SARTA DE PERFORACIÓN Y BROCA - IV

Tipos de rodamiento 

Sin sello: Están llenos con grasa y expuestos. Su vida por lo tanto es corta pues los rodamientos están expuestos a la fatiga del metal y a la abrasión por sólidos. 

Sellados y auto lubricados: Aún existe fatiga del metal, pero la abrasión por sólidos se ha eliminado mientras el sello permanezca. 

Bujes sellados: Estos tienen una vida más larga, pero puede haber desgaste ocasionado por las superficies de metal rozando en la parte inferior de los bujes. Si el sello falla, el lodo de perforación entrará dentro del buje, sacando la grasa y el recalentamiento consiguiente resultará en la pronta falla del rodamiento. El buje tiene un sistema de compensación de presión el cual minimiza la diferencial de presión entre el rodamiento y la columna hidrostática del lodo. 

Dientes 

El tamaño, forma y separación entre los dientes afecta la eficiencia o rendimiento de la broca según la dureza de las formaciones. El diseño de los dientes también determinará el tamaño y la forma de los cortes de formación producidos, luego este factor debe tenerse en cuenta para la evaluación geológica de dichos cortes. 

Para formaciones blandas, los dientes escogidos normalmente serán largos, delgados y ampliamente espaciados. Los dientes entre más largos logran mayor penetración en la formación blanda. Esta mayor penetración se mantiene aunque el diente se desgaste pues se mantiene agudo debido a que se ha hecho lo más delgado posible. 

El amplio espaciamiento entre dientes impide el empacamiento de la formación blanda entre los dientes. La acción de corte se produce por tallado y raspado y los cortes producidos serán grandes y angulosos. El tamaño y la resistencia del rodamiento se ven necesariamente restringidos en formaciones blandas por el mayor tamaño de los dientes. Esto normalmente no produce problemas pues se necesita aplicar sólo pesos bajos sobre la broca para lograr fallar la formación y conseguir una rata de perforación óptima. 

Para formaciones de mediana dureza se usan dientes más cortos y son innecesarios los dientes largos. La longitud será tal que consiga penetrar lo más posible al tiempo que el desgaste se mantenga en el mínimo posible. Un amplio espaciamiento permite una eficiente limpieza, aunque el empacamiento no es una consideración tan importante como en las formaciones blandas. Para perforación en formaciones duras se usan dientes cortos y aún más anchos, los cuales producen un efecto de aplastamiento y fragmentación más que de arranque y deformación en la roca. No se requiere espaciamiento entre los dientes ya que los cortes producidos serán mas pequeños, en menor concentración o volumen. 

Las ratas de perforación serán menores. Se consigue una vida útil más larga en las brocas cuando se usan dientes de caras endurecidas o con insertos de carburo de tungsteno (Tungsten Carbide Inserts, TCI) Para formaciones más duras, aún más pocos y más pequeños dientes facilitan que los rodamientos puedan ser más grandes y resistentes y así puedan soportar las grandes fuerzas necesarias para lograr el fallado físico de la formación.

SARTA DE PERFORACIÓN Y BROCA - III

Clasificación IADC de Brocas

Acción del cono. 

A medida que el cono rueda en el fondo del pozo, una acción de raspado y excavado se ejecuta sobre la formación. Los conos tienen mas de un eje de rotación debido al número y alineación de las filas de dientes de corte, pero esto se halla limitado por el efecto que tenga el peso de la sarta de perforación aplicado sobre la broca. 

La rotación se efectúa dentro de la broca, en forma que los dientes van deslizando y excavando a medida que van girando. Este efecto es minimizado en el diseño de brocas duras (pues los ejes de rotación de los conos son concéntricos) con el fin de reducir desgaste, pero aún así en esta acción no hay rodamiento puro. 

El efecto de deslizamiento produce un efecto de arranque, raspado y tallado controlado en la formación, que conduce a una rápida y eficiente remoción de los cortes de formación producidos. Para formaciones blandas, el efecto de raspado se mejora haciendo que los ejes de los conos no sean concéntricos. 

Esto lleva a una perforación más rápida y la cantidad de raspado dependerá de la cantidad de alejamiento que tengan los ejes de los conos. En las brocas para formaciones blandas este alejamiento de los ejes puede ser de ¼”, en aquellas para formaciones medias de 1/8”, y sin alejamiento para las de formaciones duras.

SARTA DE PERFORACIÓN Y BROCA - II

La mayoría de la brocas tricónicas tienen un código IADC de tres cifras.

Descripción Con dientes TCI para formación blanda, la más blanda en el rango, con rodamientos sellados y protección de calibre del diámetro. Con dientes blandos tallados, para formación medianamente dura dentro del rango de la broca, con rodamientos sellados por fricción y protección de calibre del diámetro. 

Algunas brocas pueden tener un cuarto caracter que describe características adicionales de la broca. 

Por ejemplo, para perforación con aire(A), con boquilla central (C), con protección extra de diámetro(E), para perforación horizontal (H), para broca de dientes en acero standard(S), con insertos en forma de cincel (X), con insertos en forma cónica(Y). 

  Terminología de la broca

SARTA DE PERFORACIÓN Y BROCA - I

Brocas de arrastre

Estas tienen cuchillas endurecidas, en vez de cortadores distribuidos, las cuales hacen parte integral de la broca y rotan solidamente con esta y con la sarta. Tienen la tendencia a producir un alto torque y también a perforar huecos con muy altas desviaciones. La penetración se consigue por raspado usando poco peso en la broca (Weight On Bit, WOB) y alta velocidad de rotación (RPM). Realmente con este tipo de broca sólo se pueden perforar formaciones blandas e inconsolidadas, pues no tienen la dureza ni la resistencia al desgaste necesarias para las formaciones consolidadas. 

Brocas Tricónicas 

Al comienzo había brocas de dos conos sin interferencia, y por lo tanto tenían la tendencia a empacarse (cuando los cortes de perforación se amalgaman y endurecen alrededor de la broca) en formaciones blandas. Estas fueron sucedidas por las brocas tricónicas, el tipo de broca más común actualmente usada. Están tienen 3 conos los cuales se van interfiriendo luego limpiando entre sí, con filas de cortadores en cada cono. Los conos son principalmente de dos tipos: o bien dientes tallados o de insertos de carburo de tungsteno (Tungsten Carbide Inserts, TCI) y pueden ser de varios tamaños y durezas de acuerdo a las litologías previstas. Una gran cantidad de calor se genera por la fricción durante la perforación y este calor debe ser disipado. El enfriamiento y la lubricación son funciones del fluido de perforación. Este sale por las boquillas o jets que tiene la broca. Cada boquilla esta posicionada encima de cada cono, son reemplazables y pueden ser instaladas en varios tamaños, siendo mayor la velocidad del lodo por la boquilla a medida que esta es más pequeña. Los tamaños de las boquillas se expresan bien en milímetros o en treintaidosavos de pulgada. Si no se instala una boquilla, se conoce como “boquilla abierta”, por ejemplo de 32 treintaidosavos, para el caso de brocas de 8½ “). Las brocas tricónicas están clasificadas dentro del sistema desarrollado por la IADC (International Association of Drilling Contractors):

Equipo de Control de Sólidos - IV

Una medida adicional que puede ser requerida para preparar el lodo para la circulación es llevada a cabo por el degasser, el cual separa y ventila al lodo de grandes volúmenes de gas y los conduce a una línea especial donde ser quemados. Recircular un lodo con gas disuelto puede ser peligroso y reducirá la eficiencia de la bomba y disminuirá la presión hidrostática necesaria para balancear la presión de formación. Un separador lodo-gas maneja gas a alta presión y flujo con seguridad cuando ocurre una patada de pozo. Un desgasificador de vacío es más apropiado para separar gas disuelto en el lodo, el cual puede manifestarse mostrando espuma al aparecer en superficie. La mayoría de los taladros tiene dos bombas para circular el lodo a presión por el sistema. Los taladros más pequeños, que taladran pozos menos profundos pueden necesitar sólo una. Las bombas de perforación pueden ser de dos tipos: 

Bombas Dúplex 

Estas tienen dos cilindros o cámaras, cada una de las cuales descarga lodo a presión alternativamente por ambos lados del movimiento del pistón. Cuando se descarga en un sentido se llena de lodo la cámara vacía al otro lado del pistón. Cuando el pistón regresa, descarga de este lado recién llenado mientras va llenando el otro. 

Bombas Triplex 

Tienen tres cilindros, pero a diferencia de las bombas dúplex, el lodo se descarga sólo por un lado en la carrera hacia delante. En cada cilindro el lodo se descarga por el movimiento de empuje del pistón dejando el espacio tras el pistón vacío. Cuando el pistón va regresando se vuelve a llenar de lodo la única cámara que será vaciada al moverse el pistón nuevamente hacia delante.

Equipo de Control de Sólidos - III

Se pueden utilizar centrífugas adicionales con el fin de remover grandes cantidades de arcilla suspendidas en el lodo. Una vez que el lodo está limpio, se le puede regresar a los tanques para ser recirculado. Una Centrífuga consiste en un tambor cónico de alta velocidad y un sistema de tornillo que se lleva a las partículas más grandes dentro del tambor a la compuerta de descarga. Se usa cuando la densidad del lodo debe ser reducida significativamente, en vez de añadir líquido e incrementar el volumen. 

Las centrífugas también pueden ser utilizadas para remover partículas del vidrio o plástico que haya sido usado para mejorar la lubricación o reducir la densidad en aplicaciones bajo balance. Este ‘control de sólidos’ realizado por el equipo de superficie es un aspecto muy importante en el mantenimiento del lodo. 

Los granos finos serán muy abrasivos y dañinos para equipo como las bombas de lodo, sarta de perforación, la broca, etcétera. También es importante para controlar la densidad del lodo; pues si se permite a los sólidos acumularse, se tendrá como resultado un aumento en la densidad del lodo.

Equipo de Control de Sólidos - II

Siendo los asuntos ambientales materia de cada vez mayor importancia, los cortes separados en la zaranda son recogidos en tanques y así pueden ser transportados fácilmente a lugares donde puedan ser limpiados totalmente de lodo y químicos residuales depositados. Regularmente se instala aún más equipo de control de sólidos en el sistema antes de que el lodo llegue a las piscinas. Si el lodo es particularmente gaseoso, puede ser pasado por un degasser el cual consiste en un gran tanque con un agitador que forza la separación del gas del lodo.

Si dichas partículas no se han decantado cuando ya han pasado la trampa de arena, necesariamente habrán de pasar por el resto del equipo de control de sólidos, antes de regresar a los tanques de lodo.

El desarenador, cuando se usa en conjunto con la zaranda, remueve gran parte de los sólidos abrasivos, reduciendo así el desgaste en las bombas de lodo, equipo de superficie, sarta de perforación y broca. También usado en conjunto con la zaranda y el desarenador está el desilter, el cual remueve material aún mas fino del lodo.

Los desarenadores y los desilters separan los sólidos del lodo en un hidrociclón, un separador en forma de cono dentro del cual el fluido se separa de las partículas sólidas por la fuerza centrífuga. El lodo fluye hacia arriba en movimiento helicoidal a través de cámaras cónicas, donde las partículas sólidas son lanzadas fuera del lodo, al mismo tiempo, baja agua adicional por las paredes del cono llevándose las partículas sólidas que se han movido hacia la pared del cono.