La estructura de corte.

Para entender cómo la geometría del cono puede afectar la forma en que los dientes cortan el terreno, se muestra esquemáticamente un cono en la figura 3. Dado que el cono tiene una superficie cónica única, con su eje en el centro de rotación de la barrena, rodará en el fondo del pozo sin ninguna acción de deslizamiento o arrastre. Los conos de las barrenas para formaciones blandas (fig. 5) se apartan sustancialmente de un verdadero rodamiento debido a que tienen dos ángulos de cono básicos, ninguno de los cuales tiene su centro en el centro de rotación de la barrena. La superficie exterior cónica tiende a rotar aproximadamente alrededor de su eje teórico y las hileras interiores cerca de un centro de su propio eje.

Como los conos están forzados a rotar alrededor del centro de la barrena, resbalan a medida que rotan y producen el escariado y paleo, que es la mejor manera de perforar en forma efectiva los terrenos blandos. Una acción más efectiva para incrementar la penetración en formaciones blandas, se obtiene con la excentricidad de los ejes de los conos (figura 6).

El cono que se muestra esquemáticamente en la figura 7 es el típico para formaciones duras. Los conos de una barrena para formación dura deben estar más cerca de un movimiento circular y, por lo tanto, tienen muy poca o ninguna excentricidad.

Principios de diseño de las barrenas trícónicas

Las barrenas trícónicas cuentan con tres conos cortadores que giran sobre su propio eje. Varían de acuerdo con su estructura de corte, y pueden tener dientes de acero fresados o de insertos de carburo de tungsteno. También cambian en función de su sistema de rodamiento que puede tener balero estándar, balero sellado, chumacera, etc. Las barrenas trícónicas constan de tres importantes componentes: la estructura cortadora, los cojinetes y el cuerpo de la barrena. La estructura de corte, o cortadores, está montada sobre los cojinetes, los cuales corren sobre pernos y constituyen una parte integral del cuerpo de la barrena (figura 4).

Las cargas radiales son absorbidas por el elemento exterior más grande de los cojinetes, ya sea de rodillos, de balero sellado o de chumacera sellada, cerca de la punta del cono o de la base del mismo. Los cojinetes de balines sirven para retener los conos y, en algunos casos, para absorber ambas cargas, radiales y de hincamiento. La capacidad adicional del empuje hacia afuera del cojinete es proporcionada por superficies planas en el extremo interior del perno que sostiene el cojinete, entre el hombro de la pista de los rodillos y el cojinete de nariz. Los elementos del corte de la barrena de conos son hileras circunferenciales de dientes extendidas sobre cada cono, y entrelazadas entre las hileras de dientes de los conos adyacentes.

Actualmente se emplean en las barrenas dos distintos tipos de elementos de corte y tres tipos de cojinetes. Los elementos cortadores son los dientes de acero, maquinados desde un cono básico de material, o los insertos de carburo de tungsteno, colocados a presión en agujeros perforados en la superficie de los conos. Los cojinetes son de balines y rodillos, o sólo de balines, de balero sellado y de chumacera sellada. Aunque hay muchas diferencias en las barrenas, las consideraciones sobre el diseño básico son similares para todas. El espacio permitido a los diferentes componentes depende del tipo de formación que perforará la barrena. Por ejemplo, las barrenas para formaciones blandas, que requieren poco peso, tienen los cojinetes más pequeños, menor espesor de conos y la sección de las patas más delgada que la de las barrenas para formaciones duras. Esto permite más espacio para dientes largos. Las barrenas para formaciones duras, que deben perforar bajo grandes pesos, tienen elementos de corte más robustos, cojinetes más grandes y cuerpos más vigorosos.

Barrenas trícónicas

Las patentes de las barrenas trícónicas datan de antes de 1866. Sin embargo, solamente tres fueron emitidas antes del descubrimiento del Yacimiento de Spindletop, cerca de Beaumont, Texas, en 1901. En ese lugar se hicieron evidentes las ventajas del proceso rotario de perforación, y así fue reemplazando a los métodos anteriores. Su aceptación se debe a que es universal, tiene gran versatilidad y porsus buenos resultados en la perforación de pozos petroleros. Por esta razón, en este trabajo nos enfocaremos a este tipo de barrenas. 

Figura 1 Barrena tricónica.

Antecedentes 

Las barrenas trícónicas, como su nombre lo indica, tienen tres conos cortadores que giran sobre su propio eje, fueron introducidas entre 1931 y 1933. Básicamente similares a las modernas barrenas (fig. 1), fueron empleados para su construcción cojinetes antifricción y, en vez de tener los dientes en línea

sobre la longitud de un cono, cada hilera de dientes fue producida separadamente y escalonada con los dientes de las otras hileras. La figura 2 ¡lustra el escalonamiento de los dientes de acero de la hilera anterior respecto de la exterior. Esta característica dobla la velocidad de penetración y los metros (pies) por barrena; así, sucesivamente siguieron muchas mejoras en los cojinetes y en la estructura cortadora hasta 1948 con la introducción de las barrenas a chorro (fig. 1). 

Las toberas en las barrenas de este tipo envían el fluido de perforación a alta velocidad contra el fondo del pozo para remover y levantar las partículas a medida que la barrena afloja el terreno. Una importante modificación de las barrenas fue el empleo de insertos de carburo de tungsteno como elementos cortantes. Dichas barrenas, aparecidas en 1951, tenían insertos cilindricos de carburo de tungsteno que estaban redondeados en sus extremos, colocados a presión en agujeros patrones y hechos en los conos para formar la estructura cortadora. 

El primitivo extremo ovoide del inserto tenía la resistencia y capacidad de trituración necesarias para perforar de tres a diez veces más que las barrenas con dientes de acero en la formación más dura como pedernal. Generalmente, duraban más que los mejores cojinetes disponibles hasta entonces. En 1959, la primera aplicación práctica del balero sellado, del compensador de presión y del sistema de autocontenido de lubricación, proporcionó a los cojinetes de rodillos la ayuda necesaria para prolongar la vida de la barrena (fig. 5). 

Pero esto no fue adecuado para las barrenas con insertos de carburo de tungsteno. El más reciente y espectacular progreso llegó en 1969 con la introducción del cojinete de fricción (chumacera sellada). La duración de este cojinete fue pareja a la de los insertos de carburo de tungsteno en la estructura cortadora. Gracias a este adelanto, la vida de la barrena llegó a cuadruplicarse.

TIPOS DE BARRENAS

Las patentes de las primeras barrenas para perforación surgieron en 1901 paralelamente a los primeros descubrimientos de yacimientos petroleros. En cuanto a su diseño e ingeniería, en la actualidad han mejorado notablemente sus características físicas y mecá nicas; su duración y funcionamiento también han evolucionado y así se ha logrado un mejor rendimiento y desempeño en la perforación de los pozos. Durante casi una década la industria petrolera utilizó de manera rudimentaria, pero efectiva, la perforación con pulseta y con diferentes tipos de barrenas: las de arrastre, de discos, de rodillos en cruz, de uno y dos conos, así como las de diamantes que han sido empleadas extensamente. En las barrenas de diamantes, recientemente se han logrado algunos progresos. Sin embargo, la barrena tricórnea se emplea de manera universal y casi exclusivamente en la perforación rotaría. En este trabajo sólo se describirán las barrenas usadas en la actualidad. Los tipos de barrenas más utilizados para la perforación de pozos petroleros, así como el empleo de barrenas para operaciones especiales, se clasifican genéricamente de la siguiente manera:  

Barrenas tricó nicas 

• Antecedentes 

• Principios de diseño 

• Código IADC para barrenas tricórneas 

Barrenas de cortadores fijos 

• Código IADC para barrenas de cortadores fijos 

• Barrenas de diamante natural 

• Barrenas de diamante policristalino térmicamente estable (TSP) = thermally Stable polycrystaline 

• Barrenas compactas de diamante policristalino (PDC)= polycrystaline diamond Compact 

 Barrenas especiales 

• Barrenas desviadoras 

• Barrenas monocónicas 

• Barrenas especiales

Principios

Para realizar la perforación, las barrenas funcionan con base en dos principios esenciales: fallar la roca venciendo sus esfuerzos de corte y de compresión. El principio de ataque de la barrena se realiza mediante la incrustación de sus dientes en la formación y posteriormente en el corte de la roca al desplazarse dentro de ella; o bien, mediante el cizallamiento generado por los cortadores de la barrena y que vence la resistencia de la roca. De ahí que se distingan dos tipos fundamentales de barrenas: de dientes y de arrastre. La forma de ataque dependerá del tipo y características de la roca que se desea cortar, principalmente en función de su dureza. Este factor resulta muy importante en la clasificación de las barrenas. 

Por ejemplo, para formaciones suaves la mecánica preferencial es el paleado y escareado que proporcionan las barrenas de dientes; mientras que en formaciones duras es preferible usar barrenas de arrastre; sin embargo, es el grado de dureza lo que determinará el tipo de barrena y el principio de ataque.

INTRODUCCIÓN Y DEFINICIONES

El método rotatorio de perforación de un agujero implica invariablemente el empleo de una barrena. Es la herramienta clave para el ingeniero de perforación: su correcta selección y las condiciones óptimas de operación son las dos premisas esenciales para lograr éxito en el proceso. En la actualidad existe gran variedad de barrenas fabricadas por varias compañías para diferentes procesos del trabajo. Por ello, el diseñador debe examinar adecuadamente las condiciones de la formación que se pretende perforar y el equipo disponible. Es imprescindible, por lo tanto, que el ingeniero en perforación domine los fundamentos del diseño de las barrenas y sea capaz de entender sus comportamientos para lograr una adecuada selección. 

Definición 

Barrena es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotatoria. 

Información requerida 

Para seleccionar la barrena adecuada se deben analizar un gran número de variables que interactúan entre sí. Por esta razón es indispensable conocer: 

• La evaluación del desgaste de las barrenas previamente empleadas. 

• Los rendimientos obtenidos en pozos vecinos. 

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

• Los datos sísmicos del área. 

• El software especializado en cálculo y análisis para la selección. 

• Las propiedades de los fluidos de perforación por emplearse en función de la barrena elegida. 

• Las tablas e información geológica. 

• Los catálogos de barrenas. 

• Los boletines sobre las características de las barrenas. 

• Las tablas comparativas de barrenas. 

• Las clasificaciones de barrenas (ejemplo del IADC) International Association of Drilling Contractors.

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