Uso correcto de las brocas tricónicas
Cómo la litología de la formación afecta la falla de la broca. La litología de la formación influye en el rendimiento de la perforación de múltiples maneras: afecta la velocidad de penetración y la longitud del pozo, puede generar problemas complejos como pérdida de circulación, arrebatos de presión, colapso del pozo y atascamiento de la tubería, altera el comportamiento del fluido de perforación y afecta la calidad del pozo (desviación del pozo y diámetros irregulares), lo que a su vez afecta la calidad de la cementación. Analizar la litología y su comportamiento de perforación es esencial para seleccionar la broca adecuada y determinar si su uso es razonable.
Arcillas, lodolitas y lutitas: Estas formaciones absorben fácilmente el agua libre del fluido de perforación y se expanden, lo que reduce el diámetro del pozo y crea resistencia a la penetración, lo que puede provocar el atascamiento de la tubería. La inmersión prolongada también puede causar desprendimiento y ensanchamiento del pozo, lo que resulta en colapso. Utilice agua dulce o lodo de baja densidad y baja viscosidad siempre que sea posible. Las lutitas carbonáceas tienen poca cohesión y son propensas al colapso. Las formaciones blandas y ricas en arcilla perforan rápidamente, pero son vulnerables al embolamiento de la broca.
Areniscas: Las propiedades de la arenisca varían considerablemente según el tamaño del grano, la composición mineral y el tipo de cemento. Los granos más finos, un mayor contenido de cuarzo y el cemento silíceo o rico en hierro endurecen la roca y la hacen más abrasiva, lo que aumenta el desgaste de la broca (p. ej., la arenita de cuarzo). Una mayor cantidad de cemento arcilloso, mica o feldespato ablanda la roca y facilita su perforación. Los granos más gruesos y una cementación deficiente aumentan la permeabilidad y el riesgo de pérdida de fluidos; se puede formar una torta de filtración gruesa en la pared, lo que causa adherencias pegajosas y problemas de atascamiento, lo que provoca un funcionamiento anormal de la broca.
Conglomerados: Perforar en conglomerados suele provocar rebotes, vibraciones y fallas en las paredes del pozo. Si la velocidad de bombeo es baja o la viscosidad del lodo es insuficiente, las partículas del tamaño de la grava no regresan fácilmente a la superficie; los recortes grandes pueden dañar los conos y dientes de la broca.
Calizas: Típicamente duras, con penetración lenta y metraje limitado. Muchas calizas desarrollan fracturas, cavidades y cavidades; su contacto puede causar el estancamiento de la broca, socavones, pérdida de circulación y, ocasionalmente, golpes de ariete o reventones. La caliza afecta considerablemente la penetración, la velocidad mecánica y el desgaste de la broca. La alternancia de capas duras y blandas (por ejemplo, lutita intercalada con arenisca dura) y las formaciones con buzamiento pronunciado aumentan la probabilidad de desviación del pozo; el daño de la broca es más probable al perforar pozos muy desviados. Las capas de sales solubles (yeso, halita, etc.) pueden degradar las propiedades del lodo y afectar el rendimiento normal de la broca.
Parámetros de perforación y sus efectos. Los parámetros de perforación controlables clave en el proceso de perforación son el peso sobre la broca (WOB), la velocidad de rotación (RPM) y la tasa de circulación del lodo. Estos parámetros deben seleccionarse en función de las condiciones de la formación, el tipo de broca, las capacidades del equipo de perforación y la habilidad del operador. Los parámetros de perforación se clasifican comúnmente en:
Parámetros de perforación optimizados: aquellos que consiguen el mejor resultado económico en condiciones determinadas.
Parámetros de perforación agresivos (o mejorados): valores superiores a lo normal para lograr mayores tasas de penetración.
Técnicas especiales de perforación: métodos específicos o conjuntos de parámetros restringidos utilizados para objetivos particulares.
La elección de diferentes parámetros requiere diferentes tipos de brocas; las brocas fallan por diferentes mecanismos en diferentes condiciones de perforación y deben tratarse en consecuencia.
2.1 Efecto del peso sobre la broca (WOB). El WOB es la condición esencial para la rotura de roca en la cara de la broca. La magnitud del WOB determina el modo y las características de la rotura de roca, y afecta directamente la velocidad de penetración y el desgaste de la broca. Bajo carga axial y par de rotación, los dientes de corte se desgastan, se desafilan o fallan al presionar y cizallar la roca, lo que obviamente afecta la penetración. A medida que aumenta el WOB, la penetración generalmente aumenta, pero los cojinetes y los dientes de corte se desgastan más rápido, lo que a su vez afecta la penetración. La relación entre el WOB y la penetración cambia a través de tres etapas distintas:
Etapa de fractura superficial: Cuando el WOB es menor que la dureza de indentación de la roca, los dientes de corte no pueden penetrar, sino que solo erosionan la superficie. El desgaste es alto y la penetración es baja, aunque la penetración aumenta proporcionalmente al aumentar el WOB.
Etapa de fractura por fatiga: cuando el WOB se acerca a la dureza de indentación de la roca, la acción repetida de los dientes genera muchas grietas superficiales y se produce una fragmentación progresiva incluso sin una penetración completa.
Etapa de fracturación masiva: Cuando el WOB supera la dureza de indentación de la roca, los dientes penetran y producen fracturación masiva; la perforación se vuelve eficiente y este es el régimen normal de perforación. Por lo tanto, el WOB aplicado debe ser suficiente para permitir que los dientes penetren y produzcan fragmentación masiva.
La duplicación del WOB en pruebas con brocas tricónicas mostró que las diferentes rocas responden de manera diferente: las rocas semiduras (clases de roca 6-7) presentan el mayor aumento de velocidad de penetración; las rocas más blandas (clases 4-5) y más duras (clases 8-9) muestran aumentos menores. Perforar formaciones blandas adhesivas puede causar la formación de puentes de lodo y el atascamiento de la broca, por lo que el WOB debería ser relativamente bajo. En formaciones altamente abrasivas, un WOB insuficiente provoca un desgaste prematuro de la broca, por lo que debería aumentarse según corresponda. Al encontrar formaciones fracturadas, el rebote de la broca es común y debería reducirse el WOB para evitar la rotura o el desprendimiento de los dientes. Por lo tanto, el WOB es un parámetro crítico que debe equilibrar la penetración suficiente de los dientes con la minimización del desgaste de los mismos.
2.2 Efecto de la velocidad de rotación (RPM). La velocidad de rotación mide la velocidad de rotación de una broca de un diámetro determinado. Dado que el comportamiento de rotura de roca y la influencia del WOB varían con la dureza de la roca, el efecto de las RPM en la rotura de roca y la penetración mecánica debe tener en cuenta factores como la litología y el tiempo de rotura.
RPM en formaciones blandas: En formaciones blandas, altamente plásticas y de baja abrasión (p. ej., lechos arcillosos), el espesor de la viruta es igual a la profundidad de penetración del diente y el desgaste es mínimo. Con el WOB constante, las RPM y la velocidad de penetración mecánica aumentan aproximadamente proporcionalmente.
RPM en formaciones semiduras y duras: En estas formaciones, la dureza de indentación y la abrasividad son mayores; los dientes se desgastan más rápidamente, el área de contacto aumenta y los tiempos de propagación de grietas y deformación se alargan. La penetración se ralentiza y se requiere un mayor WOB. Aumentar las RPM en formaciones duras puede prolongar el tiempo de rotura de roca por revolución, por lo que un exceso de RPM puede impedir la fractura completa antes de que los dientes se desacoplen, lo que reduce la penetración efectiva y acelera el desgaste. Por lo tanto, no se deben aumentar excesivamente las RPM en formaciones semiduras o duras.
Diferencias de RPM entre tipos de roca: Cada tipo de roca tiene una curva de respuesta característica y un límite de RPM. En arcillas, la velocidad de penetración aumenta proporcionalmente con las RPM; en rocas duras y altamente abrasivas, la penetración aumenta más lentamente con las RPM debido al mayor tiempo de rotura de la roca y a un límite de RPM más bajo; superar este límite puede, de hecho, reducir la penetración.
Los resultados de las pruebas realizadas al duplicar las RPM en brocas tricónicas muestran que, para una roca de grado 4 (p. ej., mármol), la tasa de penetración aumentó aproximadamente un 93 %, mientras que para un granito porfídico de grado 9, el aumento fue de tan solo un 28 %. Del grado 4 al 9, el aumento de la penetración con las RPM disminuye a lo largo de una curva. Por lo tanto, aumentar las RPM beneficia a las formaciones blandas de baja abrasión, pero ofrece una ventaja limitada en formaciones duras y altamente abrasivas.
