Brocas de Conos Mviles
Objetivos del Aprendizaje
Al terminar este captulo, usted podr:
y de la excentricidad del cono
de conos mviles
mviles
conos mviles
os tres procesos de tratamiento trmico bsico
conos mviles
dar de las brocas y las opciones complementarias
mviles para los diferentes productos de la lnea
IADC
os cdigos IADC apropiados para especificar los distintos tipos de brocas de Security DBS.
Introduccin:
Estructuras de Corte, Rodamientos y Sellos
Los diseadores de brocas tienen que balancear intereses competitivos para desarrollar la
mejor broca para una formacin dada. Estos intereses son los requisitos de un contorno
confiable de la estructura de corte, la capacidad de los rodamientos y la fortaleza del cono.
El tamao del agujero determina el espacio disponible.
Contorno del Cono
La primera preocupacin del diseador de brocas es la tasa de penetracin y durabilidad. El
diseador trabaja con el ngulo del mun o jornal, ngulo del cono, ngulo
sobremedida, excentricidad, engrane, proyeccin y espaciamiento para lograr un diseo
exitoso. Estas variables definirn el contorno o perfil del cono, el cual es la lnea externa
del mismo. Los principios bsicos del diseo de la broca de conos mviles son los mismo
para ambos tipos de dientes de acero y de insertos de carburo de tungsteno.
Brocas de Conos Mviles
Journal Angle
El elemento bsico en el diseo del contorno del cono es determinado por el ngulo del
mun o journal. Este es el ngulo formado entre una lnea perpendicular al eje de la broca y el eje del mun.
El ngulo del mun o ngulo journal determina el contorno exterior del cono, ya que
cada cono es designado para llenar su espacio adecuado. Las brocas para formaciones
blandas tiene un ngulo del mun pequeo (30 a 36 grados), mientras que las brocas para
formaciones duras tiene un ngulo del mun grande (36 a 39 grados).
Brocas de Conos Mviles
ngulo del Cono
Los conos diseados para formaciones de blandas a medias tienen dos o ms ngulos
bsicos de cono, creando una accin de rotacin irregular en el fondo. La fila del taln gira
alrededor de un punto central mientras la fila media gira alrededor de su centro terico.
Como los conos estn colocados para rotar alrededor de la lnea central de la broca, se
deslizan mientras rotan y producen una accin efectiva de escopleo y raspado en la
perforacin de formaciones blandas. Los conos diseados para formaciones ms duras
tienden hacia un ngulo sencillo y una mayor accin de rotacin, lo cual es mejor para
producir la accin de trituracin necesaria.
ngulo Sobremedida
El ngulo sobremedida se usa en brocas para formaciones blandas para aumentar el
dimetro del cono y as aumentar la longitud del diente. Este diseo requiere que la punta
del calibre gage se mueva hacia el centro de la broca, para prevenir un ensanchamiento
del hoyo.
Brocas de Conos Mviles
Excentricidad Offset
La excentricidad de las lneas centrales de los conos lejos del centro de rotacin de la broca,
aumentan la tasa de penetracin en las formaciones blandas. La clave es una mayor accin
en el fondo. Las brocas para formaciones blandas estn diseadas con ms excentricidad
para aumentar la accin de escopleo y raspado. Los diseos de brocas para formaciones
medianas tienen menos excentricidad, combinando la torsin y el desgarre con la
trituracin y el cincelado. Los diseos de brocas para formaciones duras usan poco o nada
de excentricidad de los conos, rompiendo la roca principalmente por la accin de
trituracin.
Vea el trabajo SPE 16696 Roller Bit Modelo, etc. (El modelo de broca de conos mviles)
al final de este captulo.
Brocas de Conos Mviles
Engrane Esta es la distancia a la que las crestas de los dientes de un cono pasan por las surcos de los
conos adyacentes. El engrane previene el embolamiento de la formacin entre las filas de
dientes y ofrece un mejor uso del espacio para la estructura de corte. Esto permite ms
espacio para paredes de los conos ms grandes y gruesas, dientes ms largos y cojinetes
mas grandes. En las brocas para formaciones medias y duras, el engrane disminuir as
como la proyeccin y separacin de los dientes.
Tolerancia Compacta
Proyeccin y Espaciamiento
La proyeccin se refiere a la longitud de los dientes y el espaciamiento al numero y distancia relativa entre los mismos. Una broca con dientes largos y ampliamente espaciados
perforar mejor en formaciones blandas.
En formaciones ms duras se necesitan dientes cortos y menos espaciados para aadir
fuerza.
Brocas de Conos Mviles 6
Diseo del Diente de Acero Las brocas de dientes de acero se usan generalmente con velocidad de rotacin
relativamente alta en la parte alta de las formaciones, donde las brocas de insertos de
carburo de tungsteno, por su ms baja tasa de penetracin, son antieconmicas.
Brocas con dientes de acero ACCIN CORTANTE
Clasificacin
de brocas para
rocas
TIPOS
DE
BROCA
S
FORMACIN
ESTRUCTUR
A
CORTANTE
DESPLAZAMIENT
O & el ngulo del
ALFILER
Bearing size
&cone Shell
thickness
CORTANDO
APLASTAND
O
ACANALAND
O RASPANDO
Formacin
suave
XS1
XN1
Formaciones
suaves que
tienen baja
fuerza de
comprensibilida
d (suaves lutitas,
arcillas, camas
rojas, caliza
suave,
formaciones sin
consolidar. etc.)
Los dientes
largos extendidos
para la
penetracin
profunda; el uso
de levantamiento
e interrupcin
diseado para la
limpieza eficaz y
menos acero en
fondo que
produce las
proporciones de
penetracin
rpidas.
El desplazamiento
mximo; el ngulo
dise para girar,
romper, excavar, y
poder penetrar
rpidamente en las
formaciones suaves.
Generalment
e los rumbos
ms
pequeos,
que tienen el
armazn ms
delgado
tienen dientes
ms largos
que producen
la
perforacin
mas rpida.
LIGHT SUAVE
Formacin
media suave
XS3
XN3
Formaciones de
suave a media o
suaves
intercaladas con
duras streaks(
firme, arenosos
esquitos,camas
rojas, salt,
suaves calizas.,
LIGHT MEDIUM
FORMACI
N MEDIA
DURA
formaciones de medio a medio
dura ( esquitos
mas duros,)
Los dientes de
longitud
mximos, ms
cerca el espacio
para la
penetracin del
diente
combinada, la
fuerza mayor. Y
resistencia a la
rotura. Algunos
tipos con los
levantamientos e
interuptions para
menos acero en
el fondo y las
proporciones de
penetracin ms
rpidas
El desplazamiento
elemento y ngulos del
alfiler para la accin
raspando y acanala
combinada y la accin
cortar-aplastante
Los rumbos
elemento y
espesor del
cono-cscara,
para los
pesos
pesados
elemento con
los dientes de
longitud
elemento.
MEDIUM LIGHT
FORMACI
N DURA
XS5
XN5
De medio duro
abrasivo a dura
formacin ( roca
fuertemente
comprensible
,dolomitica,
calizas duras,
lutitas duras)
Ponga en
cortocircuito, los
dientes cerdosos
espaciaron
estrechamente
para la accin
aplastante con la
resistencia
mxima a la
rotura.
El verdadero rodando
para la accin cortar-
aplastante sin raspar en
formacin dura o
formaciones con la
fuerza del compressive
alta.
Los rumbos
grandes y el
cono espeso
descascara,
para los
pesos
pesados, las
formaciones
ms duras
superadas
necesarias
HEAVY LIGHT
Tres clasificaciones bsicas de formacin blandas, medias, y duras se asocian con los
diferentes tipos de brocas de dientes de acero.
1.- Blandas.
2.- Medias
3.- Duras
Blandas
Las brocas para formaciones blandas se caracterizan por sus dientes largos, ampliamente
espaciados. Ellas penetran fcilmente la formacin y mantienen una alta tasa de perforacin
debido a su accin de escopleado y raspado por el contorno del cono y la excentricidad. El
diseo se basa en cojinetes pequeos, pero la agresiva estructura de corte asegura la ms
alta tasa de penetracin. Generalmente, las cargas en las brocas se mantienen bajas mientras
que las velocidades de rotacin son altas. Se requiere el endurecimiento de los dientes para
mejorar su resistencia al desgaste y prolongar la vida de la estructura de corte.
Media
Para ser efectivas en rocas ms firmes, las brocas para formaciones medias usan dientes
ms cortos, ms numerosos y menos espaciados. El diente ms corto ofrece ms resistencia
al aumento de fuerza, que es el resultado directo de mayor peso sobre la broca (WOB), en
los ambientes ms duros y abrasivos. El endurecimiento del diente mejora su resistencia al
desgaste, pero reduce la resistencia de ste al astillamiento o quebradura, por la menor
resistencia al impacto del endurecimiento en relacin al diente de acero.
Dura
Las formaciones duras requieren dientes an ms cortos y juntamente espaciados, por el
aumento de la fuerza necesaria para triturar la roca dura. El endurecimiento del diente se ha
minimizado para prevenir quebraduras, mientras que el endurecimiento del calibre gage
se ha aumentado para prevenir su excesivo desgaste. Tpicamente, la carga de la broca es
grande, mientras que la velocidad de rotacin es baja. Estos niveles de energa aseguran
tiempo adecuado al diente para contactar y triturar la formacin. La accin de rodaje
verdadero de los conos no excntricos minimiza el desgaste abrasivo a la estructura de corte
Diseo de Insertos de Carburo de Tungsteno
Las brocas de insertos fueron diseadas inicialmente para perforar pizarra y cuarcitas
extremadamente duras, que haban sido muy costosas de perforar debido a la relativa corta
vida de las brocas de dientes de acero. Hoy, sin embargo, con el desarrollo en la metalurgia
del carburo de tungsteno y la forma de los insertos, las brocas de este tipo pueden perforar,
econmicamente, cualquier formacin.
BROCAS DE INSERCIN DE CARBURO DE TUNGSTENO ACCIN CORTANTE
CLASIFICAIN
DE LAS
ROCSAS PARA
ROCA
TIPO
DE
BROCA
FORMACIN ESTRUCTURA
CORTANTE
OFFSET & PIN
ANGLE
BEARING
SIZE &
CONE
SHELL
THICKNESS
CORTANDO
APLASTANDO
GOUGING
SCRAPING
FORMACIN
SUAVE
XS 02
TO
XS12
Formaciones
suaves que
tienen baja
fuerza de
comprensibilidad
(lutitas suaves,
arcillas, camas
rojas, caliza
suave,
formaciones sin
consolidar. etc.)
El desplazamiento
mximo; el ngulo
del alfiler dise
por torcer,
mientras rasgando,
acanalando accin
y la penetracin
ms rpida en las
FORMACIONES
suaves,
Generally smaller bearings, thinner cone shell to allow for longer teeth that result in faster penetration rates.
Acanalando principalmente,
raspando.
FORMACIN
MEDIA A
SUZVE
XS 13
TO
XS38
La fuerza del
compressive
suave, sin
consolidar,
baja,
drillability alto,
arcillas, lutitas,
sal, etc. de
intervalo
considerable.
insercin suave;
La extensin
mxima de
inserciones
dentadas suaves
La insercin
suave
proporciona
raspando, la
accin aplastante,
El tipo de la
insercin
suave
proporciona
seccin de la
cscara ms
delgada y la
presin ms
pequea.
Acanalando
principalmente, raspando -
con un cortar mnimo, el
requisito aplastante.
FORMACIN
MEDIA
XS 39
TO
XS 48
Suaves
segmentes a
formaciones
duras (
dolomita,
lutitas duras )
Medium insert; Medium extension of Wedge Shaped insert. +
Medium insert -
slight scraping
and crushing
action.
FORMACION
DE MEDIA A
DURA
XS 49
TO
XS59
Medium segment of hard formations (chert, granite, basalt, quartzitic formations)
FORMACIN
DURA
XS61
TO
XS 99
Hardest of hard abrasive formations (quartzite and hard quartzite sands)
Para formar los insertos, se colocan a presin compactos cilndricos de carburo de
tungsteno sinterizado con diversas formas en su extremo, en agujeros mecanizados con
gran precisin, en conos forjados con aleaciones de acero. Esta combinacin resulta en una
estructura de corte con una alta resistencia al desgaste por abrasividad y cargas compresivas
Forma del Inserto La forma de diente afilado ha probado ser la ms efectiva para penetracin ms rpida y
profunda en formaciones relativamente blandas. Estos insertos de dimetro largo y larga
extensin se acoplan a conos de mxima excentricidad para levantar el recorte
mecnicamente y mejorar la tasa de penetracin.
Brocas de Conos Mviles
El inserto en forma de cincel se usa en brocas para formaciones medias, diseadas con una
moderada accin de escopleado y raspado. Las formas especficas de dientes o cincel del
inserto se seleccionan teniendo en cuenta la formacin y las propiedades geomtricas de la
broca.
Hay variedad de tamaos de insertos de forma cnica disponibles, para adaptarse mejor al
tipo de formacin. La forma cnica aumenta la capacidad de soporte de carga de los
insertos y, por tanto, hace la estructura de corte cnica ideal para perforar formaciones
fracturadas que contienen vetas duras.
Los insertos de forma cnica doble de 90 y 120 grados han sido diseados especficamente
para la accin de cincelado y triturado requerida en la perforacin de formaciones duras.
Estas caractersticas de los insertos posicionan la punta de la herramienta, lo cual concentra
la carga de la unidad sobre la formacin y aumenta la tasa de penetracin. Cuando la punta
se desgasta, los insertos toman una forma esfrica.
La forma esfrica es la forma ms durable y es utilizada en los insertos del calibre gage de escaln para incrementar la proteccin del mismo.
Brocas de Conos Mviles
Calibre Gage de Escaln La caracterstica de calibre gage de escaln es el medio ms efectivo para el desarrollo y mantenimiento del calibre gage total del agujero. Los insertos del calibre gage de escaln estn diseados con menos extensin que los ms largos de la fila interior de
insertos. Esta fortaleza aadida se necesita en el calibre gage o en taln para prevenir problemas que pueden resultar en un estrechamiento del agujero.
Esquina Cuadrada
El diseo de calibre gage en escaln asegura un balance propio de soporte de fuerzas en la direccin y magnitud dictadas por los buenos principios de diseo.
Vea el artculo Selecting The Proper Rotary Rock Bit (Seleccin de la broca rotatoria apropiada) al final de este captulo
Rodamientos Dos tipos bsicos de rodamientos son usados con las brocas de conos mviles: de rodillos y
de friccin (journal).
Rodamientos de Rodillos
A causa de la tremenda fuerza involucrada, los rodamientos estn diseados para ptima
resistencia en espacios limitados. El nmero y tamao de los rodillos debe permitir una
pista de rodaje de tamao suficiente para prevenir fallos prematuros por fatiga. El mximo
nmero de rodillos es usado para reducir la unidad de carga y limitar una eventual astillado.
Adicionalmente, el dimetro de cada rodillo debe ser suficientemente grande para prevenir
quebraduras. Esta preocupacin compite con la longitud de los dientes y el grosor del cono
por razn del espacio.
La porcin mayor de carga radial del cortador es soportada por la carrera del rodillo. La
nariz del rodamiento y el pin gua estabilizan el rodamiento y llevan una menor cantidad
de carga radial.
La superficie de empuje adyacente al pin gua y el botn de empuje estn diseados para
soportar el empuje externo. Los rodamientos de bolas mantienen el cono en posicin y
soportan el empuje interno.
Rodamientos no Sellados
Por muchos aos las brocas de conos mviles fueron fabricadas slo con rodamientos no
sellados. El fluido de perforacin proporcionaba la lubricacin del rodamiento. Este tipo de
rodamiento tiene una vida relativamente corta, debido a que el fluido de perforacin
abrasivo penetra en su interior y causa escamacin y desgaste abrasivo de los elementos del
rodamiento, especialmente la pista de rodaje.
Los rodamientos de rodillos no sellados, no lubricados, son usados hoy da principalmente
en brocas para la parte alta de los agujeros donde el tiempo de viaje es corto y en
situaciones donde se desea alta velocidad de rotacin. Las brocas no selladas tambin se
usan con aire, gas o vapor como fluido de perforacin.
Rodamientos Sellados
La primera broca de rodamientos sellados fue presentada en los campos petroleros al
principio de la dcada de 1960. La tecnologa de los rodamientos sellados permite a stos
operar en un ambiente limpio y lubricado. Adems del rodamiento en si, los componentes
primarios de un rodamiento sellado incluyen el sello, el depsito de grasa y el compensador
de presiones.
El sello mantiene al lubricante dentro y al lodo fuera del rodamiento, mientras que el
depsito de grasa provee de lubricante el interior del rodamiento y reemplaza el lubricante
usado. El compensador de presiones mantiene igual presin tanto dentro como fuera del
rodamiento.
La ventilacin del fluido de perforacin es a travs de la tapa del depsito de grasa, la cual
permite actuar a la presin hidrosttica sobre el diafragma flexible. El movimiento del
diafragma resulta en una igualacin de presiones de todo el sistema y asegura que el
lubricante alimente los rodamientos.
Se han desarrollado lubricantes especiales para usar tanto con brocas de rodamientos de
rodillos como de rodamientos de bujes (journal). Esta grasa es un lubricantes de mltiples
propsitos, para servicio severo, con propiedades de baja degradacin en temperaturas an
por sobre los 300 grados Fahrenheit.
Rodamientos de Bujes (Journal)
En vez de los rodamientos estndar de rodillos, el sistema de rodamientos de bujes (journal)
usa slidos bujes o conos de friccin directa. El rodamiento de friccin ofrece una ventaja
mecnica distinta, sobre los rodamientos de rodillos, y es que presenta un rea de contacto
ms grande en el punto de carga del rodamiento. El aumento de la capacidad de carga de
los rodamientos de friccin ha aumentado grandemente su vida. El uso de los rodamientos
de buje ha balanceado ahora la vida del sistema de rodamientos de las estructuras de corte
de carburo de tungsteno. Los rodamientos de friccin han encontrado aplicacin an en
diseos brocas de dientes de acero.
El rodamiento de friccin tiene una caracterstica patentada que es la infiltracin de polvo
de plata en el metal del buje, el cual ha sido ajustado a presin en el cono. La superficie del
buje contacta una superficie de metal endurecido, que se ha aplicada mun. La plata
infiltrada acta como un lubricante slido para resistencia mxima al desgaste por
rozamiento bajo condiciones de alta energa.
Las superficies de empuje o bujes de empuje, son utilizados en el rea de la nariz del
mun y opera eficientemente bajo condiciones de alta carga. El buje de empuje ayuda a
prevenir el desgaste interno del rodamiento, que puede ser causado por el desgaste y
redondeo del calibre gage. El sello esta diseado para prevenir que los recortes abrasivos penetren en el rodamiento y
para mantener el lubricante dentro de la broca. El diseo del sello y su efectividad es de
primera importancia para el xito de los diseos de rodamientos de friccin.
Metalurgia de las Brocas En adicin a las caractersticas de diseo, el principal requisito para un buen desempeo de
una broca son sus propiedades metalrgicas. Las severas condiciones a que estn sometidas
las brocas requieren que todas sus partes sean resistentes al desgaste y al choque de carga.
El material y el tratamiento trmico tienen la mayor importancia metalrgica. El
endurecimiento y composicin del inserto tambin son importantes.
Materiales
Los fabricantes de acero producen un nmero bsico de tipos de acero, variando
grandemente en composicin. Cada tipo es designado para una aplicacin especfica. En la
fabricacin de brocas, los requisitos de material para los diferentes componentes son
verdaderamente importantes.
COMPONENT TIPO MATERIAL PRINCIPALES ELEMENTOS
DE ALEACIN PROPIEDADES MATERIALES DEL ACERO USADO EN COMPONENTES DE BROCAS
Cortador dientes Acero AISI 4715H Carbn-nickel-cromo-molibdeno
Cortadores insertos Acero AISI 9315 Carbn-nickel-cromo
Brazos Acero AISI 4716H Carbn-nickel-cromo-molibdeno
Bolas Acero solar de herramienta Carbn-silicn-molibdeno
Rodillos Acero solar de herramienta Carbn-silicn-molibdeno
Botn empuje Acero herramienta Carbn-cromo-vanadio-molibdeno-WG
alta velocidad
Buje PM 464D AG impregnado Carbn-nickel-molibdeno-plata-Mn
Endurecimiento diente Endurecimiento XXX WG-WC-diamante
Insertos Carburo tungsteno WC-cobalto
sinterizado
Boquillas Carburo tungsteno WC-cobalto
sinterizado
RANGO DE TEMPERATURA PARA CARBURIZACIN Y TRATAMIENTO
TRMICO Carburizacin 1650 F- 1750 F
Templado 1425 F- 1480 F
Atemperado 300 F- 500 F
(Aliviado de tensiones)
La seleccin de aleaciones de acero de la tabla anterior en combinacin con el proceso de
tratamiento trmico satisface los requisitos para los usos especficos de los componentes de
las brocas. Con respecto al material del cono, las propiedades del acero deben incluir buena
resistencia a la fatiga y dureza para la pared del cono y los dientes. Los brazos y el mun
deben ofrecer buena resistencia a la escamacin y abrasin as como a la alta fuerza de
impacto. Los cojinetes de bolas y rodillos deben tener una alta resistencia a la fatiga y a la
fuerza de impacto.
Tratamiento Trmico
Una vez que los materiales apropiados han sido seleccionados, el forjado de acero y los
componentes mecanizados deben pasar por tres procesos de tratamiento trmico distintos:
carburizacin, templado y atemperado.
Carburizacin
Este es un proceso en el cual el contenido de carbn de la superficie del acero se aumenta
para proporcionar una corteza dura, resistente al desgaste. La pieza es calentada en una
atmsfera de carbn y ste es absorbido por el acero. La profundidad y cantidad de
penetracin depende del tiempo del proceso.
Templado
Templado sigue a la carburizacin e incluye someter las piezas a un proceso de
calentamiento y enfriamiento, que aumenta su dureza al mximo. Otra vez, el tiempo del
proceso controla las caractersticas deseadas.
Atemperado
Esta es la operacin final y consiste en recalentar el acero endurecido para liberar cualquier
residuo de alta tensin. Sin el templado una pieza endurecida ser extremadamente
quebradiza y tendr una baja resistencia al impacto.
Endurecimiento
Para alargar ms la vida de la estructura de corte, se aplican partculas de carburo de
tungsteno a determinadas reas de los dientes, calibre gage y faldn. Estas zonas endurecidas son mucho ms resistentes al desgaste por abrasividad que el acero al cual son
aplicadas.
Endurecimiento del Diente
El endurecimiento de la estructura de corte reduce el desgaste del diente y aumenta su vida.
Como resultado se aumenta la tasa general de penetracin. Las aplicaciones de
endurecimiento a toda el rea del diente en las brocas para formaciones blandas, ayuda a
mantener el filo y la longitud del mismo, ofreciendo una accin cortadora ms rpida,
durante un periodo mayor de tiempo. En brocas para formaciones medias o duras, la
aplicacin del endurecedeor se reduce para prevenir que el excesivo rebarbado del diente lo
quiebre en las rocas duras.
Endurecimiento del Calibre Gage El rea del calibre gage
de la estructura de corte presenta usualmente el mayor desgaste debido a la mayor velocidad y escariacin. Como resultado, las superficies del calibre gage se disean para ofrecer la mayor rea de endurecimiento posibles. (Otro mtodo para proteger el rea del
calibre gage es incrustando compactos planos en la cara posterior del cono. Estos compactos de carburo de tungsteno son extremadamente resistentes al desgaste).
Endurecimiento del Faldn
Esta rea puede ser endurecida para prevenir el desgaste abrasivo por la exposicin y
posiblemente el dao del sello. Las aplicaciones de endurecimiento al calibre gage y al faldn, ha resultado extremadamente importante en las brocas usadas en pozos horizontales
y direccionales, donde puede ser grande el desgaste del calibre gage por el ngulo del hoyo o la alta velocidad de operaciones.
Carburo de Tungsteno
Este material, en la forma de un granulado para endurecimiento o como insertos, es objeto
de especificaciones muy rgidas y estndares de calidad.
Los insertos de carburo de tungsteno estn formados por polvo de tungsteno carburizado
mezclado con un aglomerante de cobalto y luego sinterizado a la forma y tamao deseado.
Bsicamente, mientras ms alto es el contenido de cobalto, ms tenaz y menos quebradizo
resultar el inserto. Mientras ms bajo es su contenido ms resistente al desgaste es el
inserto. Hay una disyuntiva entre resistencia al choque y resistencia al desgaste cuando se
disean insertos para brocas para formaciones blandas y duras. El aumento de extensin en
los insertos para formaciones blandas requiere resistencia al choque, con ms alto
contenido de cobalto; los insertos ms cortos para formaciones duras requieren resistencia
al desgaste, ms que tenacidad.
Circulacin del Fluido
La principal funcin del fluido de perforacin ya sea lquido (a base de agua o de aceite),
aire o gas natural, es mantener limpia la estructura de corte y remover los recortes del rea
de perforacin, cuando estos se producen. El fluido de perforacin tambin enfra la broca y
estabiliza la pared del pozo.
Ejemplos de fluidos de circulacin
Circulacin Regular
La circulacin regular en conductos de agua de los primitivos conceptos de las brocas de
conos mviles tiene todava limitada demanda hoy da. El agua es dirigida a los cortadores
para mantenerlos limpios; luego el fluido se dirige a limpiar el hoyo.
Las brocas de circulacin regular pueden tener un pasaje sencillo o mltiples pasajes de
fluido. La prdida depresin hidrulica a travs de estos pasajes es usualmente
relativamente baja y el fluido hace muy poco para aumentar la tasa de penetracin.
Circulacin por Chorros
El sistema regular de circulacin ha sido ampliamente reemplazado por el de chorros,
usando boquillas de carburo de tungsteno resistentes a la erosin. Con alta presin aplicada
a travs de las boquillas, el fluido de alta velocidad fluye a los conos e impacta la
formacin, limpiando de recortes el hoyo. El chorro de fluido puede controlarse cambiando
el tamao de la boquilla. La accin de los chorros tambin aumenta la tasa de penetracin
en formaciones blandas horadando la roca.
Adicionalmente, el chorro central puede aumentar la limpieza del cono en formaciones
blandas. El chorro central ayuda a prevenir problemas de embolamiento de la broca cuando
se perfora con alta tasa de penetracin.
Las brocas de boquillas largas son usadas tpicamente para colocar la boquilla ms cerca
del fondo de hoyo. Hacer eso usualmente resulta en aumento de la tasa de penetracin.
Circulacin con Aire
Los sistemas especiales de circulacin con aire, se han incorporado a los diseos de las
brocas usadas especficamente para perforar con aire o gas como medio de circulacin.
Estos diseos se caracterizan por tener pasajes para el aire que conducen una porcin de
ste a travs de los rodamientos para ayudar a mantener el rea de rodamientos fresca y
libre de recortes.
Vea el trabajo titulado Full-Scale Experiments on Jets in Impermeable Rock Drilling (Amplios experimentos con chorros en perforacin de roca impermeable), al final de este
captulo.
Tecnologa Innovativa
La industria ha visto cambios significantes en prcticas y procedimientos durante la pasada
dcada. Por ejemplo, las mejoras en los mtodos de perforacin ha permitido a los
operadores perforar en ambientes ms remotos y hostiles, tales como el mar y en zonas del
rtico. Se ha logrado la tcnica para perforar direccional y an horizontalmente, en
longitudes extensas y esto ha llegado a ser una prctica comn. Ha crecido el inters en
proyectos con rocas duras profundas para geotermia o con propsitos estrictamente
cientfico. Mejoras en lo ltimo en tecnologa en brocas ha ido paralelas a estas prcticas
y en muchos casos estas mejoras han sido grandemente responsables del continuo xito de
estos proyectos.
Los fabricantes de brocas han sido forzados a mejorar, modificar e introducir nueva
tecnologa en forma continua. Esta tecnologa es relativa a todos los aspectos de las tpicas
brocas de diseos de conos mviles, tales como las estructuras de corte, rodamientos,
sistemas hidrulicos, proteccin del calibre gage/faldn y aplicaciones especiales.
Estructuras de Corte
Los recientes desarrollos aplicados a las estructuras de corte de las brocas de dientes, se
centran alrededor de la forma y endurecimiento del diente. En brocas para formaciones
blandas, la longitud del diente y durabilidad del material endurecedor son de primordial
importancia. Materiales nuevos y ms resistentes al desgaste se aplican ahora sobre toda la
superficie del diente, incluyendo la cresta, para mantener el diente afilado y ms largo y
mantener una acin de corte ms rpida.
HF161
El nuevo HF161 de Security DBS es el objetivo de todas las brocas de dientes, excepto la
premium PSF y MPSF. Este nuevo endurecimiento est probando ofrecer un mejor y ms grueso depsito, usando la aplicacin de hidrgeno atmico estndar; y ha mejorado la
resistencia al desgaste y las mejores propiedades metalrgicas como ninguna otra
aplicacin hidrogena atmica previa. Este endurecimiento incluye una combinacin de
pastilla de carburo de tungsteno cementado, carburo triturado sinterizado y partculas de
carburo aleado.
Revestimiento TECH2000 de Diamante
La broca de friccin premium con endurecimiento TECH2000 de diamantes, es la nueva
revolucin en la tecnologa de revestimiento que ha surgido del programa de desarrollo de
brocas de Security DBS. Este nuevo endurecimiento TECH2000 de diamantes (patente
pendiente) consiste en unas nuggets o pepitas de carburo de tungsteno puro sinterizado,
con grandes propiedades para una excepcional resistencia al desgaste de dicho aglomerado.
Los nuggets de Security DBS producen una significante mejora en el desgaste, medido
por el Mtodo de Prueba de Desgaste ASTM G65. Esta prueba consiste en colocar arena
estufada entre la parte sometida a prueba y una rueda de caucho rotatoria. El resultado
ofrece la comparacin de peso y volumen perdido.
Incrustaciones de bolillas de alto grado, de diamantes naturales, se combinan con los
nuevos aglomerados de carburo de tungsteno puro sinterizado, formando el componente del
Revestimiento TECH2000 de Diamantes.
Las pruebas de laboratorio hechas para evaluar el desgaste y la resistencia al choque, han
demostrado que el mejoramiento de este nuevo revestimiento est respaldado por los
resultados obtenidos en las corridas de las brocas. Las lneas de brocas PSF y MPSF estn
diseadas con un 50% ms de revestimiento en el flanco de la cresta, y la excelente
proteccin al calibre gage ha producido brocas con significantes beneficios en las operaciones de perforacin, manteniendo la configuracin apropiada de los dientes a travs
de la mayor parte de la vida de la broca.
Filas de Doble Rompiente
Las filas de rompientes de insertos ayudan al mantenimiento del calibre gage de la broca,
previniendo el desgaste y fallo prematuro del rodamiento. Security DBS est suministrando
especficos tipos de brocas con doble fila de insertos rompientes, aumentado as
sustancialmente la resistencia al desgaste en el rea del calibre gage y la integridad de
toda la estructura de corte.
Garras de Diamantes en Rompientes de Insertos
Con la incorporacin de los rompientes de insertos con garras de diamantes, Security DBS
est desarrollando una nueva lnea de productos, con mejoras que ayudan al mantenimiento
del calibre gage de las brocas en la mayor parte de su vida til, mediante la accin cortadora de sus afilados bordes y garras. Para operaciones donde el mantenimiento del
calibre gage es un problema, esta caracterstica ayudar a mejorar la durabilidad de la vida de la broca.
Rodamientos/Diseos del Sello
La mejora de los sistemas de rodamientos y sellos de las brocas ha sido constante, tanto
para los rodamientos de rodillos como para los de friccin. Varios diseos que pueden ser
usados con efectividad en aplicaciones de alta velocidad o con aumento de peso se
encuentran ahora en el mercado.
Las brocas de insertos con rodamientos de bujes premium de Security DBS ofrecen la caracterstica del buje patentado de PM (metal pulverizado), que ofrece contacto directo
cono-mun, permitiendo a los rodamientos soportar el aumento de peso. Estos bujes estn
infiltrados con polvo de plata, sirviendo la plata como un lubricante slido para prevenir el
agarrotamiento del mun dentro del cono. La plata tiene un bajo coeficiente de friccin, lo
cual ayuda a prevenir el agarrotamiento y a disminuir la cantidad de friccin inducida por el
calor.
Doble Sello
El uso de brocas de conos mviles para trabajos direccionales y con motores de fondo y
turbinas ha tenido como resultado el desarrollo y mejoras de los diseos de rodamientos.
Las brocas de Security DBS utilizan rodamientos de dos sellos en vez de uno, para asegurar
la proteccin de los mismos. El sello exterior previene que el material abrasivo pueda
penetrar en el sello interior, el cual est colocado en una ranura de proteccin en el cono,
para mantener eficazmente el lubricante dentro de la broca. El sello exterior est colocado
para sellar axialmente, mientras que el interior lo est para sellar radialmente. El Sello
Hidrodinmico (HDS) es usado para el sello interior. Las caractersticas de este sello es un
diseo patentado en forma de onda que lubrica la interfase entre el sello y el buje. Las
fuerzas de configuracin fuerzan el lubricante a travs de la superficie del sello a una tasa
controlada, permitiendo a ste correr suavemente y ms fro y durar ms. El lado exterior
del sello presenta la caracterstica de una rampa de exclusin, para
Proteger las reas de sellaje. Esta posibilidad de doble sellaje asegura que se mantenga en
todo tiempo un sellaje efectivo, an cuando la broca se est corriendo en un hoyo de gran
ngulo con un motor de fondo.
Sistema Hidrulico
Con la introduccin de la primera broca con boquillas de chorro al final de la dcada de
1940, se reconoci el tremendo efecto que la hidrulica tiene en el rendimiento de las
brocas. Desde entonces la hidrulica de brocas ha llegado a ser una ciencia en s misma. Ha
habido varios hechos importantes en el diseo hidrulico de las brocas los cuales han
aumentado su rendimiento.
Chorros Centrales
Estos estn instalados en el rea de la cpula de la broca para ayudar a prevenir problemas
de embolamiento en las formaciones blandas o a altas tasas de penetracin. Las boquillas
de chorro central se instalan mayormente en brocas estndar o de rodamientos sellados, con
dientes de acero para formaciones blandas, y tambin se recomiendan en todos las brocas
de boquillas largas o extendidas.
Chorro Central Difusor
Esta caracterstica enfatiza la limpieza de la estructura de corte sin perder el contraflujo
hidrulico, lo que reduce drsticamente el derrumbe y erosin de la punta de lanza del
cono. La boquilla de chorro central, debido uso al de una salida cnica, permite que el flujo
del caudal pase a travs del orificio y se esparza a toda la nariz de la estructura de corte.
Nueva ERA (New ERA Enhanced Return Area)
Este producto ofrece un rea de retorno mejorada para la remocin del recorte. El rea
abierta entre los conos y el rea de la cpula en combinacin con un cuerpo de broca
apropiado, aumenta significativamente las reas de circulacin de los fluidos, reduciendo
as el estancamiento de los mismos. Las rampas del faldn facilitan el levante del recorte
del fondo del pozo. Una excelente geometra del fluido se logra con huecos de boquillas
ms grandes y pasajes directos de flujo.
Mini Boquillas Alargadas
Estas boquillas tienen los oficios ms cerca del fondo del pozo. El efecto hidrulico:
velocidad de chorro mejorada y caballaje hidrulico. El resultado es una limpieza mejorada
del fondo del hoyo.
Diseo para Aplicaciones Especiales
Muchas brocas de conos mviles para aplicaciones especiales se han desarrollado y
mejorado con el paso de los aos. Por ejemplo, los siguientes diseos son usados
corrientemente en variedad de aplicaciones especiales.
Bloque Estabilizador
Los bloques estabilizadores para los brazos fueron creados para proporcionar estabilidad
adicional a las brocas y proteccin al faldn, en todas las aplicaciones de perforacin. Los
bloques estabilizadores son ms efectivos en hoyos direccionales u horizontales, donde las
fuerzas de carga lateral sobre la broca pueden resultar en un prematuro fallo, debido al
desgaste incrementado del faldn.
Brocas para Perforacin Horizontal
Security DBS ha creado diseos de estructuras de corte y de proteccin de los brazos que
ofrecen soluciones mediante la estabilizacin de las cargas laterales de la broca, cuando se
perforan hoyos direccionales u horizontales. La combinacin de endurecimiento del rea de
rompiente del cono, la proteccin de insertos en los brazos y el faldn, ms la adicin de
bloques estabilizadores de proteccin en unin con una mejor relacin de contacto hoyo/
broca hacen que estas brocas sean muy propias para perforaciones
direccionales/horizontales.
References:
1. Trabajo SPE 16696, Roller Bit Model With Rock Ductility and Cone Offset, (Modelo de broca de conos mviles con ductibilidad de roca y conos Exentricos),1987, Dallas, TX,
W.J. Winters, T.M. Warren, y E.C. Onyia, Amoco Production Co.
2. Trabajo SPE/AIME 3717, Selecting the Proper Rotary Rock Bit (Seleccin de la broca rotatoria adecuada),1971, Jack C. Estes, Amoco Production Co.
3. Trabajo SPE, Full-Scale Experiments on Jets in Impermeable Rock Drilling (Amplio estudio de experimentos sobre chorros en la perforacin rocas impermeables), 1963, New
Orleans, LA., R. Feebsttra y J.J.M. Van Leeuwen.
4. Trabajo ASME Enhanced Return Areas Improve Dynamics and Rock Bit Performance
(Aumento de reas de retorno mejora la dinmica y el desempeo de las brocas), 1995,
Dallas, TX, Alan Huffstuler.
Introduccin:
Sistema de Cdigo IADC, Nomenclatura,
Caractersticas y Beneficios
En 1987 la Asociacin Internacional de Contratistas de Perforacin (IADC) adopt un
nuevo sistema de clasificacin para brocas de conos mviles basado en el sistema del
cdigo existente. Esta nueva clasificacin usa una letra que se aade al cdigo estndar
IADC de tres dgitos. El cdigo de cuatro caracteres que resulta describe mejor la broca y
cualquier caracterstica opcional que se le aada.
Sistema de Cdigo IADC para Brocas de Conos Mviles
En el cdigo estndar IADC, los primeros tres caracteres son numricos y se usan para
designar o identificar el tipo de broca por fabricante en el cuadro de clasificacin. Estos tres
primeros caracteres representan la serie de la broca, tipo y diseo de los
rodamientos/calibre gage. Por ejemplo, para el primer carcter de las series 1-3 las brocas son de dientes de acero, mientras que para las series 4-8 son de insertos. El segundo
carcter del cdigo es el tipo y va del 1-4, indicando aumento de la dureza dentro de la
serie. El tercer carcter del cdigo denota el diseo del rodamiento/calibre gage y se codifican del 1-7 basados en lo siguiente:
1 - Rodamiento no sellado de rodillos estndar
2 - Rodamiento de rodillos enfriado por aire
3 - Rodamiento no sellado de rodillos con calibregage protegido 4 - Rodamiento sellado de rodillos
5 - Rodamiento sellado de rodillos con calibre gage protegido 6 - Rodamiento sellado de friccin
7 - Rodamiento sellado de friccin con calibre gage protegido
El siguiente cdigo de letras es usado como el cuarto carcter para indicar caractersticas
adicionales de diseo. Si la broca tiene ms de una caracterstica adicional, entonces se usa
la letra del cdigo para designar la caracterstica principal o se usan dos o ms letras del
cdigo.
A - Aplicacin con aire
B - Sello especial del rodamiento
C - Chorro central
D - Control de desviacin
E - Boquillas con tubos alargados
G - Proteccin extra calibre gage/cuerpo H - Aplicacin horizontal/direccional
J - Deflexin de Chorro
L - Asiento estabilizador
M - Aplicaciones con motor
S - Modelo estndar de dientes de acero
T - Broca de dos conos
W - Estructura de corte aumentada
X - Inserto en forma de cincel
Y - Inserto en forma cnica
Z - Insertos de otras formas
Ejemplos de Cdigo IADC
Una broca de Security DBS de dientes de acero sellada, diseada para formaciones blandas,
es la S33SF. El cdigo IADC para esta broca es el 116S.
1 - Serie 1
1 - Tipo 1
6 - Rodamiento de friccin sellado
S - Modelo de dientes de acero estndar
Si esta broca S33SF est equipada con boquillas extendidas, entonces el cdigo IADC sera
116E.
Una broca de Security DBS para formaciones blandas de insertos y rodamientos de friccin
con los insertos en forma de dientes es la S82F. El cdigo IADC para la S82F es 437X.
4 - Serie 4
3 - Tipo 3
7 - Rodamiento de friccin con calibre gage protegido X - Insertos en forma de cincel
Si esta S82F est equipada con boquillas de tubos alargados y bloques estabilizadores en el
calibre gage, entonces el cdigo IADC sera 437E o 437EL. Las boquillas alargadas son la principal caracterstica.
Disponibilidad de Brocas
No todos los tipos de brocas estn disponibles necesariamente en todos los tamaos. El
siguiente cuadro de clasificacin ofrece una comparacin general entre los cuatro
principales fabricantes de brocas
Seguridad DBS nomenclatura
Normas de Seguridad de DBS nomenclatura poco de rock consta de cuatro categoras
diferentes:
XN - representa brocas de diente no selladas
XT - representa el sello de doble rodillo de dientes que lleven o insertar la broca con
marcos convencionales, superior a 12-1/4 "de dimetro
XS - representa sellado diente friccin en los cojinetes o insertar las brocas con marcos
convencionales, menos o igual a 12-1/4 "de dimetro
Brocas de acero del diente
Brocas de acero del diente se designan numricamente del 1 al 5, siendo 1 el ms suave y 5
siendo la ms difcil.
Por ejemplo, un XS1 sera un poco la formacin del diente muy suave, 117 del cdigo CID.
Un XT4 sera un poco la formacin del diente medio, 125S cdigo CID.
Insertar Brocas
Insertar brocas se designan numricamente 00 a 99, siendo 00 el ms blando y 99 siendo el
ms difcil. Adems, la nomenclatura que terminan en nmeros pares (por ejemplo, 24)
designara un cincel de insercin y los que terminan en nmeros impares (por ejemplo, 45)
designara un inserto de forma cnica o semiesfrica.
Por ejemplo, una XS32 sera una formacin suave a medio, cincel broca de insercin,
mientras que una XS73 sera una formacin dura, broca de insercin cnica.
Caractersticas adicionales
La siguiente lista de prefijos y sufijos significa otra norma y caractersticas especiales de la
broca
Caracterstica Descripcin Ejemplo
Corte Variante Estructura
C Ua de dientes XSC1
D Corte de estructura de diamante activo XSD20
Alfa caracterstica (s)
A Aire aplicacin XT55A
D Lnea de superficie de diamante XS20D
C Centro de reaccin en el marco estructural XT22C
L Levar almohadillas en el marco estructural XS33L
LD Insertar Diamante estirn de almohadillas XS71LD
G La lnea del calibrador no es estndar XT63G
S Soldadura del faldn de recarga mejorado XS45S
SS Soldadura del faldn de recarga mejorado con inserciones XS71SS
No S or SS faldn estandarizado XS24
Caractersticas y Beneficios de las Brocas de Conos Mviles de SecurityDBS
La lnea completa de brocas de conos mviles de Security DBS ofrece una amplia variedad
de caractersticas y beneficios, los cuales se detallan a continuacin:
Insertar una broca estndar de carburo de tungsteno
Formas nicos para insertar , aprovechar al
mximo la accin de perforacin en las brocas
y el medidor explotacin capacidad de lograr
intervalos ms largos de perforacin.
Grado especial de carburo para una erosin
ptima y resistencia al impacto para extender
la vida de perforacin de cada inserto
Mejoracin de diamantes opcional para la
proteccin de un calibre mayor.
Soldadura de faldn completa para maximizar
la resistencia a la erosin para proteger el
sello de cono.
Sistema de lubricacin sellado con presin-
compensacin para una vida mas larga del
sello.
Carburo de tungsteno boquillas de chorro en
su lugar por el sistema de retencin de clavos
de bloqueo para la optimizacin de la potencia
hidrulica y ROP ..
Precisa alineacin del brazo junto con la
soldadura electrnica de cabeza para la fuerza
mxima y la integridad.
Caractersticas de la Serie X de productos
Contenedor de rodaje del rodillo
Reduce el movimiento lateral del cono manteniendo
Los rodillos dentro del canal de rodaje. Esto disminuye los fallos por desalineacin de los
rodillos. Los rodillos que no estn ubicados debidamente en la ranura de rodaje o son
demasiado largos, tienen mayores posibilidades de falla por sesgado o flexin.
Total encapsulado con revestimiento
Todas las brocas SS/MM de dientes de acero tienen revestimiento en las cuatro caras y en
la cresta del diente. Para mxima resistencia al desgaste, el revestimiento est compuesto
por una mezcla especial que combina tamao, forma y composicin del carburo de
tungsteno. Hay insertos prensados en la cara de la fila exterior de la estructura de corte,
minimizando el desgaste en esta crtica zona. La proteccin al calibre gage G es estndar en todas las brocas para motores de Security DBS.
Exclusivas formas de insertos significa mayor resistencia al desgaste
Las estructuras de corte de insertos usan las formas adecuadas de los insertos y el grado de
carburo de tungsteno, para asegurar
una mayor resistencia al desgaste y a la fuerza compresiva. En todas las brocas para
motores, Security DBS evala la relacin entre nmero de insertos, extensin y forma, para
una vida ms larga de la broca y mayor velocidad de penetracin (ROP). El diseo de
insertos ultra blandos ha reemplazado marginalmente las aplicaciones de brocas con dientes
de acero.
La durabilidad del faldn mejorado aumenta la proteccin del sello
Todas las brocas de las series SS/MM tienen reforzado el faldn con un revestimiento de
carburo de tungsteno e insertos prensados. Una aplicacin ms amplia y gruesa de
revestimiento exclusivo se aplica al borde y cara exterior del faldn . Esto le proporciona
mxima proteccin contra desgaste por abrasividad de las formaciones duras, aumentando
la vida del sello.
Estabilizador de almohadillas
Almohadillas brazo estabilizador fueron desarrollados para proporcionar la estabilidad y la
proteccin bit adicional faldn de la camisa en todas las aplicaciones de perforacin. Las
almohadillas de los estabilizadores ms eficaz en los pozos direccionales y horizontales,
donde las fuerzas de carga lateral en la broca puede ocasionar insuficiencia poco prematuro
debido al desgaste mayor faldn de la camisa. Cualquiera de carburo de tungsteno o de
diamante pactos se puede aadir a la superficie de la almohadilla usar retrasar an ms.
Caractersticas Especiales Diseo de aplicaciones
Hay muchas caractersticas en las brocas de conos mviles que se han desarrollado y
mejorado con los aos. Algunas de ellas se relacionan a continuacin:
Capa de revestimiento en los conos
Estos estn colocados dentro del rea de la bveda de la broca para ayudar a prevenir los
problemas de embolamiento en formaciones blandas o a altas tasas de penetracin.
Capa de revestimiento en los conos
Una capa de revestimiento por el proceso de gas caliente ionizado se aplica para endurecer
la concha del cono contra la erosin. Las brocas con esta capa en sus conos soportan tasas
de penetracin ms rpidas e intervalos de perforacin ms prolongados.
Configuracin de la fila rompiente del cono
Numerosas variaciones para colocar filas de rompientes de compactos planos de carburo de
tungsteno o de diamante mejorado en la cara posterior del cono, se han hecho para mejorar
la resistencia del calibre gage. Esto mantiene la integridad del dimetro del hoyo y el
sello por perodos prolongados. En formaciones muy duras los tipos de brocas de doble fila
de rompientes, han sido utilizadas para disminuir el efecto de redondeo del calibre gage
que se experimenta en muchos intervalos abrasivos.
Referencias:
1. Trabajo IADC/SP 23937, The IADC Roller Cone Bit Classification Systems (Sistema de clasificacin del IADC para brocas de conos mviles)
2. Tabla Comparativa IADC, Marketing Service Group, Dallas, TX. Cdigo de Pedido No.
6332-6
3. Catlogo de Security DBS (Productos de la Compaa y Caractersticas), Marketing
Services Group, Dallas, TX, Cdigo de Pedido No. 10M/4/95
4. Folleto Security DBS PSF/MPSF with Diamond Tech2000 Harfacing (PSF/MPSF con revestimiento Tech2000), Marketing Service Group, Dallas, TX, Cdigo de Pedido No. 7.5
JE1008-WL
5. Folleto Security DBS New Era Bits (Brocas de la Nueva ERA), Marketing Service Group, Dallas, TX, Cdigo de Pedido AF 1010-WM
6. Trabajo ASME Enhanced Return Areas Improve Dynamics and Rock Bits Performance, 1995, Dallas, TX, Alan Huffstutler 7. Folleto Security DBS Motors Bits (Brocas para motores), Marketing Service Group,
Dallas, TX, Cdigo de Pedido No. 5M/2/95-WM