Brocas de Perforación

Las brocas de perforación son 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.

Para realizar la perforación, las brocas 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 broca y que vence la resistencia de la roca.

Definición

Selección de las brocas

• Antes de seleccionar una nueva broca, consulte al geólogo acerca de las formaciones que se esperan, sus características litológicas y espesor estimado. Los bit record de pozos vecinos, son inútiles sin la adecuada correlación geológica.

• Determine la litología y el grado IADC de las brocas (bit grading) corridas anteriormente en la sección a perforar.

• La compañía que suministra las brocas puede utilizar los registros sonico-GR, para calcular la compresibilidad de la broca y optimizar el diseño.

• Seleccione una protección al calibre cuando se anticipa la presencia de formaciones abrasivas.

Selección de las brocas

• Establecer el requerimiento de direccionabilidad (steerable). El ingeniero direccional optimiza el conjunto Broca / motor / MWD.

Tipos de brocas

Los tipos de brocas de perforación más utilizados para la perforación de pozos petroleros, así como el empleo de brocas para operaciones especiales, se clasifican genéricamente de la siguiente manera:

• Brocas tricónicas• Brocas de cortadores fijos• Brocas especiales

• Las brocas tricónicas tiene 3 conos los cuales se van interfiriendo y 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.

• Cada boquilla está posicionada encima de cada cono, son reemplazables y pueden ser instaladas en varios tamaños, siendo mayor la velocidad del lodo por la boquilla a media que esta es más pequeña.

• Los tamaños de las boquillas se expresan en treintaidosavos de pulgada.

• Si no se instala una boquilla, se conoce como “boquilla abierta” o “full open”.

Brocas Tricónicas

SerieTipo de estructura de corte

1 Suave Diente tallado

2 Media

3 Dura

4 Muy suave Cincel Inserto Carburo Tungsteno5 Suave

6 Media Cónica

7 Dura

8 Muy dura

TipoGrado de dureza de la estructura de corte

1 - 4 1 – Más suave4 – Más duro

Opción de diseñoDiseño de rodamiento y protección de calibrador

1 Producto estándar

2 Perforación con aire

3 Calibre del diámetro protegido

4 Rodamiento sellado

5 Calibrador protegido y rodamiento sellado

6 Rodamiento de buje sellado por fricción

7 Rodamiento de buje sellado por fricción, calibre del diámetro protegido

8 Direccional

9 Otra

Cla

sificació

n IA

DC

de

Bro

cas

Broca Código IADC Descripción

Hughes ATM22 517 Con dientes TCI para formación blanda, la más blanda en el rango, con rodamientos sellados y protección de calibre del diámetro

Reed MHP13G 137 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

Brocas Tricónicas

Por ejemplo:

Brocas TricónicasThe 4th Character IADC code

    Manufacturer

  Feature and 4th Character Security / DBS Hughes Reed Smith

A Air application (journal bearing with air nozzles) A A A

B Special bearing bit Standard ** ATM*

C Centre jet J4 C* JC C

D Deviation control D* A1

E Extended jets (full length) E T* JX E

G Extra gauge / body protection G*, M*, D, SS* M*, D, G JK G, L, D, OD

H Horizontal / Steering Application Hx*, SS*, MM* M* M*

J Jet deflection JD JD BH*

L Lug pads L P* JL L

M Motor application SS*, MM*, M* MAX* M* M*

S Standard steel tooth model   TC* A1

T Two cone 2* D D

w Enhanced cutting structure D

X Predominantly chisel toothed inserts - A

Y Predominantly conical inserts CF      

Z Other shaped inserts   C*    

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 autolubricados: 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.

Brocas Tricónicas

Dientes:

• Formaciones blandas: Los dientes escogidos normalmente serán largos, delgados y ampliamente espaciados. Los dientes entre más largos logran mayor penetración en la formación blanda. 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.

• Formaciones de mediana dureza: Se usan dientes más cortos. Un amplio espaciamiento permite una eficiente limpieza, aunque el empacamiento no es una consideración tan importante como en las formaciones blandas.

Brocas Tricónicas

Dientes:

• 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 cortos producidos serán más pequeños, en mayor concentración o volumen. Las ratas de perforación serán menores.

• Formaciones más duras: Aún más pocos y más pequeños dientes facilitan que los rodamientos pedan ser más grandes y resistentes y así puedan soportar las grandes fuerzas necesarias para lograr el fallado físico de la formación.

Brocas Tricónicas

Requisitos para la operación:

• Las formaciones abrasivas y duras requieren fuerza sobre la broca (WOB). El mayor peso obviamente tendrá su impacto en los rodamientos, de forma que una rotación más lenta deberá ser aplicada, con el fin de no desgastar en exceso los rodamientos.

• Las formaciones más suaves requieren menor WOB con el fin de lograr una buena penetración, por lo tanto se puede aplicar un valor mayor de RPM. Demasiado peso puede en efecto quebrar los dientes o insertos más largos de las brocas usadas en estas formaciones.

Brocas Tricónicas

Requisitos para la operación:

• Generalmente la rata de penetración (ROP) es mayor cuando se aplica un peso mayor (WOB) y/o unas RPMs más altas, pero demasiado peso puede resultar en efectos contraproducentes como empacamiento de la broca en formaciones blandas, desgaste en los rodamientos y en rotura de dientes o insertos.

Brocas Tricónicas

Brocas Tricónicas

Estructura de corte convencional

• Estas brocas tienen una larga vida pues sus cortadores son muy duros y no hay rodamientos ni partes móviles. Los diamantes industriales de origen natural empleados son colocados manualmente en diseños geométricos que cubren el fondo de la broca, en forma redundante que permita el funcionamiento de la misma si hay rotura de alguno de ellos.

• En las brocas PDC, los diamantes policristalinos son montados en una matriz de carburo de tungsteno. Los diamantes realizan la perforación, o el corte, mientras el carburo de tungsteno los sostiene proveyéndoles de resistencia y rigidez.

• Los cortadores de diamante comienzan su trabajo afilados y se desgastan manteniéndose afilados, mientras que la mayoría de cortadores se desgasta con el uso. Esto y su vida más larga hacen extremadamente efectivas en costo para perforaciones profundas y en formaciones duras y abrasivas.

Brocas Policristalinas y de Diamante

• Dado que no tienen partes móviles, son económicas y permiten altos regímenes de rotación (RPM), (mayores que los permitidos para brocas con rodamientos) producidos con motores de fondo.

• Tienen una larga vida, aunque las ratas de penetración (ROP) son generalmente menores. La distancia perforada tendrá que ser mayor para justificar el alto costo que implican estas brocas.

• La acción cortante de los diamantes es del tipo de fallamiento o pulverización, lo cual produce cortes que son mucho más finos que los producidos por una broca tricónica.

Brocas Policristalinas y de Diamante

• Las brocas de diamante tienen diferentes requerimientos operacionales que las brocas tricónicas. Generalmente tienen un diámetro ligeramente menor que el tamaño del hueco para reducir desgaste durante los viajes para adentro y para fuera del pozo.

• El rendimiento óptimo se logra con bajos WOB y la más alta RPM posible, y con altas velocidades de lodo alrededor de las superficies cortantes de la broca.

Brocas Policristalinas y de Diamante

Brocas Policristalinas y de Diamante

Bit Blank

Feed Bore

Soft Powder – TC 

Hard Powder -TC

Bit Crown

Impreg Mix

Crow Foot

Pin

Gauge Path

Brocas Policristalinas y de Diamante

Las coronas tienen dos funciones: perforar el pozo y formar el núcleo. Por lo tanto adicionalmente a las consideraciones de diseño de la estructura de corte general comunes para brocas de perforación deben tenerse en cuenta también la calidad del núcleo, específicamente, evitar los disturbios mecánicos y la invasión de fluidos.

Las características de las coronas son:

• Aletas + estructura de corte• Área de desalojamiento de recortes (junk slots) + puertos• Diámetro exterior/pads gage• Diámetro interno/ Calibre interno

Coronas (Core Heads)

Partes de la sección superior:

• Shank: Rosca Estandard (STD), Rosca Heavy Duty (HDT)• Conexión Caja (Box up)• Ranuras del cuadro de apriete (Breaker slot)

Principales objetivos de desempeño:

• Recuperación (objetivo=100 %)• Calidad del Núcleo: Diámetro y forma, formaciones no problemáticas (fracturada, permeable, atascamientos), preservación de los fluidos de la formación de invasión de lodo.

Criterios Secundarios: Total de metros perforados, velocidad de penetración (ROP)

Coronas (Core Heads)

Coronas (Core Heads)

Co r o n a s ( C o r e H e a d s )

Barriles interiores en fibra de vidrio

Barriles interiores de aluminio acanaladosJunta de seguridad ajustable

Evaluación de desgaste IADC

Externa

Estructura de corte

Interna Característ. Ubicación

Cojinetes/Sellos Calibre Otra

Caract.Razón de

Sacar

1 3 4 5 6 7 82

1 Estructura de corte interna (Todas las hileras internas)

2 Estructura de corte externa (Hileras del calibre solamente)

3 Característica de desgaste principal (Use códigos de estructura de corte)

4 Ubicación (Dónde ocurre la característica de desgaste)

5 Cojinetes /Sellos (Condición de los conos)

6 Calibre (Diámetro final del calibre)

7 Otra característica de desgaste (No limitado a estructura de corte)

8 Razón de la sacada (Porqué finalizó la carrera)

1 Estructura de corte interna (Todas las hileras internas)

2 Estructura de corte externa (Hileras del calibre)

Medida de la altura del diente

Estructura de corte

Característ.Ubicación

Cojinete/Sellos Calibre Otra

Caract.Razón de

Sacar

3 4 5 6 7 8

InternaExterna

1 2

InternaExterna

1 2

InternaExterna

1 2

InternaExterna

1 2

InternaExterna

1 2

En brocas de insertos:

•Por desgaste

•Pérdida de insertos

•Rotura de insertos

Estructura de corte

Característ.Ubicación

Cojinete/Sellos

Calibre OtraCaract.

Razón deSacar

3 4 5 6 7 8

Interna Externa

1 2

InternaExterna

1 2

Interna Externa

1 2

Interna Externa

1 2

InternaExterna

1 2

3 Características de desgaste (Use solamente códigos estructura de corte)

*BC - Cono Roto

BT - Dientes/Cortadores Rotos

BU - Broca Embolada

*CC - Cono Agrietado

*CD - Cono Arrastrado

CI - Interferencia de Conos

CR - Coronado

CT - Dientes/Cortadores Astillados

ER - Erosión

FC - Desgaste Plano

HC - Daño por Calor

JD - Daño por Chatarra

*LC - Cono Perdido

LN - Boquilla Perdida

LT - Dientes/Cortadores Perdidos

OC - Desgaste Excéntrico

PB - Broca Contraída

PN - Boquilla Taponada

RG - Calibre Redondeado

SD - Daño del Faldón

SS - Desgaste Auto-afilado

TR - Seguimiento

WO - Broca Lavada

WT - Dientes/Cortadores Gastados

NO - Sin Característica de Desgaste

* Mostrar el # del cono en la ubicación (4)

Estructura de corte

Ubicación

Cojinete/Sellos

CalibreOtra

Caract.Razón de

SacarCaracteríst.

3 4 5 6 7 8

Interna Externa

1 2

Característ.

3

Característ.

3

Característ.

3

Característ.

3

4 Ubicación

N - Hilera de la Nariz Cono #

M - Hilera del Medio 1

G - Hilera del Calibre 2

A - Todas las Hileras 3

Estructura de corte Cojinete/Sellos

CalibreOtra

Caract.Razón de

SacarCaracteríst.

3

Ubicacion

4 5 6 7 8

Interna Externa

1 2

Ubicacion

4

Ubicacion

4

Ubicacion

4

Ubicación

4

5 Cojinetes/Sellos

Cojinete No-Sellado Cojinete Sellado

0 = Sin Uso E = Sellos Efectivos8 = Toda la vida usada F = Sellos Fallados

X = Broca de cortadores fijos

N = No se puede evaluar

Estructura de corteCalibre

OtraCaract.

Razón deSacar

Característ.

3

Ubicación

4

Cojinete/Sellos

5 6 7 8

Interna Externa

1 2 5555

6 Calibre (Medido en fracciones de pulgada)

I = En Calibre 2/16 = 1/8” Bajo Calibre

1/16 = 1/16” Bajo Calibre 4/16 = 1/4” Bajo Calibre

Estructura de corteCalibre

OtraCaract.

Razón deSacar

Característ.

3

Ubicación

4

Cojinete/Sellos

5 6 7 8

Interna Externa

1 2 6666

La medida en Tricónicas se debe multiplicar por 2/3

7 Otra característica de desgaste

Estructura de corte

Ubicación

Cojinete/Sellos

CalibreOtra

Caract.Razón de

SacarCaracteríst.

3 4 5 6 7 8

Interna Externa

1 2 7777

*BC - Cono Roto

BT - Dientes/Cortadores Rotos

BU - Broca Embolada

*CC - Cono Agrietado

*CD - Cono Arrastrado

CI - Interferencia de Conos

CR - Coronado

CT - Dientes/Cortadores Astillados

ER - Erosión

FC - Desgaste Plano

HC - Daño por Calor

JD - Daño por Chatarra

*LC - Cono Perdido

LN - Boquilla Perdida

LT - Dientes/Cortadores Perdidos

OC - Desgaste Excéntrico

PB - Broca Contraída

PN - Boquilla Taponada

RG - Calibre Redondeado

SD - Daño del Faldón

SS - Desgaste Auto-afilado

TR - Seguimiento

WO - Broca Lavada

WT - Dientes/Cortadores Gastados

NO - Sin Característica de Desgaste

* Mostrar el # del cono en la ubicación (4)

8 Razón de la sacada / terminación de la corrida

BHA - Cambio de BHA

DMF - Falla del motor de fondo

DTF - Falla de herramienta de fondo (MWD, etc)

DSF - Falla de la sarta de perforación

DST - Prueba de sarta de perforación

LOG - Corrida de registro

LIH - Perdida en el hueco

CM - Condición del lodo

CP - Punto de núcleo

DP - Tapón

FM - Cambio de formación litológica

HP - Problemas en el hueco

HR - Horas de la broca

PP - Presión de bomba

PR - Rata de penetración

Estructura de corte

Ubicación

Cojinete/Sellos

CalibreOtra

Caract.Razón de

SacarCaracteríst.

3 4 5 6 7 8

Interna Externa

1 2 8888

RIG - Reparaciones del taladro

TD - Profundidad total / Punto de revestidor

TQ - Torque

TW - Rotura de la sarta de perforación

WC - Condiciones climáticas

WO - Lavado de la sarta de perforación

BROKEN CONE

• Interferencia de conos

• Se dejó caer la broca

• La broca golpeó un borde durante un viaje o conexión

• Fragilidad por H2S

Broken Cone (BC)Cono Roto

BROKEN TEETH

BROKEN TEETH

BROKEN TEETH

• Broca corrida sobre chatarra

• Broca golpeada o se dejó caer

• Excesivo WOB (hileras internas)

• Excesivas RPM (hileras externas)

• Inapropiado asentamiento

• Formación muy dura

Broken Teeth (BT)Dientes/Insertos Rotos

BALLED UP

BALLED UP

• Pobre hidráulica

• Propiedades del lodo

• Forzar la broca contra la formación con las bombas apagadas

• Formación pegajosa y/o plástica

Balled Up (BU)Broca Embolada

CRACKED CONE

• La broca corrió sobre basura

• La broca fue golpeada contra un saliente

• Se dejó caer la broca

• Recalentamiento de la broca

• Reducción del grosor de la carcaza del cono debido a erosión

• Fragilidad por H2S

Cracked Cone (CC)Cono Agrietado

CONE DRAGGED

• Falla de cojinete

• Conos trabados por chatarra

• Broca fue forzada en un hoyo de menor tamaño

• Embolamiento

• Asentamiento inapropiado

Cone Dragged (CD)Cono Arrastrado

CONEINTERFERENCE

CONEINTERFERENCE

• Repaso de un hoyo bajo calibre con excesivo peso

• Forzar la broca en un hoyo de menor diámetro

• Falla de cojinete

Cone Interference (CI)Interferencia de Conos

CORED BIT

CORED BIT

• Abrasividad de la formación desgasta la estructura de corte en las narices de los conos

• Asentamiento inapropiado

• Erosión en la nariz del cono

• Chatarra que rompa los insertos de la nariz

Cored (CR)Broca Coronada

CHIPPED TEETH

CHIPPED TEETH

• Vibración de la sarta

• Impacto

• Interferencia de conos

• Broca muy agresiva para la formación

Chipped Teeth (CT)Dientes/Insertos Astillados

EROSION

EROSION

Erosión (ER)

• Contacto de una formación abrasiva con la carcaza del cono (“tracking”, excesivo WOB)

• Retrituración de ripios debido a pobre hidráulica

• Excesivos regímenes de flujo

• Lodos abrasivos o pobre control de sólidos

FLAT CRESTEDWEAR

Flat Crested Wear (FC)Desgaste Plano

• Bajo peso sobre la broca y altas revoluciones por minuto para control de desviación, por ejemplo.

HEAT CHEACKING

Heat Checking (HC)Daño por Calor

• Los conos han sido arrastrados

• Repasos de hoyos ligeramente reducidos a altas RPM

• Altas RPM en formaciones abrasivas

JUNK DAMAGE

Junk Damage (JD)Daño por Chatarra

• Chatarra caída desde superficie

• Chatarra caída del ensamblaje de fondo

• Chatarra dejada por una broca corrida anteriormente

• Chatarra de la misma broca

LOST CONE

Lost Cone (LC)Cono Perdido

• La broca se dejó caer dentro del hoyo durante una conexión o un viaje

• Falla de cojinete (sistema de retención)

• Fragilidad por H2S

LOST NOZZLE

Lost Nozzle (LN)Boquilla Perdida

• Instalación inadecuada de la boquilla

• Boquilla inapropiada

• Erosión de la boquilla y/o su sistema de retención

LOST TEETH

LOST TEETH

Lost Teeth (LT)Inserto Perdido

• Erosión de la carcaza del cono

• Agrietamiento de la carcaza del cono

• Fractura producida por H2S

OFF CENTER

Off Center Wear (OC)Desgaste Excéntrico

• Cambio de una formación quebradiza a plástica

• Inadecuada estabilización

• Peso sobre la broca inadecuado

• Presión hidrostática excede la presión de formación

Pinched Bit (PB)Broca Contraída

• La broca es forzada en un hoyo reducido

• Broca tricónica que es forzada en hoyo previamente perforado por una broca de cortadores fijos

• Forzar la broca a través de un revestidor con un “drift” no apropiado menor a su diámetro

• Broca forzada dentro un bit-breaker inapropiado

PLUGGED NOZZLE

PLUGGED NOZZLE

Plugged Nozzle (PN)Boquilla Taponada

• Material anti-pérdida

• Basura en los tanques de lodo

• Basura proveniente de un motor de fondo y/o MWD

• Sellos de las bombas

ROUNDED GAGE

Rounded Gage (RG)Calibre Redondeado

• Perforar una formación abrasiva con demasiadas RPM

• Repaso de un hoyo reducido

• Broca con demasiado “offset”

SHIRTTAIL DAMAGE

SHIRTTAIL DAMAGE

Shirttail Damage (SD)Daño del Faldón

• Basura en el hoyo

• Broca “Pinched”

• Hidráulica pobre

• Huecos muy desviados

SELF SHARPENING

Self Sharpening (SS)Auto afilado

• Ocurre cuando el diente se desgasta de una manera tal que mantiene una cresta filosa

TRACKING

Tracking (TR)Seguimiento

• Cambio de una formación quebradiza a otra plástica

• La presión hidrostática excede la presión de formación

• La broca es muy “liviana” para el tipo de formación que se perfora

WASH OUT

Washed Out Bit (WO)Broca Lavada

• Porosidad en las uniones soldadas de la broca

• Grietas debido a impacto

• Grietas debido a H2S

WORN TEETH

WORN TEETH

Worn Teeth (WT)Diente/Inserto Desgastado

• Característica normal de desgaste

Ejemplos de la evaluación de desgaste IADC

Puntos claves al momento de evaluar una broca

• Saber cómo luce una broca nueva, para comparar

• Condiciones de desgaste normales para la aplicación

• Tener clara la secuencia de los eventos

• “Pintarse” una imagen mental

• COHERENCIA en la evaluación

Prueba de perforabilidad (Drill Off Test)

• Establezca la rata de flujo recomendada para tamaño del hueco.

• Establezca rotación (mantener fijas las revoluciones por minuto).

• Lentamente incrementar el peso sobre la broca hasta el máximo recomendado por el fabricante, el limitante de torque en el BHA o la rotaria.

• Mantener la velocidad de la rotaria constante (RPM).

• Registrar la rata de penetración instantánea para incrementos de 2000 lbs de peso (WOB).

Prueba de perforabilidad (Drill Off Test)

• Graficar la rata de penetración instantánea contra el peso sobre la broca, identificando: El máximo peso efectivo, el rango de peso (WOB) en el cual se observa respuesta en la rata de penetración y el rango de peso donde no se aprecian cambios en la ROP.

• Seleccionar la menor RPM que optimice la rata de penetración cuando se perforen formaciones duras y abrasivas.