiene para una determinada condición de carga. Continuando más allá del punto B con la aplicación de la carga, se origina un daño que no es reversible debido a que ocurren grandes deformaciones y el módulo total es más alto. De esta manera la descripción del comportamiento de la roca se vuelve más difícil usando un modelo elástico constante. Sin embargo, el uso de una secante así como un módulo tangente pueden hacerlo más sencillo. La diferencia en esos dos módulos puede ser significativa y debe tenerse cuidado al utilizar los datos reportados. Una forma más clara de visualizar la relación esfuerzo/deformación se tiene al analizar la figura 20 (a, b y c).

Definición de deformación

La posición relativa de los puntos dentro de un cuerpo se alterará cuando el cuerpo se someta a un campo de esfuerzos. En términos de la mecánica del medio continuo, es el desplazamiento de todos los puntos del cuerpo. La posición inicial (x, y, z) de cada punto se conoce y las fuerzas aplicadas originan el desplazamiento a una posición final. Como el signo usado para el desplazamiento debe ser similar al del esfuerzo, el desplazamiento positivo corresponde a esfuerzos positivos. El objetivo final es determinar el desplazamiento inicial de cada punto a partir de los esfuerzos y las condiciones de frontera. Las cantidades intermedias, llamadas deformaciones, se deben tomar en cuenta para llevar a cabo esta determinación. La translación de un cuerpo rígido es una forma simple de desplazamiento en la cual la posición relativa de los puntos no se altera. La rotación de un cuerpo sólido alrededor de un eje fijo es otra forma de desplazamiento. Si las posiciones de los puntos dentro de un cuerpo sufren variación de la posición inicia I a la posición final, entonces se considera que el cuerpo está deformado y la medición de esta deformación es necesaria. La figura 18 ilustra los métodos más comunes para medir la deformación. Un método es el cambio de longitud; el otro, es el cambio de ángulo.

Por lo tanto, si I es la distancia entre los puntos O y P en el cuerpo sin deformar y I' es la distancia en la condición deformada, se tiene:

Lo anterior se denomina el esfuerzo de deformación. Debido a que los esfuerzos se consideraron positivos en compresión, este esfuerzo de deformación positiva refleja un incremento en el ángulo y la deformación lineal positiva (e ) corresponde a un decremento en longitud.

Análisis de esfuerzos - III

Que es la ecuación para el esfuerzo normal al plano de fractura.

Realizando las sustituciones necesarias (Se deja de ejemplo al lector) se tiene:

Que es la ecuación para el esfuerzo cortante, en el plano de fractura.

Análisis de esfuerzos - II

Esfuerzo normal

En la figura 17 se observa que el esfuerzo x actúa perpendicular sobre la proyección vertical del plano de fractura Av.

La fuerza normal estará definida por:

Observando las figura 17 la relación de áreas es la misma por tratarse de un cuerpo homogéneo e isotrópico o sea aquél cuyas propiedades son idénticas en todas direcciones; es decir, que sus propiedades no dependen de la dirección en que se miden. Por lo tanto:

Análisis de esfuerzos - I

Con el fin de facilitar la comprensión y el planteamiento matemático del sistema básico de esfuerzos se recurrirá a un modelo teórico simple en un plano bidimensional. El sistema bidimensional utiliza sólo al plano xy y todo es independiente de z. Considere al plano xy como el plano del papel. Considere una sección de formación en forma de una barra con extremos infinitamente grandes sujeta a la acción de esfuerzos biaxiales, ax y a, aplicados sobre un par de ejes normales. El análisis se llevará a cabo sobre un plano inclinado (plano de fractura) que divide al cuerpo en dos bloques (figura 14).

Estas condiciones finales se deben a dos esfuerzos resultantes: Un esfuerzo normal, an, al plano inclinado; es decir, actúa perpendicularmente sobre lascaras de la fractura. Se llamará

Debemos recordar que un esfuerzo es una fuerza aplicada en un área. Por lo tanto se transformará el sistema de esfuerzos en su sistema correspondiente de fuerzas (figura 16) y los resultados se expresarán en función de los esfuerzos.

Definición de esfuerzo - II

Observando lafigura 12, puede existir un número infinito de planos a través del punto O. Aunque la fuerza resultante en esos planos es la misma, los esfuerzos actuantes en los diferentes planos son distintos debido a las diferentes inclinaciones. Además, para una completa definición del estado de esfuerzos es necesario especificar la magnitud, dirección, sentido y superficie en las cuales actúan los esfuerzos. Para esta situación considere la figura 13 la cual es un sistema rectangular de ejes.

Dirija OP en el sentido del eje X y el vector POX, tendrá componentes en las direcciones x, y, z que pueden escribirse como r , r y r . Como el área óA es x XV xz perpendicular a Ox, el esfuerzo óx es el esfuerzo normal. Note que r^ y r^ están en el plano de área óA y son los ejes fuerzos de cizallamiento que tienden a separar el material en el plano óA. Para los ejes y y z existen las mismas componentes. Existen entonces nueve cantidades que se llaman las componentes del esfuerzo en el punto O. El sistema se reduce a seis componentes y el vector de esfuerzos P0p puede expresarse en cualquier dirección de OP en términos de esas 6 componentes. (Se deja al lector la deducción).

Definición de esfuerzo - I

El análisis de los esfuerzos es materia de la estática pura, e independiente de las propiedades plásticas, elásticas, viscosas u otras supuestas para el material. La letra griega "sigma" (a) se utiliza para designar las componentes del esfuerzo normal (ox,oy//z), así como los esfuerzos principales (í/1/j2/73). Una componente del esfuerzo que actúa perpendicular (normal) a un plano se designa como el esfuerzo normal. Una componente del esfuerzo también actúa paralela a un plano y representa a lasfuerzasque tienden a separar el material en el plano. Este componente del esfuerzo se llama el esfuerzo de corte y se designa por la letra griega "tao" (r). 

Considere un plano de área dA orientado de manera aleatoria en una superficie (figura 12).

Este plano tiene un punto "O" en su interior. Existe, además, una línea OP a través de "O". Suponga que el material está siendo cortado a través de una pequeña área de óA en un plano a través de "O", el cual es normal a la dirección de OR La superficie de corte en el lado de P es el lado positivo y el lado opuesto es el lado negativo. El efecto de las fuerzas internas que existen en el cuerpo de la óAes igual a una fuerza óF ejercida por el material en el lado positivo de la superficie sobre el lado negativo, y de igual manera una fuerza opuesta ejercida en el lado negativo sobre la superficie positiva. Por lo tanto, esta cantidad de esfuerzo se expresa como una fuerza por unidad de área. El límite de la relación óF/óA a medida que ¿Atiende a cero es el vector esfuerzo en el punto O a través del plano que es normal en la dirección OP. Matemáticamente

Conceptos básicos

Los problemas asociados a la perforación de los pozos, como pérdidas de circulación, inestabilidad de las paredes, pobre rendimiento de barrenas y control direccional, no se habían relacionado con el estado de esfuerzos y así, a su vez, éste era poco comprendido. En 1948 se introdujo la técnica de fracturamiento. En ese tiempo, y hasta principios de 1985, la creencia popular era que al aplicar presión, la formación se "rompía" a lo largo del plano de estratificación. Esto implicaba que la sobrecarga tenía que ser levantada en su totalidad. En 1953, Hubbert apuntó que el estado normal de esfuerzos es uno de los esfuerzos principales; en áreas relajadas, caracterizadas por fallas normales, el esfuerzo mínimo debe ser horizontal.

De las observaciones anteriores se dedujo que el campo de esfuerzos era cercano a la columna hidrostática; esto significa que los esfuerzos principales deberían ser iguales y con un valor cercano a la sobrecarga. Esta suposición era común en los primeros intentos de comprender el comportamiento mecánico de la roca. Sin embargo, las rocas no son idealmente homogéneas, continuas, isotrópicas, lineales y elásticas. Se requieren diferencias sustanciales en los esfuerzos principales para que el fallamiento y el plegamiento de la corteza tenga lugar. Por lo tanto, la condición general de esfuerzos "in situ" es aquélla en la que existen tres diferentes esfuerzos principales perpendiculares. Es necesario comprender la condición del esfuerzo para proporcionar las bases de la mecánica de rocas.

Impacto geológico en la perforabilidad

La perforabilidad indica el grado de facilidad de una roca para perforarse. El hecho de incrementar la perforabilidad implica la falla de la roca con menos fuerza y una mayor velocidad de perforación. Muchos factores afectan la perforabilidad y, como resultado, comprendemos por qué la selección de las barrenas y los parámetros de operación se evalúan continuamente buscando la optimización. La tabla 6 muestra el impacto geológico en la perforabilidad.

Tipos de rocas - II

b) Características 

Brecha Fragmentos angulares cementados de otras rocas que crean una nueva roca compuesta cerca de las fallas. Conglomerados Se trata de una roca compuesta de fragmentos redondeados, menos angulares que las brechas, que se mantienen juntas por medio de un agente cementante como una lutita o una arcilla.  

Calizas 

Están compuestas, principalmente, por carbonato de calcio o por materia orgánica como conchas o esqueletos, también como precipitados del agua de mar. Están formadas por grandes cantidades de materiales clásticos interdigitados.  

Margas 

Son lutitas calcáreas con grandes cantidades de conchas porosas y mezcladas con arcilla.  

Dolomita 

Es una caliza en donde la mayor parte del calcio ha sido reemplazado por magnesio. Tiene una mayor porosidad que la caliza, aunque es más dura.  

Esquisto 

Es un tipo especial de caliza; es suave, porosa, de color blanco o gris. En zonas donde está bien compactada, se vuelve más densa y tiene la perforabilidad de una caliza.  

Pedernal 

Material silíceo, denso y duro que se encuentra en forma de guijarros o en distintas capas dentro de otras rocas.  

Lutita 

Estratos compactados de lodo y arcilla conforman una lutita. Las lutitas arenosas contienen arena, lutita calcárea y carbonato de calcio.  

Arenisca 

Cuando una masa de arena se cementa se vuelve una arenisca. La mayoría de las areniscas se encuentran comprimidas con fragmentos de cuarzo cementados con carbonato de calcio, sílice o arcilla. En la medida en que los granos se tornan más grandes, se aproxima al conglomerado.

Tipos de rocas - I

Las rocas encontradas en la naturaleza se clasifican en ígneas, sedimentarias y metamórficas dependiendo de su forma de aparición.  

Rocas sedimentarias 

Para el caso de la perforación, las rocas sedimentarias cubren el 75% de la corteza terrestre y vanan de centímetros a casi 12000 m de espesor. Por esta razón sólo se presentará una descripción general de su clasificación en función de su origen, tamaño y características principales.  

a) Clasificación por origen 

Incluye a las rocas sedimentarias formadas ya sea por el asentamiento de materiales en el agua, o por precipitación. También a partir del intemperismo en las rocas creado por el viento o la lluvia. Las rocas clásticas se describen a partir de su forma y tamaño. La forma se define como angular, subangularo redondeada. El tamaño se define en la tabla 4.

Origen químico

Las rocas sedimentarias de origen químico se forman en el lugar debido a reacciones inorgánicas de las sales disueltas o como resultado de los precipitados de la evaporación. 

Origen orgánico 

Los materiales orgánicos forman un pequeño porcentaje de las rocas sedimentarias. Esas partículas se forman de las plantas terrestres y marinas, y de los animales. Son ricas en carbón, y si existen condiciones muy especiales, este carbón puede transformarse en diamante y petróleo. La tabla 5 muestra una descripción general de la clasificación de las rocas sedimentarias por origen.

MECÁNICA DE ROCAS - Evaluación de formaciones

Como minerales, las características individuales de cada roca varían mucho, tanto en apariencia, como en composición. Aun la arcilla parece ser una masa sin forma regular pero, en realidad, es una masa regular. La arenisca está compuesta por una parte de silicio y puede contener kaolinita. Es importante estudiar las propiedades y características físicas de los minerales que conforman a las rocas encontradas durante el proceso de perforación, así como su influencia en la selección de barrenas y en la velocidad de penetración.  

Mineralogía 

La mineralogía es el estudio de la composición química, estructura cristalina, propiedad es físicas y ocurrencia de los minerales. Un mineral se define como un sólido cristalino homogéneo que se forma a partir de los procesos inorgánicos de la naturaleza. La tabla 3 muestra las propiedades físicas de algunos de los minerales encontrados durante la perforación.

Propiedades físicas
Clivaje
Son los bordes de separación en donde un material regularmente falla cuando se aplica una carga por compresión. Términos tales como perfecto, desigual, duro y fácil se aplican a la habilidad para fracturarse de un mineral. Los minerales tienen diferentes niveles de clivaje en una o hasta tres direcciones.
Fractura

Son aquellos minerales sin planos de clivaje que se rompen de manera irregular cuando se perforan. Los términos usados para la descripción incluyen concoidal, tenue, parejo y fibroso. 

Dureza 

Se define como la habilidad de un material para ser rayado por otro. La escala de Mohs es la medida estándar. Utiliza el valor de 1 para el material más suave y el de 10 para el más duro.

Preguntas y respuestas

1. ¿Qué es una barrena? 

La herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación, utilizada para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotaría.

 2. ¿Qué información se necesita para seleccionar una barrena ? 

• Evaluación de desgaste de barrenas empleadas previamente. 

• Evaluación de rendimiento de pozos vecinos. 

• Registros geofísicos de pozos vecinos y del mismo pozo (si se tienen ). 

• Datos sísmícos del área. 

• Software especializado de cálculo y análisis para la selección. 

• Propiedades de los fluidos de perforación por emplearse con esta barrena. 

• Tablas e información geológica. 

• Catálogos de barrenas. 

• Boletines sobre las características de las barrenas. 

• Tablas comparativas de barrenas. 

• Clasificaciones de barrena (ejemplo del IADC). 

3.¿Cuál es la función de la barrena? 

Remover a la roca (ripios de ésta) mediante el ven- cimiento de su esfuerzo de corte, o bien, remo- verla mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión 

4.¿Cuáles son los tipos de barrenas? 

• Barrenas tricórneas 

• Barrenas de cortadores fijos 

• Barrenas especiales

Barreras Especiales

• Barrenas desviadoras 

• Barrenas monocónicas 

• Barrenas especiales 

Las barrenas de chorro desviadoras a veces se emplean para la perforación direccional deformaciones blandas durante operaciones de desviación del agujero. La tubería de perforación y la barrena especial son bajadas dentro del agujero; y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión de las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en una dirección específica. 

Una barrena considerada para trabajar en condiciones especiales es la barrena para perforar con aire. Las barrenas de chorro de aire están diseñadas para la perforación con aire, gas o neblina, como medio de circulación. Estas barrenas están provistas de conductos para circular parte del aire, gas o neblina a través de los cojinetes no-sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios. Los filtros de tela metálica colocados sobre la abertura de la entrada de aire evitan que los ripios, u otras materias extrañas, obstruyan a los cojinetes. 

Además, existen otros tipos de barrenas especiales que, como su clasificación lo indica, se usan para operaciones muy específicas y, por lo tanto, no se considera su análisis económico comparativo para su aplicación directa. Entre estas se pueden mencionar: las barrenas ampliadoras, las barrenas para cortar tuberías de revestimiento, barrenas para perforar diámetros demasiado grandes o pequeños, con aplicación de tubería flexible etcetera.

Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP) - II

Por su diseño y características, las barrenas PDC cuentan con una gran gama de tipos y fabricantes, especiales para cada tipo de formación: desde muy suaves hasta muy duras, y en diferentes diámetros según el diseño de los pozos. 

Además, estas barrenas pueden ser rotadas a altas velocidades, utilizadas con turbinas o motores de fondo, con diferentes pesos sobre barrena y por su alta resistencia, así como fácil manejo según las condiciones hidráulicas. 

La experiencia de campo con estas barrenas ha creado entre el personal operativo la creencia de que contribuyen al incremento del ángulo de desviación del pozo. Esto no ha sido comprobado totalmente; lo cierto es que la teoría de fabricación de estas barrenas es de efecto contrario, pues por su cuerpo fijo, tiende a la estabilización del pozo. Una desventaja de este tipo de barrenas son los problemas de acuñamíento en formaciones deleznables y en pozos en donde se debe repasar el agujero por constantes derrumbes de la formación. Este fenómeno contribuye a que la formación las atrape más fácilmente que una barrena tricórnea. Una secuencia lógica para la selección adecuada de una barrena PDC contempla los siguientes pasos: 

a). Obtener información de los pozos prospecto: identificar el objetivo del pozo, diámetro del agujero, datos del intervalo a perforar, tipo de formación, contacto geológico, litología, condiciones y requerimientos especiales del pozo, determinación de restricciones e indicaciones de la perforación. 

b). Seleccionar la estructura de corte, cuerpo y perfil de la barrena: identificar el tipo, tamaño, densidad, distribución e inclinación de los cortadores. También el tipo de perfil y cuerpo de la barrena lo cual ayudará a la óptima estabilización y agresividad durante la perforación. 

c). Elaborar análisis económicos: identificar la ganancia o ahorro esperado con el uso de este tipo de barrenas con base en el costo por metro y rentabilidad económica, entre otros.
d). Seleccionar el diseño hidráulico: identificar la hidráulica óptima para perforar, así como el tipo de fluido de control usado, con base en la limpieza de los recortes y el enfriamiento de la barrena.

Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP) - I

El diseño de las barrenas de diamante térmicamente estable (TSP), al igual que las de diamante natural, es de un solo cuerpo sin partes móviles. Son usadas para perforación de rocas duras como caliza dura, basalto y arenas finas duras, entre otras. Son un poco más usadas para la perforación convencional que las barrenas de diamante natural. La figura. 11 muestra el tipo de una barrena de diamante TSP. El uso de las barrenas TSP también es restringido porque, al igual que las de diamante natural, presentan dificultad en su uso por restricciones de hidráulica. Así las vías de circulación están prácticamente en contacto directo con la formación y, además, se generan altas torsiones en la tubería de perforación por la rotación de las sartas, aunque en la actualidad se pueden usar con motores de fondo.

Este tipo de barrenas usa como estructura de corte, diamante sintético en forma de triángulos pequeños no redondos, como es el caso de las barrenas de diamante natural. La densidad, tamaño y tipos son características que determinan cada fabricante. Estas barrenas también tienen aplicación para cortar núcleos y desviar pozos cuando así lo amerite el tipo de formación. Las barrenas TSP originalmente fueron diseñadas con diamante sintético fabricado en 1955, por la General Electric. Esta enorme compañía diseñó aparatos capaces de obtener presiones de 100,000 psi y más de 70,000°F de temperatura simultáneamente. Esto no fue fácil, sin embargo se tuvo éxito en la sintetización de diamantes que es, precisamente, otra forma de carbón. Barrenas de compacto de diamante policristalino (PDC) Las barrenas PDC pertenecen al conjunto de barrenas de diamante con cuerpo sólido y cortadores fijos y, al igual que las barrenas TSP, utilizan diamante sintético. Su diseño de cortadores está hecho con diamante sintético en forma de pastillas (compacto I de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la barrena, pero a diferencia de las barrenas de diamante natural y las TSR su diseño hidráulico se realiza con sistema de toberas para lodo, al igual que las barrenas trícónicas. El mecanismo de corte de las barrenas PDC es por arrastre. Por su diseño hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda y, además, por sus buenos resultados en la perforación rotatoria, este tipo de barrena es la más usada en la actualidad para la perforación de pozos petroleros. También representa muchas ventajas económicas por su versatilidad.

Barrenas de diamante natural

Las barrenas de diamante natural, al igual que las de otros tipos de diamante, tienen un cuerpo fijo cuyo material puede ser de matriz o de acero (ver figura 8). El tipo de flujo es radial o de contra matriz, y el tipo de cortadores es de diamante natural incrustado en el cuerpo de la barrenas, con diferentes densidades y diseños como se clasifica en el código IADC. El uso de estas barrenas es limitado en la actualidad salvo en casos especiales para perforar formaciones muy duras, y cortar núcleos de formación con coronas de diamante natural (figura 9). Otro uso práctico es la aplicación de barrenas

desviadoras (Side Track), para desviar pozos en formaciones muy duras y abrasivas (figura 10).

El mecanismo de corte de este tipo de barrenas es por fricción y arrastre, lo cual genera altas temperaturas. El tipo de diamante utilizado para su construcción es el diamante en su forma natural y no comercial; el tamaño varia de acuerdo con el tipo de diseño de la propia barrena: entre más dura y abrasiva sea la formación, más pequeño será el diamante que se debe usar. Los diamantes utilizados para este tipo de barrenas son redondos, pero de forma irregular. El diamante natural es una forma cristalina y pura de carbón con una estructura cúbica de cristal. Es el material más duro hasta ahora conocido y en su forma natural el 80% de los diamantes es para uso industrial, mientras que sólo el 20% son para gemas de calidad tras varios procesos de limpieza y depuración.

Código IADC para barrenas de cortadores fijos

La IADC desarrolló un sistema de codificación para la identificación de barrenas de cortadores fijos que incluye a todos los tipos: diamante natural, compactos de -diamante policristalino (PDC) o de diamante térmicamente estable (TSP). Este código consiste en cuatro caracteres (una letra y tres números) que describen siete características básicas: 

1. Tipo de cortadores. 

2. Material del cuerpo de la barrena. 

3. Perfil de la barrena. 

4. Diseño hidráulico para el fluido de perforación. 

5. Distribución del flujo. 

6. Tamaño de los cortadores. 

7. Densidad de los cortadores. En función de la identificación con el código IADC, existen por lo menos cinco aspectos fundamentales en el diseño de barrenas de diamante: la forma de los cortadores, ángulos de inclinación lateral y de retardo, tipo de protección al calibre y longitud de la sección del calibre. Si bien todos ellos son factores importantes en el desarrollo de las barrenas de diamante, lo que se pretende con este código IADC es dar una idea del tipo de barrena y lograr que se identifiquen fácilmente sus principales características.

En la tabla 2. se muestra la identificación de barrenas de diamante mediante el código IADC para barrenas de cortadores fijos. Cabe hacer notar, que a diferencia del código IADC para barrenas trícónicas, el código IADC para barrenas de diamante no los relaciona con la formación por perforar. Únicamente, como ya se mencionó, se pueden identificar sus características más elementales.