Tema Trepanos

Capacitación: Operador Perforación -2012 Tema: Trépanos

AUTOR: Ing. Cervera Jorge

Neuquén 2012

I-121

Incorporado a la Enseñanza Oficial

Trépanos

Operador de Perforación

2012

Autor: Jorge Cervera 2 de 18

I-121

INDICE

4. TREPANOS ............................................................................................................................... 3 Trépanos tricónicos ...................................................................................................................................................... 5 Acción de Corte de los Trépanos de Arrastre ............................................................................................................ 14 Trépanos de diamantes naturales (FIGURA 18) ....................................................................................................... 16

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4. TREPANOS El método rotatorio de perforación de un pozo implica invariablemente el empleo de un trépano. Es la herramienta clave para el ingeniero de perforación. Su correcta elección y la aplicación de las condiciones óptimas de operación son las dos premisas claves para un proceso exitoso. El trépano es la herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la columna perforadora y es el elemento básico responsable de la perforación, en realidad todo el equipamiento de perforación está a su servicio. Para perforar un pozo, los trépanos funcionan sobre la base de dos principios romper la roca venciendo sus esfuerzos de corte y compresión. El principio de ataque del trépano se realiza mediante la incrustación de los 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 del trépano y que vence la resistencia de la roca. De ahí es que se distinguen dos tipos de trépanos: de dientes y de arrastre. La forma de ataque depende del tipo de terrenos a perforar principalmente de acuerdo a la dureza de la roca. Estas consideraciones se tienen en cuenta en la selección de los trépanos. Por ejemplo, para rocas blandas, se utilizan trépanos de dientes donde el trabajo del trépano es paleado y escareado mientras que en formaciones duras es preferible el uso de trépanos de arrastre. Los trépanos se clasifican de la siguiente manera:

1. Trépanos tricónicos (FIGURA 1) a) De dientes de acero b) De insertos

Figura 1

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2. Trépanos de cortadores fijos (FIGURA 2) a) De diamante natural b) Trépanos compactos de diamante policristalino (PDC) c) De diamante policristalino térmicamente estable (TSP)

Figura 2

3. Trépanos especiales (FIGURA 3) a) Trépanos desviadores b) Trépanos monocónicos c) Trépanos especiales

Figura 3

Trépanos dediamantes naturales

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Trépanos tricónicos

En el primer caso los dientes están tallados en el mismo cono y en los de insertos los dientes son piezas de carburo de tungsteno sinterizado que se encuentran colocados a presión en el cuerpo del cono. (FIGURAS 4 y 5)

Figuras 4 y 5

A su vez, todos los trépanos de conos se clasifican según el tipo de cojinete que tengan. Pueden contar con cojinete de bolillas común, cojinete sellado o cojinetes sellados de fricción. (FIGURA 6)

Figuras 6

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Los trépanos de conos, constan de tres importantes componentes: la estructura de corte, los cojinetes y el cuerpo del trépano. (FIGURAS 7 y 8)

Figuras 7

Figuras 8

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Los elementos cortadores son los dientes de acero, maquinados sobre un cono básico de material (FIGURA 9) o los insertos de carburo de tungsteno, colocados a presión en la superficie del cono. Los cojinetes son de bolillas y rodillos o solo de bolillas, de cojinete sellado y de cojinete de fricción sellado.

Figuras 9 Todos los fabricantes de trépanos, especifican sus herramientas según los códigos dictados por la Asociación Internacional de Contratistas de Perforación (IADC). La misma tiene en consideración los tipos de formaciones a atravesar, el tipo y estructura del trépano (dientes fresados o insertos) y el tipo de cojinete del mismo. Según sus características, las formaciones son clasificadas por el IADC como: (FIGURA 10) Formaciones blandas, de baja compresión y alta perforabilidad, a veces plásticas y/o abrasivas.

• Formaciones medianas, formadas por intercalaciones de formaciones duras y blandas, de resistencia a la comprensión moderada.

• Formaciones duras, de alta resistencia a la comprensión, a veces plásticas abrasivas.

El código IADC consta de tres dígitos.

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CLASIFICACION DE LOS TREPANOS DEL IADC (International Association of Drilling Contractors)

Cojinetes de fricción sellados con protección de calibre

Cojinetes de fricción sellados

Cojinetes de bolillas sellados con protección de calibre

Cojinetes de bolillas sellados

Cojinetes de bolillas con protección del calibre

Cojinetes de bolillas enfriados por aire

Cojinetes de bolillas standard

1 2 3 4 5 6 71

1 2341

2 231

3 231

4 2341

5 2341

6 234

7 34

8 13

Dientes de acero

Blando

Dientes de acero

MedianoDientes de

acero Duro

Insertos Mediano

Insertos Duro

Insertos Muy duro

Insertos Muy blando

Insertos Blando

Figuras 10

• Primer dígito: identifica el tipo de estructura de corte y también el diseño de la estructura de corte con respecto al tipo de formación, como se relaciona a continuación:

1) Dientes fresados para formación blanda 2) Dientes fresados para formación media 3) Dientes fresados para formación dura 4) Dientes de insertos de carburo de tungsteno para formación muy blanda 5) Dientes de insertos carburo de tungsteno para formación blanda 6) Dientes de insertos de carburo de tungsteno para formación media 7) Dientes de insertos de carburo de tungsteno para formación dura 8) Dientes de insertos de carburo de tungsteno para formaciones muy duras

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• Segundo dígito: Identifica el grado de dureza de la formación que se perforará. Varía desde blanda a dura de acuerdo a la siguiente relación:

1) Para formación blanda 2) Para formación media blanda 3) Para formación medio dura 4) Para formación dura

• Tercer dígito: Identifica el sistema de cojinetes y lubricación del trépano en ocho clasificaciones de acuerdo a la siguiente relación:

1) Con toberas para inyección y cojinete no sellado 2) De toberas para aire y-o inyección con dientes de diseño en T y cojinete no

sellado 3) Cojinete no sellado y con protección en el calibre 4) Cojinete sellado autolubricante 5) Cojinete sellado y protección ene l calibre 6) Cojinetes de fricción sellados 7) Cojinetes de fricción sellados y protección del calibre 8) Para perforación direccional

Por ejemplo: un trépano IADC 111 corresponde a una herramienta para formación blanda de dientes tallados y cojinete no sellado. El cojinete no sellado es empleado en aquellos trépanos donde la estructura de corte presenta una duración promedio más corta que la vida del cojinete, generalmente son seleccionados para perforar el pozo central o para limpiar cañerías en tareas de Terminación de Pozos o Reparaciones. La inyección sirve de refrigerante del trépano. Los trépanos con cojinete de rodillos sellados ofrecen una mayor vida al sistema de rodamientos. Su selección se justifica en los casos en que la estructura de corte es más duradera que en las de cojinete no sellado. Un depósito de grasa se maquina en cada pata, junto con canales que permiten el paso de la grasa hasta las superficies en fricción. El sello colocado en la base del cojinete impide que la grasa del interior se filtre hacia fuera y que el fluido de perforación penetre al sistema. Por otro lado, el depósito de grasa consta de un diafragma colocado en la tapa de acero, la cual, por medio de un orificio permite que la presión de la columna hidrostática actúe sobre el diafragma para mantener la presión interior igualada y todos los compartimentos y superficies lubricados. (FIGURA 11)

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Figuras 11

El aumento de las profundidades perforadas, con formaciones cada vez más duras donde es necesario aplicar grandes cargas. Para vencer la resistencia a la comprensión de las rocas, junto con la incorporación de insertos de carburo de tungsteno como estructura de corte, reducen la vida del cojinete a rodillos. Esta situación motivó el desarrollo del cojinete integral (journal bearing) que en principio utilizaba el mismo sello que los de rodillos. Las dos superficies de fricción (cojinete-cono) ofrecían un área mayor de carga, la cual se podría incrementar y a la vez proveía mayor vida al sistema, en vez de las cargas cíclicas localizadas en la delgada franja de contacto entre rodillos-cono-rodillos del cojinete, lo que ofrece cargas puntuales a lo largo de la pista de rodillos que, al ser muy grandes y aplicadas por largo tiempo, terminan por hacer fallar las superficies del cono y cojinete, por fatiga. A fin de solucionar el problema de las altas temperaturas generadas en la- caras de fricción del cojinete integral (cono-cojinete), se desarrolló el buje de berilio cuproso, que al ser colocado entre el cono y el cojinete provee cuatro superficies de fricción (cono-buje, buje-cojinete) reduciendo las temperaturas generadas. Para completar el diseño, el buje fue recubierto con plata, la cual sirve de lubricante sólido. A fin de completar el concepto de trépanos de inserto: cojinete integral de alta velocidad, se desarrollaron sellos radiales, los cuales por su configuración, requiere una menor fuerza de comprensión para sellar el mismo en comparación con los del tipo "o-ring". Esto le confiere mayor vida al sello. Otro problema a resolver era el de los sistemas de retención de los conos. Convencionalmente se utiliza como retención rodamientos de bolas. Cuando se producen cargas hacia adentro, principalmente por rectificaciones o perforación de formaciones acuñadas, se produce un desgaste desparejo de las pistas del rodamiento, siendo esto una de las causas primarias de rotura de cojinetes.

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Bajo aplicaciones típicas, el anillo roscado no hace contacto con la ranura de retención, ni toma carga alguna. Cuando aparece alguna carga anormal, la superficie de contacto del anillo roscado distribuye esta en forma pareja. En pruebas de laboratorio, el anillo roscado excedió la capacidad de carga de los sistemas de retención convencionales al soportar un ensayo de tracción de 125.000 lbs. El sistema de Anillo Roscado, mediante el empleo de filetes rígidos, autobloqueantes en el cono, se convierte en parte integral de éste y provee un anillo de acero alrededor de la ranura de retención de la pata. El anillo cuenta con un baño de plata que actúa como lubricante sólido. Otras características:

a) Angulo del cojinete: Es el ángulo entre el eje del cojinete y el plano horizontal. Se escoge según las necesidades de tamaño de los elementos cortantes en el fondo. Los trépanos para formaciones blandas tienen un ángulo de cojinete de 33º y los diseñados para formaciones duras tienen 36º. (FIGURA 12)

Figuras 12

b) Intercalación de dientes: Este elemento de diseño permite agrandar los

componentes del trépano y ofrece la habilidad de auto limpieza mecánica en los espacios entre hileras y dientes. (FIGURA 13)

Figuras 13

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c) Excentricidad: El eje del cojinete no pasa por el eje vertical del pozo salvo para trépanos muy duros. La distancia perpendicular entre el centro de rotación y el eje del cojinete se define como excentricidad (offset) (FIGURA 14) Este elemento de diseño le confiere al trepano la habilidad de rodar y resbalar, o sea "palear" el fondo, efecto que se consigue al obligar a los conos a rotar sobre un eje que no es su eje geométrico. Este factor es muy importante en el diseño de los trépanos para formaciones blandas, donde se consigue la mayor excentricidad en comparación con los trépanos de formaciones duras, donde el eje de cojinete y conos pasa por el centro, por lo que la excentricidad es cero, El ángulo que forma el radio del pozo con el eje del cojinete se denomina "Skew”.

Figuras 14

Trépanos de arrastre (PDC) (FIGURAS 15 y 16)

Para ilustrar las características de estos trépanos, se adjunta una muestra de algunos de los tipos más comunes y una vista de la estructura cortante de uno de estos trépanos. (FIGURAS 15 y 16)

Figuras 15

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Figuras 16

Una ventaja muy importante que tienen estos trépanos con respecto a los de conos, es que no tienen piezas móviles y por lo tanto no están restringidos por la duración de los cojinetes, dependiendo exclusivamente de la capacidad de corte de los insertos de diamante artificial, los cuales van “pegados” a un soporte de carburo de tungsteno, el cual a su vez se implanta en la matriz del trépano como los insertos en el trépano de conos. Aunque este tipo de trépanos se ha desarrollado rápidamente, no cubre todavía el 100% de las posibilidades de perforación y presenta la desventaja de tener un mayor costo que los de conos, siendo su duración mayor por cuya razón su uso, en reemplazo de triconos, está determinado en cada caso por una ecuación técnico-económica favorable. En la figura puede observarse la distribución de los cortadores sobre la matriz del trépano (FIGURA 16), de forma de cubrir la superficie total del fondo del pozo. Una de las ventajas importantes de este tipo de trépano, es que su construcción es mucho más sencilla que la de los trépanos de conos y su diseño puede variarse fácilmente cambiando la distribución de los cortadores y su forma o tamaño, razón por la cual es posible prácticamente construir trépanos “a medida” para determinadas condiciones de formación. Los cortadores están constituidos por diamante artificial compactado en forma de plaquetas las cuales se pegan a soportes de carburo de tungsteno, los que se insertan en la matriz de acero. No obstante su sencillez de construcción estos trépanos tienen mayor costo que los tricono debido al costo del diamante artificial.

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Acción de Corte de los Trépanos de Arrastre

Figuras 17

Los trépanos de arrastre cortan básicamente por una acción de hincamiento y fractura de las formaciones. Esta acción se muestra en la siguiente figura: (FIGURA 17) El plano de ataque del cortador depende de la carga aplicada (fuerza vertical) y del torque (fuerza tangencial). Los cuttings se cortan en un plano inicial con respecto al plano de ataque que depende de las propiedades de la roca. La profundidad del corte esta manejada por el plano de ataque y se selecciona sobre la base de la resistencia de la roca y al radio de corte. La profundidad de corte se expresa muchas veces en función del ángulo de corte α . Esta relación puede expresarse como sigue:

tang.α = Lp / 2πr donde: Lp = penetración deseada por revolución r = radio desde el centro del pozo El ángulo de desahogo de fondo evita que el cortador tenga arrastre sobre el fondo, pero no debe ser demasiado grande como para cavar muy profundo y parar la rotación, ya que la relación de fuerzas peso / torque es muy alta. El ángulo de alivio debe ser pequeño, de ser mayor se debilitaría demasiado el cortador. De los varios criterios de rotura aplicables al trabajo de un trepano de arrastre, el más utilizado es el circulo de Mohr. Este criterio establece que la fluencia o fractura del material se produce cuando la tensión de corte excede la suma de la resistencia cohesiva del material (c) y la resistencia a la fricción en el plano de fractura o deslizamiento. Esta relación se puede expresar entonces: (FIGURA 17)

τ = +/− (c + σn . tan θ) donde: τ = tensión de rotura de corte c = resistencia cohesiva del material

σn = tensión normal al plano de fractura

θ =Angulo de fricción interna.

Angulo de alivio Fuerza de corteCarga

Recubrimiento demetal duro torque

Cutting

Plano principal Angulo de cortede corte 30º Angulo de en el fondo α

Plano de ataque 30º desahogo de fondo

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Para el caso de un elemento de formación sometido a una fuerza compresiva F y con una presión confinada p es:

σ1 = F / π xr2

σ3 = p Y efectuando el equilibrio de fuerzas sobre el elemento, como se muestra en la figura que sigue, resulta: (FIGURA 17)

La tensión normal al plano de falla es: σν = 1/2(σ1 + σ3) − 1/2(σ1 − σ3).cos (2φ) y la tensión de corte: τ = 1/2(σ1 − σ3).sen(2φ) Del círculo de Mohr se deduce que:

θ + 2.φ = 90 grados Por lo que asumiendo un valor de 30º para el ángulo de fricción interna, el ángulo φ también vale 30º

El valor de φ=30º ha sido verificado experimentalmente.

compresion

τ=c+σ n. tanΘ

τ=c-σ n. tanΘ

σn

τ nτ max

2φ

σn

τ

σ3

τ

σnθσ1 σ1

φ F

σn.dAnp Plano de σ3.dAn

fractura τ.dAn

p

σ1.dAnF

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Ejemplo Una corona de formación de 2 pulg. de diámetro, con una presión confinada de 2,500 psi, se rompe con una carga axial de 7 ton. según un ángulo de fricción de 35 grados. Determinar la tensión de corte y la resistencia cohesiva del material.

El valor de la tensión σ1 será: σ1 = F * A = 7,000 kg / (0.454 kg/lb) / 2 pulg^2 * π/ 4

σ1 = 4,910 psi.

El ángulo φ será: φ = (90 − θ ) / 2 = 27,5 grados

Y el valor de la tensión σ3 es σ3 = 2,500 psi

El valor de la tensión normal es: σn = 1/2(σ1 + σ3) − 1/2(σ1 − σ3) ∗cos(2φ)

σn = ½ *(4.910 + 2500) – ½ (4.910 – 2500) cos (27,5º)

σn = 2.636 psi

La tensión de rotura del material es: τ = 1/2(σ1 − σ3).σεν (2φ)

τ = 1/2 * (4.910 – 2.500) * sen (2*27,5º)

τ = 987 psi Y por lo tanto la resistencia cohesiva del material es:

c = τ – σν * tg. θ c = 987 - 2.478*tg (35º) c = -748 psi Trépanos de diamantes naturales (FIGURA 18)

Se adjunta también una ilustración sobre trépanos de este tipo. Estos trépanos no son de uso muy común, pero cubren en general las posibilidades de perforación en algunas zonas especialmente duras y abrasivas. Al igual que los PDC tienen la ventaja de no tener piezas móviles, pero su costo es elevado. En estos trépanos los diamantes (de tipo industrial) están implantados directamente sobre la matriz del trépano. Este tipo de cortador es de uso general en las coronas saca testigos. Se adjunta una ilustración sobre los cortadores y trépanos de este tipo. En este tipo de trépanos y coronas también se puede seleccionar entre diseños para formaciones desde blandas hasta duras, diferenciándose por el tamaño y forma de los diamante. (FIGURA 18)

Barras de sondeo

Portamechas

Saca testigos

Corona

Formación que se muestrea

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Figuras 18

Coronas

En este caso el cortador (corona) solo perfora una sección con forma de corona circular, dejando en el centro un núcleo cilíndrico que constituye la muestra o testigo. Por encima del cortador se dispone una herramienta llamada “saca testigos”, que se compone básicamente de un cuerpo exterior que rota junto con toda la columna perforadora y un barril interior que no gira y aloja al testigo que corta la corona. La herramienta permite circular tanto durante la maniobra como durante la operación de perforar el testigo. Cuando se ha perforado toda la longitud del barril, se corta el testigo al nivel de la corona y se saca a la superficie recuperándose la muestra. El saca testigos tiene en su parte inferior un sistema de retén para evitar que el testigo se pierda al sacarlo del pozo. (FIGURA 18) Evaluación y codificación del desgaste de los trépanos.

El sistema de evaluación de desgaste introducido por el IADC en el año 1987 puede ser utilizado para todo tipo de trépanos tanto de rodillos como de cortadores fijos y diamantes naturales. En este sistema, el desgaste se divide en ocho factores: las primeras cuatro columnas describen la estructura cortadora. La primer columna representa los cortadores situados dentro de los dos tercios del radio del trépano para las de diamante y para las de conos representa las hileras de dientes interiores. La segunda columna para los trépanos de diamante representa el tercio restante y para los de conos la hilera de dientes exteriores. En los trépanos triconos de dientes, el cero indica que no existe desgaste en ellos. El 8 indica un desgaste total. En los de insertos, se mide además del desgaste, la pérdida o rotura de insertos. Como en el caso de los de dientes, acá se mide con 0 (cero) la ausencia de desgaste y con 8 la total reducción de la estructura de corte, ya sea por desgaste, rotura o pérdida de insertos. (FIGURA 19) La tercera y séptima columnas sirven para anotar las características de desgaste del trépano, o sea, los cambios físicos más notorios desde su condición de nueva. Por ej.: pérdida de toberas, embolamiento, interferencia de conos, etc.

Trépanos dediamantes naturales

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Figuras 19

La cuarta columna se refiere a la ubicación de la observación manifestada en la columna tres. Se usa la siguiente codificación: Hileras Conos N = nariz 1 M = medio 2

G = calibre 3 A = general 3

La quinta columna se refiere a los sellos del cojinete. Cuando se trata de PDC se marca con una X ante la ausencia de cojinetes. Se usa una codificación de números y letras según el tipo de cojinete usado. Para cojinetes no sellados se utiliza el 0 (cero) para cojinete nuevo y el 8 para el uso total del cojinete. En el caso de cojinetes sellados se usa la letra E para cojinete nuevo y la T para totalmente gastado. La sexta columna nos muestra el calibre del trépano. Se registra la letra I si el trépano está sin desgaste y el desgaste se lo menciona en 1/16 de pulgada. Para triconos debe tomarse 2/3 de la lectura efectuada.

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