Selección en función de la formación que se va a perforar

La primera y más importante tarea para seleccionar y utilizar una barrena en una aplicación específica es realizar la completa descripción de las formaciones que se han de perforar. El conocimiento de sus propiedades físicas puede demostrar algunos indicativos sobre el tipo de barrena que se debe seleccionar en intervalos determinados. Si la formación es muy elástica, tiende a deformarse cuando se comprime en lugar de fracturarse. Aunque la roca tenga resistencia a la compresión relativamente baja, es posible que la barrena no genere recortes fácilmente. En estas situaciones cuando se perfora con barrenas PDC se recomiendan cortadores grandes. 

Las barrenas PDC se desarrollaron primordialmente para perforar formaciones sedimentarias blandas a medianas que antes se perforaban con barrenas de dientes fresados y con barrenas con insertos de carburo de tungsteno. En estas formaciones blandas, las barrenas PDC han logrado ritmos de penetración hasta tres veces más altos que con barrenas de rodillos. El incremento de los ritmos de penetración se debe al mecanismo de corte por cizallamiento de las barrenas PDC, a su más larga duración efectiva, a la resistencia de los diamantes a la abrasión y al hecho de que las barrenas PDC carecen de piezas móviles que puedan fallar. 

La siguiente lista resume los principales tipos de formaciones, en orden decreciente de dificultad para perforarlas. Las formaciones que se consideran aptas para perforarse con barrenas PDC son las de tipos 1 a 7, si bien en ciertas aplicaciones se pueden usar para perforar areniscas blandas (tipo 8) y algunas evaporitas (tipos 9, 10 y 11). Las formaciones de tipo 12 o de números más altos aún no se pueden perforar con barrenas PDC.

Arcilla

Barro compacto (mudstone)

María

Evaporita

Yeso

Lutita

Limo

Arenisca

Anhidrita

Caliza

Dolomita

Conglomerado

Horsteno

Rocas volcánicas

Debe recordarse que dentro de cada grupo de formaciones hay "subgrupos", algunos de los cuales no se pueden perforar con barrenas PDC, al menos hasta ahora con la tecnología existente. La resistencia de la roca puede estar relacionada con la lito logia. Se debe tener cuidado de no equiparar el nombre de la formación con el tipo de roca, especialmente cuando se trata de lutitas. Algunas formaciones denominadas "lutitas" no coinciden con la definición. 

Ejemplos de esas anomalías son las lutitas Laffan de Dubai y las lutitas Wolfcamp de Texas, las cuales son rocas de carbonato. Para ejemplificar el uso de las propiedades de la roca en la selección de barrenas, refiera se a la sección de mecánica de rocas. En esa parte se detalla la metodología para la selección y se detalla una guía con base en la resistencia compresiva sin confinamiento (Figura 32).

Selección por medio de registros geofísicos - Figura

Figura _ 24

Selección por medio de registros geofísicos - Figura

Figura_ 33

Selección por medio de registros geofísicos

Los registros geofísicos de los pozos son una importante fuente de información sobre las características de las formaciones que se perforan en un pozo. Existe una gran variedad de registros, cada uno diseñado para medir diferentes propiedades de las rocas. Algunos de estos registros son utilizados cuando se evalúa principalmente una aplicación de barrena de diamante. Los registros necesarios son: neutrones, rayos gamma, sónico y densidad. A continuación se describe cada uno de ellos. 

Registro de neutrones Mide la capacidad de las formaciones para atenuar los flujos de neutrones. Puesto que la masa atómica está muy cercana al hidrógeno, los neutrones no pueden fluir fácilmente a través de formaciones que tengan alto contenido de hidrógeno, lo cual permite medir el hidrógeno de la formación. Esta medida se puede usar para computar la porosidad de la formación (Figura 33). 

Registro de rayos gamma Detecta el grado de radiación gamma natural que emiten las formaciones. Esto permite identificarlos intervalos de lutita que emiten altos niveles de radiación. El registro diferencia las lutitas de las areniscas y de los carbonatos y es lo bastante preciso para detectar lechos delgados de lutitas y arcillas (Figura 33) 

Registro sónico Depende de la propagación de las ondas acústicas a través de la formación. Las ondas las genera un transmisor situado en la herramienta. Receptores, también puestos en la herramienta, vigilan las ondas de retomo y calculan el tiempo de desplazamiento. Mientras más corto sea el intervalo entre la emisión y la recepción de las ondas, más densa es la formación (Figura 34). 

Registro de densidad Mide la densidad en masa de la formación. La herramienta de registro tiene una fuente de rayos gamma y algunos detectores. Formaciones de baja porosidad dispersan los rayos gamma y así pocas logran ser detectadas por la instrumentación de la herramienta. Las formaciones de alta porosidad tendrán menor efecto de dispersión que los rayos, y así logran que mayor cantidad llegue a ser detectada (Figura 33).

Análisis de resistencia a la compresión Es un método cualitativo, relativamente nuevo para calcular la dureza de la roca, muy útil para determinar cuándo se deben usar barrenas PDC. Antiguamente, el análisis de dureza de las rocas se basaba en el uso de registros de la velocidad de las ondas sonoras, obtenidos de registros sónicos, como medio para reemplazar la medición directa o el cálculo de la dureza. Recientemente se han desarrollado programas para obtener el valor correspondiente a la resistencia a la compresión de rocas no confinadas (a presión atmosférica), usando la información de la velocidad sónica para computar un valor correspondiente a la dureza de la roca no confinada. Aunque este enfoque es mejor que el del usar directamente las velocidades sónicas, el cálculo de la dureza de rocas no confinadas así obtenido es frecuentemente mucho más bajo que el de las rocas comprimidas (confinadas) que se perforan. La resistencia de la roca no confinada es su dureza a presión atmosférica. Algunas compañías de barrenas han desarrollado un programa de cómputo que ayuda a seleccionar barrenas PDC. Los datos de los registros se introducen en dichos programas en código ASCII; esta información es la base para calcular la resistencia a la compresión de la roca a condiciones de fondo. Estos programas definen con mayor precisión la dureza de la roca en lo referente a su dureza confinada, valor que se aproxima a la dureza de las formaciones en el fondo del pozo. Los programas utilizan los registros sónico y de rayos gamma, así como gran número de datos de ingreso de registros del lodo. Dentro de la escala de litologías, para la cual son válidos los programas, la dureza de las rocas se puede determinar con más precisión. El programa genera gráficos, en formato de registros, que muestran trazas de los datos originales de los registros del lodo, la litología interpretada por las computadoras, los valores calculados de la resistencia de la roca confinada y otros datos opcionales sobre las características mecánicas de la roca (figura 35). Con el fin de tener un panorama de cómo funcionan los programas de cómputo para obtener la resistencia de las rocas a partir de los registros antes mencionados, en la figura 36 se ¡lustra un diagrama de flujo.

Tipo de roca

Si se cuenta con datos precisos sobre las formaciones que deberán perforarse en el intervalo objetivo, se podrá seleccionar con más facilidad la estructura óptima de corte y la densidad que requiere la aplicación, ya sea barrena tricónica o de diamante. 

Litología. Por lo general, la información litológica es la primera que se necesita para determinar la mejor selección. Definidos los tipos de rocas se asocian más con la mecánica de corte de las barrenas de diamante. Sin embargo, para las aplicaciones de diamante quizás sean aún más importantes los tipos litológicos desfavorables, que seguramente provocarán fallas graves. El tipo de roca ayuda a determinar el tipo de corte necesario para vencer su resistencia: corte, surcado o molido. 

Características /ito/ógicas. Definen aún más los parámetros de selección para la barrena una vez que se eligió. Para las barrenas de diamante indican la densidad requerida para los cortadores, la configuración hidráulica y permiten estimar la duración de la barrena y su coeficiente de penetración: 

De transición. Indica cambios en la dureza de la formación del intervalo objetivo. Provocará cargas disparejas en el perfil de la barrena a través de la transición. Las vibraciones axiales, de torsión y laterales son, posiblemente, factores en este medio ambiente. La calidad y la densidad específicas de los cortadores constituirán el criterio de selección. 

Homogeneidad. Indica la consistencia de la formación. Existe másflexibilidad de selección con respecto a características agresivas de la barrena, como menor densidad de los cortadores. Para las barrenas tricónicas sólo basta escogerlas de acuerdo con la dureza de la roca. Interestratificación. Esta característica se relaciona con las formaciones de transición e indica cambios en la litología del intervalo en estudio. Se deberá considerar la selección de tipos específicos de cortadores o dientes, así como su calidad y densidad. 

Fracturados o nodulares. A este indicador se le debe prestar mucha atención. Es una situación de alto impacto para la cual, por lo general, no se recomiendan las barrenas de diamante. Sin embargo, determinadas estructuras de corte, como las barrenas de diamante natural con fijaciones dorsales y las barrenas impregnadas pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones. 

Tendencias de desviación. Normalmente esto se relaciona con formaciones de buzamiento y perforación de transición. El tipo de calibre es el criterio de selección fundamental para estas aplicaciones. 

Vibración. La vibración en el proceso de perforación ha demostrado tener una función fundamental en el rendimiento y la duración de las barrenas de perforación. En realidad, el control de las vibraciones forma, en la actualidad, parte integral de la tecnología y el diseño de las barrenas. Existen parámetros de selección de barrenas que se refieren especialmente al control de la vibración. La selección del calibre también desempeña una función importante para determinar el nivel de control de la vibración de acuerdo con el diseño de barrena ya sea tricónica o de diamante.

SELECCIÓN DE BARRENAS - IV

Atributos del medio ambiente Para lograr una solución total de barrenas para el pozo que se va a perforar es necesario analizarlo por secciones que se puedan manejar. El más evidente es, por supuesto, el diámetro del pozo. Luego se podrá subdividir cada sección del pozo en intervalos con atributos comunes respecto a su medio ambiente. El rendimiento económico es una función del costo operativo, el costo de las barrenas, el coeficiente de penetración y el intervalo perforado. Los atributos del medio ambiente pueden dividirse según categorías de parámetros en cuanto al tipo de roca, medio ambiente y operativos. 

Un análisis detallado de cada una de estas categorías indicará los parámetros individuales de selección de barrenas tricórneas o de diamante. En formaciones en donde pueden perforar las barrenas de diamante con ritmos de penetración mucho mayores que las barrenas tricórneas es indiscutible su utilización. Debido a lo anterioren los últimos años cuando se selecciona una barrena, antes que nada se hacen estudios para seleccionar las de diamante.

SELECCIÓN DE BARRENAS - III

Restricciones de perforación

Los parámetros operativos deben corresponder a una escala aceptable para que una barrena de diamante ofrezca los mayores beneficios. Por lo general, los parámetros que no se corresponden con escalas re- ducirán la eficiencia de costo del producto. Cuando se encuentran estas situaciones se debe considerar una barrena de roles. Por el contrario, algunas restricciones brindan oportunidades para se- leccionar una barrena de diamante. 

Limitaciones de peso sobre barrena. Cuando se en- cuentran situaciones de PSB limitado, una estructu- ra de corte eficiente como un PDC tiene posibilida- des de ofrecer un mayor Ritmo de Penetración (ROP) que una barrena de roles. 

Escalas de revoluciones por minuto (RPM). La velocidad que la Compañía, perforadora espera utilizar en la barrena indica los parámetros de vibración y resistencia al desgaste que se necesitarán para mantener un desgaste parejo de la barrena y prolongar su duración. Las barrenas de diamante se pueden utilizar mejor que las barrenas de roles a altas velocidades de rotación. 

Formaciones nodulares. Las formaciones de ftanita, pirita y conglomerados se denominan comúnmente formaciones nodulares. Por lo general, en este tipo de formaciones no se puede utilizar la mayoría de las barrenas de diamante debido al daño por impacto en la estructura de sus cortadores. Sin embargo, existen estructuras de corte que pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones. 

Ampliación. Si se planifican más de dos horas de operaciones de ampliación, se debe considerar seriamente la corrida de una barrena de roles. El ensanche excesivo puede dañar la superficie del calibre de una barrena de diamante porque las cargas de la barrena se concentran en una superficie muy pequeña. La vibración lateral también se debe considerar. La estructura de corte está sólo parcialmente engranada y, por lo tanto, hay escasas oportunidades, o ninguna, para que las características del diseño de la barrena puedan funcionar.

Pozos profundos. Estos pozos pueden resultaren una cantidad desproporcionada de tiempos de viaje con respecto al tiempo de perforación. Como resultado, la eficiencia de perforación es extremadamente reducida. Se debe considerar una barrena de diamante para ofrecer mayor duración de la barrena (menos viajes) y una mejor eficiencia general de la perforación. 

Pozos de diámetro reducido. Si el pozo tiene menos de 6 1/2 pulgadas, se necesita una reducción física del tamaño de los cojinetes en todas las barrenas de roles. Estas limitaciones requieren una reducción de PSB, que resultará en un mayor coeficiente de penetración. Se debe considerar una barrena de diamante para aumentar el coeficiente de penetración y para permanecer en el pozo durante periodos prolongados. 

Aplicaciones con motores. Algunos motores dentro del pozo funcionan a altas velocidades (>250 R.P.M.). Las excesivas R.P.M. aumentan la carga térmica en los cojinetes y aceleran las fallas de la barrena. Se debe considerar una barrena de diamante, que no tiene partes móviles, para optimizar las R.P.M. y los objetivos de perforación.