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.

Las barrenas de cortadores fijos

Las barrenas de diamante tienen un diseño muy elemental. A diferencia de las trícónicas, carecen de partes móviles, aunque esta característica sería deseable. El material usado para su construcción, además de los diamantes, puede variar según el tipo de las barrenas y de las características de los fabrican tes. Normalmente el cuerpo fijo de la barrena puede ser de acero o de carburo de tungsteno (matriz) o una combinación de ambos. Estas barrenas de diamante son fabricadas con diamante natural o sintético, según el tipo y características de la misma. La dureza extrema y la alta conductividad térmica del diamante lo hacen un material con alta resistencia para perforar en formaciones duras a semiduras, y en algunos tipos de barrenas, hasta formaciones suaves. Las barrenas de diamante, a excepción de las barrenas PDC, no usan toberas de lodos para circular el fluido de control para aprovechar su hidráulica. Están diseñadas de tal manera que el fluido de perforación pueda pasar a través del centro de la misma, al- rededor de la cara de la barrena y entre los diamantes por unos canales llamados vías de agua o de circulación (figura 8).

Los conductos para encauzar el fluido de perforación (vías de agua), en las barrenas de diamantes no son tan variables como los de las barrenas de chorro con toberas. Estas tienen dos configuraciones básicas, el flujo contramatriz y el flujo radial, también existen variaciones de cada tipo, así como combinaciones de ambos. 

Por la configuración de este tipo de barrenas, el fondo del agujero se encuentra junto a las vías de circulación para crear restricciones al flujo, y así forzar el fluido de perforación a través del diamante para limpiar y enfriar la barrena y, a la vez, cortarla roca por fricción y compresión. Por lo general entre mas dura y más abrasiva sea la formación, más pequeño será el diamante que se debe usar en la barrena.

EL Código IADC para barrenas trícónicas

La Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC) ha desarrollado un sistema estandarizado para clasificar las barrenas tricórneas de rodillos (para roca). Se clasifican de acuerdo con el tipo (dientes de acero o de insertos), la clase de formación para la cual fueron diseñadas (en términos de serie y tipo), las características mecánicas, y en función del fabricante. El sistema de clasificación permite hacer comparaciones entre los tipos de barrena que ofrecen los fabricantes. Para evitar confusión entre los tipos de barrenas equivalentes en relación con sus distintos fabricantes la IADC creó el sistema (código IADC), de clasificación de tres dígitos, como se relaciona a continuación. El primer dígito. Identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación, como se relaciona a continuación: 

1. Dientes fresados para formación blanda. 

2. Dientes fresados para formación media. 

3. Dientes fresados para formación dura. 

4. Dientes de inserto de tugsteno para formación muy blanda. 

5. Dientes de inserto de tugsteno para formación blanda. 

6. Dientes de inserto de tugsteno para formación media. 

7. Dientes de inserto de tugsteno para formación dura. 

8. Dientes de inserto de tugsteno para formación extra dura. 

El segundo dígito. Identifica el grado de dureza de la formación en la cual se usará la barrena. Varía de suave a dura, como se relaciona a continuación: 

• Para formación suave 

• Para formación media suave 

• Para formación media dura 

 Para formación dura El tercer dígito. Identifica el sistema de rodamiento y lubricación de la barrena en ocho clasificaciones, como se indica a continuación: 

1. Con toberas para lodo y balero estándar 

2. De toberas para aire y/o lodo con dientes diseño en T y balero estándar 

3. Balero estándar con protección en el calibre 

4. Balero sellado autolubricable 

5. Balero sellado y protección al calibre 

6. Chumacera sellada 

7. Chumacera sellada y protección al calibre 

8. Para perforación direccíonal 

9. Otras La tabla 1 muestra en forma esquemática y generalizada, el código IADC descrito anteriormente para la selección y clasificaciones de barrenas trícónicas.

Sistemas de rodamiento - II

Como puede verse, el sistema depósitocompensador es similar al de los tipos de dientes. La diferencia más importante es que se emplea el anillo de goma ("O" ring) y además una superficie metal-metal reemplaza a los rodillos. El cojinete a fricción se vuelve el componente principal que soporta las cargas. Las superficies hermanadas de este cojinete son recubiertas con metales especiales que agregan una resistencia adicional al desgaste y mayor protección contra el engranamiento. Estos cojinetes son de vida más larga que la mayoría de las estructuras cortadoras actuales. 

Una variación del cojinete de chumacera se está empleando cada vez más en algunos de las barrenas con dientes de acero. La diferencia estriba en que, en este caso, no tienen las incrustaciones de aleación y que se le hace un tratamiento especial al metal del cojinete. Las superficies donde el perno del cojinete de chumacera hace contacto con el interior del cono son carburizadas, y luego, boronizadas o tratadas especialmente para aumentar la resistencia al desgaste y proporcionar mayor protección contra el engranamiento. Estos tratamientos son generalmente suficientes para equilibrar la vida del cojinete y de la estructura cortadora de dientes de acero. Cuerpo de la barrena. El cuerpo de la barrena consiste en: 

• Una conexión roscada que une la barrena con la tubería de perforación. 

• Tres ejes del cojinete en donde van montados los conos. 

• Los depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes. 

• Los orificios a través de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar del fondo el recorte. Uno de los propósitos del cuerpo de la barrena es dirigir el fluido de perforación hacia donde hará la limpieza más efectiva del fondo del pozo. 

Anteriormente, estos orificios estaban ubicados para dirigir el fluido de perforación de forma tal que limpiaban los conos de la barrena. En la actualidad, la mayoría de las barrenas son del tipo a chorro, el cual apunta el fluido hasta el fondo del pozo (fig. 1). 

Las bombas modernas tienen suficiente potencia como para limpiar el fondo del pozo y también los cortadores. En algunas formaciones blandas, los chorros del fluido de perforación remueven el material por su propia fuerza. La erosión del fluido sobre el cuerpo de la barrena, proveniente de altas velocidades, se reduce a un mínimo con el empleo de las toberas de carburo de tungsteno. 

Las barrenas trícónicas, como se mencionó, son las más utilizadas en la actualidad para la perforación petrolera, y para otras aplicaciones como: pozos de agua, minería y geotermia. Cada compañía tiene sus propios diseños de barrenas trícónicas con características especificas del fabricante, pero de acuerdo con un código de estandarización emitido por la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC). A continuación se explica la clasificación, selección y uso de las barrenas trícónicas de acuerdo con este código.

Sistemas de rodamiento - I

Existen tres diseños principales: Estándar con rodillos y balines Autolubricados con rodillos y balines De fricción autolubricados. El tipo de sistema depende de la economía de aplicación, y en función del lugar donde deberán ser empleados. Los cojinetes estándar aparecieron para reemplazar a los primeros cojinetes de fricción. Fueron lanzados al mercado en un momento en que solamente se podían conseguir barrenas de dientes de acero. Estos cojinetes operaban en contacto con el fluido de perforación y, en muchos casos, duraban tanto o más que la estructura cortadora. Sin embargo, en algunas zonas, y con algunos tipos de barrenas, estos cojinetes eran inadecuados en distintos grados. 

En las barrenas actuales, los cojinetes estándar se emplean en la parte superior de los pozos, en donde el tiempo de maniobras no es excesiva; además, en algunos casos, cuando la velocidad de rotación es alta, la pista de los rodillos absorbe la mayor porción de los empujes radiales sobre los cortadores y el cojinete de nariz absorbe una pequeña parte. Las superficies de empuje perpendicularal perno del cono y la del fondo están diseñadas para realizar los empujes hacia afuera. La pista de los balines mantiene los cortadores unidos y recibe los empujes de afuera hacia adentro. 

Cuando algunas partes del cojinete están gastadas, la pista de los balines también absorbe algunas cargas radiales y algunos empujes hacia afuera. No obstante que se realiza investigación permanente para solucionar el problema de los cojinetes, la introducción de los insertos de carburo de tungsteno como dientes lo ha agudizado. 

Además de los elementos del cojinete (balines y rodillos), éste requiere un depósito para la grasa, un compensador de presiones, un conducto que comunique a ambos y un sello. Aun en un ambiente lubricado, los cojinetes de rodillos después de un determinado tiempo fallarán por la propia fatiga del material. Sin embargo, la vida del cojinete es suficiente para algunas barrenas con dientes de acero. Así este tipo de cojinetes todavía se emplea en las barrenas para formaciones más blandas. 

Las estructuras cortadoras de insertos de carburo de tungsteno todavía duran más que el cojinete de rodillos y balines lubricados. Esto condujo al desarrollo de cojinetes de chumacera y de un nuevo sello.