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CAPÍTULO 1
PROGRAMA DE POZO
CARRERA DE GAS Y PETRÓLEO
PERFORACIÓN II PER-500
Centro de Formación Profesional Brasil-Bolivia
Septiembre, 2014
Ing. Dayna Rodriguez Zambrano
INDICE
1. PROGRAMA DE BARRENAS .................................................................................. 1
1.1. Tipos de Barrenas .............................................................................................. 1
1.1.1. Barrenas de Cortadores Fijos ...................................................................... 1
1.1.1.1. Barrenas PDC (Compuesto Policristalino de Diamante) ....................... 1
1.1.1.2. Barrenas de diamante natural ............................................................... 2
1.1.1.3.Barrenas TSP (Compuesto Policristalino de Diamante Térmicamente
Estable) ................................................................................................................. 4
1.1.1.4. Barrenas Impregnadas de Diamante ..................................................... 4
1.1.2. Barrenas tricónicas ...................................................................................... 5
1.1.2.1. Barrenas con Dientes de Acero ............................................................. 7
1.1.2.2. Barrenas con Insertos de Carburo de Tungsteno .................................. 7
1.2. Selección de Barrenas ....................................................................................... 8
2. PROGRAMA HIDRÁULICO ..................................................................................... 9
2.1. Recomendaciones para el diseño hidráulico ........................................................ 9
3. SELECCIÓN DEL EQUIPO DE PERFORACIÓN ................................................... 10
3.1. Profundidad del pozo ........................................................................................ 10
3.2. Lugar de Ubicación del Pozo ............................................................................ 10
3.2.1. Onshore ..................................................................................................... 10
3.2.2. Offshore ..................................................................................................... 10
4. TIEMPOS ESTIMADOS DE LA PERFORACIÓN ................................................... 11
5. COSTOS DE LA PERFORACIÓN .......................................................................... 11
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CAPITULO I
PROGRAMA DE POZO
1. PROGRAMA DE BARRENAS
Durante la planeación de un pozo; se deben seleccionar los tipos de barrenas a usarse
de acuerdo a las características de la formación y al diseño actual que se tenga. Hoy en
día existen diversos tipos de barrenas para la perforación de un pozo.
La selección de las barrenas de perforación es un aspecto crucial para la operación de
todos los proyectos de perforación.
Entender los diferentes tipos de barrenas y sus respectivas aplicaciones es un
prerrequisito para hacer la selección de barrenas.
1.1. Tipos de Barrenas
En la actualidad existen diversos tipos de barrenas para la perforación de pozos que
difieren entre sí, ya sea en su estructura de corte o por su sistema de rodamiento. Las
barrenas se clasifican en:
Barrenas de cortadores fijos
Barrenas tricónicas
1.1.1. Barrenas de Cortadores Fijos
Las barrenas de cortadores fijos no poseen partes móviles, sino superficies cortantes
para desgastar, y pueden perforar rápidamente durante largos períodos en ciertas
condiciones.
Las barrenas de cortadores fijos cuestan más, pero perforan más rápidamente y duran
más que las barrenas de conos giratorios en algunas formaciones duras y abrasivas.
1.1.1.1. Barrenas PDC (Compuesto Policristalino de Diamante)
Estas barrenas se construyeron sobre la base de la tecnología de General Electric, que
permitió que los diamantes sintéticos se adhirieran al carburo de tungsteno.
Las barrenas de PDC son más adecuadas para formaciones que van de blandas a
duras, con baja a alta abrasividad.
Los cortadores de PDC están formados por una capa de partículas de diamante
sintético, o tabla de diamante, adherida sobre un substrato más grueso de carburo de
tungsteno. El cobalto forma un enlace con el substrato para formar compactos
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integrales que con frecuencia se adhieren a refuerzos más largos de carburo
cementado para el montaje.
Figura 1. Barrena PDC
Al ser calentado, el cobalto se expande más que el diamante. A 1292°F [700°C] esta
expansión quiebra el enlace entre el cobalto y el diamante, de modo que los cortadores
de PDC deben permanecer por debajo de esta temperatura a fin de evitar la falla.
Estas barrenas perforan rápido debido a la acción de corte que ejercen, lo que requiere
menos energía que las grandes cargas que ocasionan fallas por compresión en las
formaciones. Perforan rápidamente cortando las formaciones en forma muy similar a
como lo hace un torno.
Figura 2. Acción de perforación de las barrenas PDC
1.1.1.2. Barrenas de diamante natural
El diamante, el material más duro conocido por el hombre, es carbón cristalino casi
puro. Es 10 veces más duro que el acero, 2 veces más duro y 10 veces más resistente
al desgaste que el carburo de tungsteno, y 20 veces más resistente a la compresión
que el granito. Además, entre todos los materiales conocidos, el diamante tiene el más
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bajo coeficiente de fricción y la más alta conductividad térmica. Las barrenas de
diamante natural utilizan diamante industrial (no de la calidad del de las joyas)
proveniente de rocas naturales, que son trituradas y procesadas para producir tamaños
específicos y formas redondeadas regulares. Las velocidades de penetración son
relativamente bajas (aproximadamente 20 pies/hr [6 m/hr], como máximo), pero una
barrena de diamante diseñada adecuadamente puede durar hasta 6 días a 15,000 pies
[4572 m], en formaciones que van de semiduras a duras.
Las barrenas de diamante y el tamaño de los diamantes se ajustan a la dureza de la
formación. Las barrenas para formaciones más blandas utilizan diamantes grandes
para producir hendiduras. Los diamantes pequeños producen más una acción de
pulverizado y se utilizan para perforar formaciones duras.
Figura 3. Barrena de diamante natural
Las barrenas de diamante natural son barrenas de arrastre que perforan ranurando.
Figura 4. Acción de perforación de las barrenas de diamante natural
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1.1.1.3. Barrenas TSP (Compuesto Policristalino de Diamante Térmicamente
Estable)
Para ayudar a superar la limitación a la temperatura de las barrenas PDC, los
diamantes policristalinos termalmente estables, (TSP, por sus siglas en Inglés) se
producen tratando con ácido los nuevos diamantes sintéticos con el fin de extraer el
cobalto. Los cortadores de TSP permanecen estables a 2100° F [1150°C], pero son
mantenidos en su lugar en forma mecánica debido a que ellos no pueden permanecer
adheridos directamente a los soportes.
Para formaciones blandas con filones delgados duros, estas barrenas se complementan
con elementos de corte triangulares o cúbicos TSP para incrementar la agresividad.
Figura 5. Barrena TSP
1.1.1.4. Barrenas Impregnadas de Diamante
En el pasado, el uso de las barrenas impregnadas de diamante se limitaba a la
perforación de formaciones duras y abrasivas con turbinas de alta velocidad. Durante
los últimos años, el rango de las aplicaciones se amplió a arenas interestratificadas,
lutitas (esquistos), carbonatos y carbón, así como también a rocas ígneas,
metamórficas y conglomeradas perforadas en forma direccional con motores de fondo.
Debido a que las barrenas impregnadas se utilizan también en formaciones
interestratificadas, se ha incrementado la demanda de las estructuras de corte más
agresivas.
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Figura 6. Barrenas de diamante impregnado
Las barrenas impregnadas de diamante perforan lentamente pulverizando (trituran las
formaciones como una rueda abrasiva o lija), lo que hace que requieran una gran carga
sobre la barrena y altos esfuerzos de torsión (torque).
Figura 7. Acción de perforación de las barrenas impregnadas de diamante
1.1.2. Barrenas tricónicas
Las barrenas de conos giratorios poseen conos de metal que giran en forma
independiente al mismo tiempo que la barrena rota en el fondo del hueco. Cada uno de
los conos cuenta con estructuras cortantes (dientes de acero resistentes al desgaste o
insertos de carburo de tungsteno) que cortan y trituran, o penetran y rompen como si
fuesen cinceles o palas, dependiendo de la dureza de la formación.
Uno de los componentes más importantes de los trépanos tricónicos son los cojinetes.
Los cojinetes son ejes o estructuras similares a un eje alrededor de las cuales giran los
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conos. El desplazamiento o ángulo de excentricidad del cono, es una medida de cuánto
se inclinan los cojinetes para que el eje de cada cono no se cruce en el centro de la
barrena.
Figura 8. Trépano con protección al calibre y cojinetes sellados
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Existen dos tipos de estructuras cortantes en los conos giratorios: los fabricados con
dientes de acero, fundidos o forjados integralmente con bordes de compuestos de
carburo resistentes al desgaste, y los insertos de carburo de tungsteno formados por
separado y colocados a presión en agujeros perforados con precisión en las superficies
de los conos.
1.1.2.1. Barrenas con Dientes de Acero
Las barrenas con dientes de acero se utilizan en formaciones blandas con baja
resistencia a la compresión, así como también en formaciones semiduras o duras con
mayor resistencia a la compresión.
Las formaciones blandas permiten dientes filosos y largos para penetrar y remover el
material mediante el acanalado y raspado de la roca.
Los conos y los cortadores de dientes fresados, se forjan de barras de acero laminadas
en caliente. El tratamiento térmico endurece las cavidades de los cojinetes. Estas
formas coniformes se realizan forjando contornos y un agujero rústico, seguidos de un
fresado detallado complejo de cada uno de los dientes en forma individual.
Figura 9. Barrenas con dientes de acero
1.1.2.2. Barrenas con Insertos de Carburo de Tungsteno
Las barrenas de insertos se utilizan para perforar formaciones que van de blandas y
semiduras, a duras semiabrasivas y duras abrasivas.
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Los insertos de carburo de tungsteno, introducidos en 1951, son de gran ayuda para la
perforación de rocas duras. Los insertos de carburo, son más duros y más resistentes
al desgaste que el mejor acero, y pueden perforar largos intervalos antes de
desgastarse.
El carburo de tungsteno se suelda manualmente en cada diente para incrementar la
resistencia al desgaste. Para las barrenas de insertos, los insertos de carburo
cementado se sinterizan1 y se colocan a presión en agujeros ligeramente más
pequeños que los insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos. Las
piezas de sujeción y los conos se ensamblan y sueldan.
Figura 10. Barrenas con insertos de carburo de tungsteno
1.2. Selección de Barrenas
Se seleccionarán de acuerdo a dos parámetros fundamentales: a la velocidad de
perforación deseada y a la resistencia de las formaciones a la compresión.
1 La sinterización consiste en el calentamiento del metal pulverizado hasta que el aglutinante del metal se
funde, originando la densificación y el encogimiento a la vez que se mantiene el contorno o perfil preformado.
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Figura 11. Espectro para la Aplicación de las Barrenas
2. PROGRAMA HIDRÁULICO
El objetivo principal en el diseño del programa hidráulico es:
Incrementar la velocidad de penetración, derivada de la efectiva limpieza en el
fondo del agujero.
Evitar o disminuir la erosión excesiva de las paredes del agujero y no provocar
derrumbes o deslaves.
Control en las pérdidas de presión en el sistema de circulación para evitar
variaciones de presión en el agujero por la densidad equivalente de
circulación, limitar la presión disponible en la barrena y los HP hidráulicos
para la circulación.
2.1. Recomendaciones para el diseño hidráulico
Seleccionar la presión de trabajo o de bombeo de acuerdo a sus limitaciones en la
superficie o considerando el criterio hidráulico que se desea aplicar, por ejemplo:
Si su pérdida de presión por fricción en la sarta de perforación y por fuera de ella
es de 85 kg/cm2, entonces se puede aplicar a la barrena una presión de 82
kg/cm2, para estar dentro del impacto hidráulico y tener una presión de bombeo
de 1 a 7 kg/cm2
Si la caída de presión es de 130 Kg/cm2 y por limitaciones en la superficie, se
puede tener una presión de bombeo de 210 Kg/cm2 se proporcionará la
diferencia a la barrena de 80 Kg/cm2 para buscar otros párametros hidráulicos.
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El cálculo de la caída de presión por fricción es considerada hasta donde se requiere
terminar de perforar con el programa hidráulico propuesto, puede ser cada 500 o 700
m.
3. SELECCIÓN DEL EQUIPO DE PERFORACIÓN
Para la selección del equipo se deben tomar en cuenta los siguientes factores:
3.1. Profundidad del pozo
A mayor profundidad, mayor peso que deberá soportar la estructura, es por eso que se
requerirá de torres de mayor tamaño y motores con mayores potencias.
Equipo Tipo de pozo Profundidad Potencia
Equipo pequeño Pozo somero 0 – 2000 m 750 HP
Equipo mediano Pozo mediano 2000 – 4000 m 2000 HP
Equipo grande Pozo profundo 4000 – 6000 m 2000 – 2500 HP
Equipo extragrando Pozo extraprofundo >6000 m >2500 HP
3.2. Lugar de Ubicación del Pozo
3.2.1. Onshore
Se refiere a todos los equipos de perforación que se encuentran en tierra firme.
Figura 12. Traslado de un equipo de perforación onshore
3.2.2. Offshore
Se refiere a todos los equipos de perforación que se encuentran costa afuera:
plataforma fija, sumergibles, equipos semisumergibles, barcazas, autoelevables, etc.
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Figura 13. 1, 2) Plataformas convencionales fijas; 3) Plataformas de torre autoelevable;
4, 5) Plataformas flotantes tensionadas; 6) Plataformas Spar; 7,8) Plataformas semi-
sumergibles; 9) Plataformas en barcos perforadores; 10) Plataformas sustentadas en el
zócalo y unidas a instalaciones de extracción en el fondo marino
4. TIEMPOS ESTIMADOS DE LA PERFORACIÓN
Uno de los aspectos importantes en un programa de pozo es el tiempo estimado de
perforación del mismo y se puede calcular con la siguiente ecuación:
Donde:
L: Profundidad del pozo a perforar [pie]
f: Velocidad de penetración [mm/rev]
N: Velocidad de rotación [RPM]
5. COSTOS DE LA PERFORACIÓN
El costo del equipo de perforación por unidad de longitud perforada se estima mediante
la siguiente ecuación:
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Donde:
B: Costo del trépano [$us]
H: Costo horario del equipo [$us/hora]
TR: Tiempo de rotación [Horas]
TM: Tiempo de maniobra [Horas]
M: Avance por carrera [pie ó m]
CM: Costo de perforación por unidad de longitud [$us/pie] ó [$us/pm]