En la industria del petróleo y el gas , una broca es una herramienta diseñada para producir un agujero ( pozo ) generalmente cilíndrico en la corteza terrestre mediante el método de perforación rotatoria para el descubrimiento y extracción de hidrocarburos como el petróleo crudo y el gas natural . Este tipo de herramienta se conoce alternativamente como un bit de roca , o simplemente un bit. El diámetro del agujero producido por las brocas es bastante pequeño, de aproximadamente 3,5 pulgadas (8,9 cm) a 30 pulgadas (76 cm), en comparación con la profundidad del agujero, que puede oscilar entre 1,000 pies (300 m) y más de 30,000 pies. (9.100 m). Las formaciones del subsuelo se rompen mecánicamente cortando elementos de la broca raspando, puliendo o fracturando por compresión localizada. Los recortes producidos por la barrena generalmente se retiran del pozo y se devuelven continuamente a la superficie mediante el método de circulación directa. [1]
Las brocas se clasifican ampliamente en dos tipos principales según su mecanismo de corte principal. Las brocas rodantes perforan principalmente fracturando o aplastando la formación con elementos de corte en forma de "diente" en dos o más elementos en forma de cono que ruedan por la cara del pozo a medida que se gira la broca. Las brocas de corte fijo emplean un conjunto de cuchillas con elementos de corte muy duros, más comúnmente diamante natural o sintético, para eliminar el material raspando o puliendo mientras se gira la broca.
Las brocas de corte de laminación comerciales modernas generalmente emplean tres conos para contener los elementos de corte, aunque a veces se ven configuraciones de dos conos o (rara vez) de cuatro conos. Estas brocas se dividen principalmente en dos clases dependiendo de la fabricación de los elementos cortantes o "dientes". Las brocas con dientes de acero tienen conos que tienen dientes en forma de cuña fresados directamente en el propio acero del cono. A menudo se aplica material de carburo de tungsteno extremadamente duro a las superficies de los dientes mediante un proceso de soldadura para mejorar la durabilidad. Las brocas de inserto de carburo de tungsteno (TCI) tienen dientes con forma de carburo de tungsteno sinterizado que se ajustan a presión en los orificios perforados en los conos. Algunos tipos de brocas con dientes de acero también tienen elementos TCI además de los dientes fresados. Los conos giran sobre cojinetes de rodillos o muñones que generalmente están sellados del entorno hostil del fluido de perforación del fondo del pozo mediante diferentes disposiciones de juntas tóricas o sellos de cara metálica. Por lo general, estas brocas también tienen sistemas de lubricación con grasa de presión compensada para los rodamientos.
El primer diseño de broca de cortadora rodante comercialmente exitoso se reveló en las patentes estadounidenses otorgadas a Howard R. Hughes, Sr. el 10 de agosto de 1909, y que llevaron a la creación de lo que se convirtió en Hughes Tool Company . Esta broca empleaba dos elementos rodantes de acero cónicos con dientes fresados que se acoplaban a la formación, cuando se giraba el dispositivo, para producir la acción de corte. Este diseño representó una mejora significativa en el rendimiento de la perforación con respecto a las brocas tipo raspador de "cola de pez" que se usaban comúnmente en la perforación rotativa en ese momento, y durante las siguientes dos décadas, la perforación rotativa con brocas de corte rodante reemplazó en gran medida todos los demás métodos de perforación el campo petrolífero. La importancia de la broca de dos conos Hughes fue reconocida en su centenario cuando fue designada Monumento Histórico de Ingeniería Mecánica por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos .
Las brocas de corte fijo fueron el primer tipo de broca empleada en la perforación rotativa, y mecánicamente son mucho más simples que las brocas de corte rodantes. Los elementos de corte no se mueven con respecto a la broca; no hay necesidad de cojinetes ni lubricación. El elemento de corte más común que se utiliza hoy en día es el cortador de diamante policristalino (PDC), un cilindro de carburo de tungsteno sinterizado con una superficie plana recubierta con un material de diamante sintético. Los cortadores están dispuestos en las hojas de la broca en un patrón escalonado con la superficie del cortador recubierta de diamante mirando hacia la dirección de rotación de la broca para proporcionar una cobertura total del fondo del pozo. Otras brocas de corte fijo pueden emplear diamantes naturales de grado industrial o elementos de corte de diamante policristalino (TSP) térmicamente estables.
Actualmente también está disponible un tipo de broca híbrida que combina elementos de cortador rodante y cortador fijo.
Diseño
Independientemente del tipo, las brocas deben satisfacer dos objetivos principales de diseño: maximizar la tasa de penetración (ROP) de la formación y proporcionar una larga vida útil. La razón de esto es una consecuencia directa del método de perforación rotatoria. Las operaciones modernas de perforación de campos petrolíferos requieren un capital y gastos operativos sustanciales. Puede costar cientos de miles de dólares movilizar el equipo y los recursos humanos necesarios para perforar el sitio. Una vez que la plataforma está en su lugar, se incurre en gastos diarios sustanciales independientemente de si se está perforando o no un pozo. Obviamente, cuanto más rápido alcance el pozo la profundidad total requerida, menor será el costo total. Además, si la broca falla o se desgasta, debe reemplazarse quitando las quizás varias millas de la tubería de perforación a la que está conectada. Durante este tiempo, conocido como "viaje", la profundidad del pozo no avanza, pero aún se incurre en gran parte de los costos operativos. Por esta razón, la efectividad de una broca a menudo se mide como el costo de perforación por pie de agujero perforado, donde un número más bajo indica una broca de mayor rendimiento. Tenga en cuenta que el costo de la broca en sí a menudo es una parte bastante pequeña del costo total de perforación.
En las últimas dos décadas, un tercer objetivo de diseño se ha vuelto importante en algunos casos. En la actualidad, muchos pozos se perforan utilizando tecnología direccional, donde el pozo se dirige intencionalmente desde la vertical. Para que las brocas se utilicen en estas situaciones, la capacidad de la broca para ser "dirigida" más fácilmente durante la perforación se ha convertido en un tercer objetivo principal del diseño, posiblemente en la conducción.
La capacidad de un diseño de barrena para satisfacer los dos objetivos principales está limitada por una serie de factores, el más importante es el diámetro del pozo. Otras limitaciones vienen dictadas por su uso previsto: tipo de formación (dureza, plasticidad, abrasividad) a perforar, entorno operativo en profundidad (temperatura, presión, corrosividad), las capacidades del equipo utilizado en la operación (velocidad de rotación, peso disponible en bit, potencia de la bomba) y el ángulo del pozo (vertical, direccional, horizontal). Los diseños modernos de brocas intentan equilibrar estas limitaciones para lograr los objetivos principales.
La mayoría de las brocas con cortador rodante y cortador fijo tienen pasajes internos para dirigir el fluido de perforación, transportado por la tubería de perforación desde las bombas de superficie, a través de boquillas hidráulicas dirigidas al fondo del pozo para producir chorros de fluido de alta velocidad que ayudan a limpiar los viejos recortes del pozo. fondo antes de que el próximo diente entre en contacto con la roca. La colocación de las boquillas, particularmente en las brocas de corte rodantes, también se realiza a menudo para ayudar a mantener los elementos de corte libres de acumulación de recortes en ciertos tipos de formaciones de arcilla y lutita.
Galería
Broca PDC para perforación de pozos
Ver también
Referencias
- ^ "Transporte de esquejes" . PetroWiki . Consultado el 25 de octubre de 2016 .