HERRAMIENTAS Y EQUIPOS DE PERFORACION

Técnico De Perforación: DIEGO SEBASTIAN MARTINEZ DIAZ

VILLAVICENCIO-METAINSTIPETROL

2013

INTRODUCCION 

Desde los comienzos de la historia, la perforación de pozos petroleros ha jugado un papel demasiado importante y sus avances en cuanto a diseño, formas y estructuras en materiales de construcción han variado de acuerdo a la necesidad o requerimientos de quienes la aplican.

 

Asumiendo que la tecnología en las operaciones de perforación de pozos cada día es más avanzada, es obligación estar al tanto de estos avances. Esto  teniendo  en cuenta  que  todos los sistemas de perforación implementados en el mundo se deben  de detallar para de esta forma determinar las herramientas o equipos  utilizados en las  mismas.

Teniendo  en cuenta  lo anterior presente, tiene  como  fin  mostrar  los  tipos de herramientas y  equipos  de  perforación de pozos petroleros.

BROCAS DE PERFORACIÓN “DRILL BITS” 

Generalidades 

Como se discutió en la sección anterior, los miembros de la cuadrilla instalan la broca en la parte inferior de los drill collars. Dos tipos de brocas son:

a) Brocas cónicas “roller cone bits”.b) Brocas con cortadores fijos “fixed cutter bits”.

Las brocas de cortadores fijos “fixed cutter bits” también se conocen como brocas de cabeza fija “fixed head bits”. Las brocas de conos generalmente tienen tres conos con dientes o cortadores. A medida que la broca rota, los conos y cortadores rotan para perforar.

Las brocas con dientes fijos también tienen cortadores, pero los fabricantes los embeben en la cabeza de la broca. La cabeza de la broca solo se mueve cuando la broca rota, no tiene partes móviles, como los conos en las brocas cónicas. Los dos tipos de brocas vienen en varios tamaños que van desde 2 o 3 pulgadas (50 – 75 mm) hasta más de 36 pulgadas (1 m).

BROCAS CÓNICAS “ROLLER CONE BITS

Existen dos tipos de brocas cónicas disponibles:

 Brocas con dientes de acero “steel teeth”.

 Brocas con insertos de carburo de Tungsteno “tungsten carbide inserts”.

 

 

BROCAS CON DIENTES DE ACERO “STEEL TEETH BIT”

En una broca con dientes de acero, también llamada “milled tooth bit”, el fabricante forja los dientes en el acero de que está hecho el cono.

Las brocas con dientes de acero son las más económicas; cuando se usan apropiadamente, pueden perforar por varias horas. Los fabricantes diseñan las brocas con dientes de acero para perforar formaciones blandas, medias y duras.

BROCAS DE CARBURO DE TUNGSTENO

En las brocas con insertos de Carburo de Tungsteno, el fabricante introduce y presiona insertos muy duros de Carburo de Tungsteno en huecos perforados en el cono de la broca. El Carburo de Tungsteno es un metal muy duro.

Las brocas con insertos de carburo de Tungsteno son más costosas que las brocas con dientes de acero. Sin embargo, usualmente duran más debido a que el Carburo de Tungsteno es más resistente al desgaste que el acero. En general, las

brocas de Carburo de Tungsteno perforan desde formaciones medianas hasta muy duras, y también formaciones blandas.

 

Las brocas para formaciones blandas generalmente perforan mejor con un peso moderado y altas velocidades de rotación. De otro lado, las brocas para formaciones duras usualmente perforan mejor con bastante peso y moderada velocidad de rotación.

  

 

  

BROCAS DE CORTADORES FIJOS “FIXED CUTTER BIT” 

Tres tipos de brocas con cortadores fijos son:

a) Brocas Policristalinas de Diamantes Compactos “Polycrystalline Diamond Compact (PDC) Bits”.b) Brocas de Diamante “Diamond Bits”.c) Brocas Corazonadoras “Core Bits”.

 

BROCAS POLICRISTALINAS “PDC BITS”La broca PDC tiene cortadores hechos de diamantes artificiales y de Carburo de Tungsteno. Cada cortador hecho de diamante y Carburo de Tungsteno se conoce como compacto. Los fabricantes colocan los compactos en la cabeza de la broca. A medida que la broca rota sobre la roca, los compactos cortan la formación.

Las brocas PDC son bastante costosas, sin embargo, cuando se usan apropiadamente, pueden perforar en formaciones blandas, medianamente duras o duras por varias horas y sin fallar.

 

 

BROCAS DE DIAMANTES “DIAMONT BITS”Los fabricantes hacen las brocas de diamantes a partir de diamantes industriales. Los diamantes son los cortadores de la broca.

 

Los diamantes son una de las sustancias más duras conocidas; algunos tipos de diamantes son:

a) Regular.b) Premium.c) Octahedro “Octahedron”.d) Carbonado.e) Magnífico “Magnific”.

 

 BROCA CORAZONADORA Y BARRILES “CORE BIT AND BARRELS

Los miembros de la cuadrilla corren una broca corazonadora y un barril cuando el geólogo necesita un corazón de la formación que está siendo perforada.

 Normalmente una broca corazonadora es una broca de cortadores fijos de PDC o de diamante. Tiene un hueco en el medio. Esta abertura permite que la broca obtenga el corazón. Los diamantes y PDCs se encuentran alrededor de la abertura y a los lados de la broca. 

Top Drive

 

 

  

Con el Top Drive se puede enroscar y desenroscar las conexiones de los tubos en forma directa sin el empleo de las llaves de fuerza y la cadena de maniobra.

 

• La elevadora puede operarse hidráulicamente para moverla hacia el engrampador, y así él pueda maniobrar la barra de perforación y de los Drill Collars con seguridad, con esto se reduce los riesgos en el manejo de la tubería.

 

• En las operaciones de control del pozo, con el top drive aumenta la seguridad del pozo al reducir el desgaste del preventor de reventones (BOP) al permitir que este selle alrededor de un tubo redondo en lugar de alrededor de un Kelly cuadrante o hexagonal. Es posible conectarse a la tubería de perforación en cualquier nivel de la torre para circular los fluidos de perforación.

 •Está equipado con una válvula para el cuadrante, operada a control remoto, que reduce la pérdida y derrame del lodo de perforación cuando se repasa saliendo o se desconecta después de circular por encima del piso de perforación.

 • Reduce los costos al hacer más eficiente la perforación: Se elimina el tiempo inactivo causado por la dificultad de meter el bushing del cuadrante en la mesa rotatoria. En los viajes se elimina el tiempo necesario para llevar y regresar el swivel y Kelly en su funda.

 •  Si la estabilidad del pozo lo permite, se puede realizar conexiones en el fondo durante la perforación direccional, eliminando así la necesidad de re-orientar la cara de la herramienta direccional después de cada nueva conexión.

 • Se reduce el tiempo en aquellas funciones que no sean de perforación. Permanece mayor parte del tiempo perforando. Menos tiempo en las conexiones, viajes, tomando registros direccionales, repasando, etc.

 • Rotación y Circulación continuas durante el movimiento de la sarta de perforación: Característica de mayor importancia en la perforación con top drive; capacidad de rotar y bombear continuamente mientras se repasa-metiendo o se repasa-saliendo del hoyo. Solo en los casos que sean necesarios puede aplicarse la rotación continua con circulación mientras se ingrese o salga del hueco con la sarta de perforación en pozos direccionales u horizontales. Reducen la fricción entre la sarta de perforación y las paredes del hoyo, y en el caso de probable empaquetamiento remueven eficazmente los derrumbes por efecto de la rotación y circulación.

 

• Reduce los riesgos y costos totales de perforación al minimizar los problemas de agarres por pega diferencial y empaquetamiento. El costo de las herramientas de fondo que puedan perderse en el pozo son elevadas.

 • Se perfora y maniobra la tubería en barras (3 tubos): Se reduce significativamente el tiempo de orientación direccional después de cada conexión mientras se hace perforación direccional con motor de fondo. Se pueden cortar núcleos continuos de 60 o 90 pies.

 • Se aplica el back reaming sin limitaciones. Esta maniobra con Kelly y cuñas presenta riesgos para el personal que maniobra las herramientas.

 • Es una forma más segura y fácil de aplicar, en forma simultánea, la torsión y tensión que se requiere en las operaciones de punto libre y de desenroscado de la sarta. 

• Utiliza procedimientos de fondo más eficientes y exitosos durante actividades de pesca, incluyendo el uso de “enchufes de pesca” (overshots), el enrosque y desenrosque del pescado; actividades de enganche y desenganche de herramientas de fondo tales como colgadores de camisas (liners); o actividades para rotar y reciprocar tubería de revestimiento mientras se está metiendo y/o cementando.

 • En pozos de riesgo de pega diferencial, asegura la llegada del zapato guía del liner de producción hacia el fondo del pozo; cuando éste es corrido y es necesario llevar el zapato hacia el fondo del pozo con rotación y circulación, no se necesita levantar el casing del fondo para colocar la cabeza de cementación, como puede ocurrir cuando se baja con circulación y rotación utilizando el kelly.

 • Las conexiones se enroscan y desenroscan en cualquier nivel de la torre: El perforador tiene un mejor control del pozo al tener la capacidad de conectar y circular la sarta a cualquier altura de la torre, en lugar de depender de una válvula manual de control y tener que levantar y conectar el cuadrante y el swivel.

 

• Permite la rotación y circulación inmediata cuando se encuentran problemas en el hoyo. 

• Elimina el peligroso procedimiento de desconexión del cuadrante cuando éste queda a una altura considerable en la torre en caso de pegadura de la tubería.

 

Ejemplos de Modelos de Top Drive:

 

• SOILMEC hydraulic 181.5 tons

 • VARCO TDS-3S 590 tons

 • VARCO TDS-9SA 400 tons

 •TESCO 500 ECI 900 HP…etc.

KELLY 

También llamada barra conductora, de ella depende toda la columna de perforación. Su función es transmitir el giro que le proporciona la mesa de rotación al varillaje, permitir su descenso y ascenso, así como conducir por su interior el fluido de perforación que ha de circular por todo el varillaje. 

 En su extremo superior va enroscada la cabeza giratoria de inyección que a su vez sirve para suspender toda la columna de perforación. En su extremo inferior se enrosca la primera varilla de la columna mediante la interposición de un acoplo que es el que sufre el desgaste de todas las maniobras de roscado cada vez que se añade o quita una nueva varilla a la columna, impidiendo el deterioro de la propia barra Kelly. 

La barra Kelly pasa por el alojamiento que con este fin tiene la corona de la mesa de rotación, por el cual se desliza al hacer las maniobras de descenso o extracción de la columna de perforación.

La sección de la barra conductora o Kelly puede ser hexagonal, cuadrada o circular con dos o más cheveteros semicirculares. La longitud debe ser algo superior a la correspondiente a las varillas que se empleen. 

2. KELLY Y TOP DRIVES “KELLY AND TOP DRIVES”.

2.1 PERFORANDO “MAKING HOLE”.

Un taladro de perforación rotaria consiste de muchas piezas de equipo. Parte de ellas se encuentran en la superficie, y parte de ellas en el subsuelo.

Todo el equipo tiene un propósito, colocar la broca en el fondo del pozo para perforar o hacer el hueco. Para lograr esto, la cuadrilla de perforación enrosca la broca en la parte final o inferior de una tubería especial llamada sarta de perforación “drill string”.

Los miembros de la cuadrilla bajan la sarta unida a la broca dentro del pozo. Para que la broca perfore, el equipo de superficie del taladro tiene que rotar, a menos que sea movida por un motor de fondo o motor de lodo “mud motor”. El equipo también tiene que proporcionarle peso a la broca para forzar los dientes o cortadores de la misma dentro de la formación. A medida que la broca perfora, un fluido de circulación tiene que remover los cortes “cuttings” lejos de la broca, de otra forma el pozo se llenaría de cortes de perforación. El fluido que circula cumpliendo con esta labor se conoce como lodo de perforación “drilling mud”.

2.2. GENERALIDADES “OVERVIEW”.

Para impartir movimiento rotatorio a la sarta de perforación de forma que la broca pueda moverse, se puede usar un top drive o una Kelly con sistema de mesa

rotaria “kelly and rotary table system”. La potencia se transmite desde la superficie hasta el fondo del pozo a través de la sarta de perforación.

 

2.3. SISTEMAS QUE USAN TOP DRIVE “TOP DRIVE SYSTEMS”.

Algunos equipos imparten movimiento rotatorio a la sarta con una unidad Top Drive. Los Top Drives son caros pero bastante eficientes. La cuadrilla puede agregar juntas de tubería de perforación en forma rápida y segura.

Ellos pueden perforar el pozo con mayor eficiencia y menos chance de que la sarta se pegue en el hueco, comparado con el sistema de Kelly y mesa rotaria. Un motor potente hace girar el eje del top drive “drive shaft”, el cual está conectado al top drive. Los miembros de la cuadrilla conectan la sarta de perforación al “drive shaft”.

El “drive shaft” hace girar la sarta de perforación y la broca. Note que la sarta de perforación pasa a través de una abertura en la mesa rotaria. Sin embargo, la mesa no rota.

 

2.4. OPERACIÓN DEL TOP DRIVE “TOP DRIVE OPERATION”.El sistema de unión “link system” suspende la unidad top drive del bloque viajero del taladro. El fluido de perforación “Drilling mud” entra al top drive a través del cuello de ganso “gooseneck” el cual está unido a la manguera rotaria “rotary

hose”, esta manguera es una línea flexible que conduce el lodo desde el stand pipe hasta el swivel en un sistema de Kelly o al swivel integrado en el top drive.

Un motor y una caja de engranajes le transmiten potencia al eje principal del top drive “drive shaft”. La cuadrilla conecta la sarta de perforación al “drive shaft”. La IBOP o válvula de seguridad incorporada, cuando está cerrada, evita que los fluidos se devuelvan a través de la sarta de perforación. la cuadrilla usa las llaves de torque “torque wrench assembly” para conectar o desconectar la sarta de perforación.

Los brazos del elevador “elevator links” suspenden el elevador de tubería. La cuadrilla de perforación coloca el elevador alrededor de la sarta de perforación, para permitir que la unidad top drive la levante o la baje.

 2.5. SISTEMAS CON KELLY “KELLY SYSTEMS”.

La Kelly, kelly drive bushing, el master bushing y la mesa rotaria “rotary table” hacen rotar la sarta de perforación y la broca en equipos que no tienen top drive.

La Kelly es un instrumento tubular pesado, usualmente tiene 4 o 6 lados, lo cual significa que tiene una sección transversal hexagonal o cuadrada. Las kellys cuadradas son mas baratas que las hexagonales, pero la hexagonal es más fuerte, por eso los equipos que perforan pozos profundos usualmente las usan.

Trátese de una Kelly hexagonal o cuadrada, los miembros de la cuadrilla conectan la kelly al tubo superior de la sarta de perforación.

2.6 OPERACIÓN DE LA KELLY “KELLY OPERATION”.

La kelly, de 4 o 6 lados, se mueve a través de una abertura cuadrada en el Kelly Drive Bushing.

El Kelly Drive Bushing encaja en el Master Bushing, esta última gira por el movimiento que le transmite la mesa rotaria. Esto hace que rote toda la sarta de perforación y la broca que se encuentra en la parte inferior de la misma. La Kelly se mueve hacia abajo a medida que la profundidad del hueco aumenta.

CAJA Y PIN “BOX AND PIN

La cuadrilla de perforación conecta el drill pipe usando las roscas que se encuentran en cada extremo de la tubería, las cuales se denominan tool joints.

 

El tool joint hembra es la caja “box”. El tool joint macho es el pin del drill pipe. Las uniones de tubería o tool joints pueden ser de varios tamaños y tipos.

TUBERÍA DE PERFORACIÓN “DRILL PIPE” (DP)

 

La tubería de perforación “drill pipe” es bastante fuerte, aunque relativamente liviana. Los miembros de la cuadrilla conectan la sarta de drill pipe a un top drive o a la kelly. El drill pipe conforma la parte superior de la sarta de perforación “drill string”. Usualmente la tubería de perforación rota, lo cual hace que la broca también rote. Cada sección de drill pipe se denomina junta “joint”. Los miembros de la cuadrilla conectan o enroscan varias juntas de drill pipe colocándolas dentro del hueco a medida que la broca rota.

Especificaciones del Drill Pipe.

La tubería de perforación “drill pipe” al igual que otros tubulares, puede ser especificada de acuerdo con las siguientes características:1. Diámetro “Diameter”.2. Grado o resistencia “Grades or strength”.3. Peso “Weight”.4. Longitud “Length”.

 

El diámetro “diameter”, peso “weight” y la resistencia “strength” usados dependen del tamaño del hueco, la profundidad del hueco y las propiedades del pozo.

En los libros o tally de tubería que se llevan en los taladros aparecen estas especificaciones.

La tubería de perforación “Drill pipe” usualmente se puede conseguir en tres rangos de longitud:

Rango “Range”

 

Longitud “Length”

 

 

 

Pies “Feet”

 

Metros “Meters”

 

Rango uno “Range one”

 

18 - 22

 

5.5 – 6.7

 

Rango dos “Range two”

 

27 - 30

 

8.2 – 9.1

 

Rango tres “Range three”

 

38 - 45

 

11.6 – 13.7

 

 El rango más común es el dos: 27 –30 ft (8.2 – 9.1 m).

 Ya que el pozo puede tener una profundidad de miles de pies, los miembros de la cuadrilla pueden tener que conectar cientos de juntas de drill pipe.

 El diámetro del drill pipe puede ser tan pequeño como 2 3/8” (60.3 mm). Este tamaño de drill pipe pesa 4.85 #/ft (7.22 Kg/m).

 El drill pipe puede tener un diámetro tan grande como 6 5/8” (168.3 mm). Este tipo de drill pipe pesa 27.60 #/ft (41.21 Kg/m). Sin embargo, el drill pipe de 5” (127 mm) es uno de los más comunes. Pesa 19 ½ #/ft (9.01 Kg/m). 

 

HEAVY WALLED DRILL PIPE (HWDP)

 

 

La cuadrilla conecta HWDP en la sarta por debajo del drill pipe. El HWDP también se conoce como Heavy Weight Drill Pipe, o Hevy Wate, Su posición en la sarta está entre el Drill Pipe y los Drill Collars. El HWDP se usa para suministrar una zona de transición entre el DP, más liviano, y el DC, el cual es rígido y pesado.

 

 

El uso de Heavy Walled Drill Pipe reduce la fatiga que los Drill Collars provocan en la sarta. Como resultado, el Heavy Weight reduce el estrés en el drill pipe. También ayudan a mantener el DP en tensión, y le dan peso a la broca, al igual que lo hacen los DC, especialmente en perforación direccional. El Heavy Weight Drill Pipe tiene paredes más gruesas y tool joints más largas que el drill pipe. También tiene un wear pad en el centro del cuerpo para disminuir el contacto con

las paredes del pozo. Los tool joint más largos reducen el desgaste en el cuerpo del HWDP. Ellos mantienen el cuerpo del tubo alejado de las paredes del hueco.