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.