1. Barrenas e Hidráulica de Perforación
Barrenas e Hidráulica
de Perforación
ÍNDICE
I. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN 2
Información requerida y principios 2
II. TIPOS DE BARRENAS 3
Barrenas tricónicas 3
Barrenas de cortadores fijos 8
Barrenas especiales 12
III. MECÁNICA DE ROCAS 12
Objetivo 12
Introducción 13
Evaluación de formaciones 13
Conceptos básicos 16
Propiedades mecánicas de las formaciones 24
Medición de las propiedades mecánicas de las rocas 26
Aplicación a selección de barrenas 27
Referencias 39
IV. SELECCIÓN DE BARRENAS 30
Criterios de selección de barrenas 30
Selección por medio de registros geofísicos 33
Selección en función a la formación que se va a perforar 36
Factores que afectan el desgaste de barrenas 38
Evaluación del desgasgte de barrenas 39
Evaluación económica de rendimientos 41
V. OPTIMIZACIÓN DE LA PERFORACIÓN 47
Introducción 47
Modelos matemáticos de perforación 47
Derivación de ecuaciones básicas 58
VI. FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE PENETRACIÓN 60
Introducción 60
Variables inalterables 61
Variables alterables 66
VII. HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN 80
1

2. Barrenas e Hidráulica de Perforación
Barrenas e Hidráulica
de Perforación
I. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIONES emplearse en función de la barrena elegida.
· Las tablas e información geológica.
El método rotatorio de perforación de un agujero · Los catálogos de barrenas.
implica invariablemente el empleo de una barrena. · Los boletines sobre las características de las barrenas.
Es la herramienta clave para el ingeniero de perfora- · Las tablas comparativas de barrenas.
ción: su correcta selección y las condiciones ópti- · Las clasificaciones de barrenas (ejemplo del IADC)
mas de operación son las dos premisas esenciales International Association of Drilling Contractors.
para lograr éxito en el proceso.
Principios
En la actualidad existe gran variedad de barrenas fa-
bricadas por varias compañías para diferentes pro- Para realizar la perforación, las barrenas funcionan
cesos del trabajo. Por ello, el diseñador debe exami- con base en dos principios esenciales: fallar la roca
nar adecuadamente las condiciones de la formación venciendo sus esfuerzos de corte y de compresión.
que se pretende perforar y el equipo disponible.
El principio de ataque de la barrena se realiza me-
Es imprescindible, por lo tanto, que el ingeniero en diante la incrustación de sus dientes en la formación
perforación domine los fundamentos del diseño de y posteriormente en el corte de la roca al desplazar-
las barrenas y sea capaz de entender sus comporta- se dentro de ella; o bien, mediante el cizallamiento
mientos para lograr una adecuada selección. generado por los cortadores de la barrena y que
vence la resistencia de la roca. De ahí que se distin-
Definición gan dos tipos fundamentales de barrenas: de dien-
tes y de arrastre.
Barrena es la herramienta de corte localizada en el
extremo inferior de la sarta de perforación que se La forma de ataque dependerá del tipo y caracterís-
utiliza para cortar o triturar la formación durante el ticas de la roca que se desea cortar, principalmente
proceso de la perforación rotatoria. en función de su dureza. Este factor resulta muy
importante en la clasificación de las barrenas.
Información requerida
Por ejemplo, para formaciones suaves la mecánica
Para seleccionar la barrena adecuada se deben ana- preferencial es el paleado y escareado que propor-
lizar un gran número de variables que interactúan cionan las barrenas de dientes; mientras que en for-
entre sí. Por esta razón es indispensable conocer: maciones duras es preferible usar barrenas de arras-
tre; sin embargo, es el grado de dureza lo que de-
· La evaluación del desgaste de las barrenas previa- terminará el tipo de barrena y el principio de ataque.
mente empleadas.
· Los rendimientos obtenidos en pozos vecinos. II. TIPOS DE BARRENAS
· Los registros geofísicos de pozos vecinos y del mis-
mo pozo (si se tienen). Las patentes de las primeras barrenas para perfora-
· Los datos sísmicos del área. ción surgieron en 1901 paralelamente a los primeros
· El software especializado en cálculo y análisis para descubrimientos de yacimientos petroleros. En cuan-
la selección. to a su diseño e ingeniería, en la actualidad han mejo-
· Las propiedades de los fluidos de perforación por rado notablemente sus características físicas y mecá-
2

3. Barrenas e Hidráulica de Perforación
nicas; su duración y funcionamiento también han evo- perforación, y así fue reemplazando a los métodos an-
lucionado y así se ha logrado un mejor rendimien- teriores. Su aceptación se debe a que es universal, tiene
to y desempeño en la perforación de los pozos. gran versatilidad y por sus buenos resultados en la perfo-
ración de pozos petroleros. Por esta razón, en este traba-
Durante casi una década la industria petrolera utili- jo nos enfocaremos a este tipo de barrenas.
zó de manera rudimentaria, pero efectiva, la perfo-
ración con pulseta y con diferentes tipos de barre- Antecedentes
nas: las de arrastre, de discos, de rodillos en cruz,
de uno y dos conos, así como las de diamantes que Las barrenas tricónicas, como su nombre lo indica,
han sido empleadas extensamente. tienen tres conos cortadores que giran sobre su pro-
pio eje, fueron introducidas entre 1931 y 1933. Bási-
En las barrenas de diamantes, recientemente se han camente similares a las modernas barrenas (fig. 1),
logrado algunos progresos. Sin embargo, la barre- fueron empleados para su construcción cojinetes
na tricónica se emplea de manera universal y casi antifricción y, en vez de tener los dientes en línea
exclusivamente en la perforación rotaria. En este tra-
bajo sólo se describirán las barrenas usadas en la
actualidad.
Los tipos de barrenas más utilizados para la perfora-
ción de pozos petroleros, así como el empleo de
barrenas para operaciones especiales, se clasifican
genéricamente de la siguiente manera:
Barrenas tricónicas
· Antecedentes
· Principios de diseño
· Código IADC para barrenas tricónicas
Barrenas de cortadores fijos
· Código IADC para barrenas de cortadores fijos
· Barrenas de diamante natural
· Barrenas de diamante policristalino térmicamente
estable (TSP) = thermally Stable polycrystaline
· Barrenas compactas de diamante policristalino
(PDC)= polycrystaline diamond Compact
Barrenas especiales
Figura 1 Barrena tricónica.
· Barrenas desviadoras
· Barrenas monocónicas sobre la longitud de un cono, cada hilera de dientes
· Barrenas especiales fue producida separadamente y escalonada con los
dientes de las otras hileras.
Barrenas tricónicas
La figura 2 ilustra el escalonamiento de los dientes
Las patentes de las barrenas tricónicas datan de antes de acero de la hilera anterior respecto de la exterior.
de 1866. Sin embargo, solamente tres fueron emitidas Esta característica dobla la velocidad de penetración
antes del descubrimiento del Yacimiento de Spindletop, y los metros (pies) por barrena; así, sucesivamente
cerca de Beaumont, Texas, en 1901. En ese lugar se siguieron muchas mejoras en los cojinetes y en la
hicieron evidentes las ventajas del proceso rotario de estructura cortadora hasta 1948 con la introducción
3

4. Barrenas e Hidráulica de Perforación Barrenas e Hidráulica de Perforación
de las barrenas a chorro (fig. 1). Las toberas en las Espacio anular Diámetro de toberas
barrenas de este tipo envían el fluido de perforación
a alta velocidad contra el fondo del pozo para remo- 24,5x613
Na= 17.52-52 = 53.4pies/min
ver y levantar las partículas a medida que la barrena
J3= 3.469x 613 1.45=15.96
afloja el terreno. Una importante modificación de las 1214
barrenas fue el empleo de insertos de carburo de
tungsteno como elementos cortantes. Dichas barre- 2t-16/32"; 1t-15/32" Ó 3t-16/32"= ½"
nas, aparecidas en 1951, tenían insertos cilíndricos 128.9x1.45x53.42x(17.5-5)
NR= = 55
de carburo de tungsteno que estaban redondeados 32x53.4+399x24(17.52-5) Tomando 3T-16/32" At=0.5890 pg2 (ver tabla de áreas
en sus extremos, colocados a presión en agujeros de toberas, indagar )
patrones y hechos en los conos para formar la es-
tructura cortadora. NR=55menor de 2100 flujo laminar Vt = 0.32 x 613
0.5890 = 333pies/seg (aceptable)
El primitivo extremo ovoide del inserto tenía la resis-
tencia y capacidad de trituración necesarias para per-
forar de tres a diez veces más que las barrenas con Aplicar la fórmula no. 2) de flujo laminar 1214 x 613
P.H= = 434H.P, en la barrena
dientes de acero en la formación más dura como pe- 1714
dernal. Generalmente, duraban más que los mejores
cojinetes disponibles hasta entonces. 2) P= 24x2650 +
68.6(17.5-5)
Área de la barrena =0.7854 x Db2=0.7854 X 17.52=
En 1959, la primera aplicación práctica del balero 240.5 pulg2
sellado, del compensador de presión y del siste- 53.4x32x2650
ma de autocontenido de lubricación, proporcio- 27,432(17.5-5)2 434 H.P /240.5 pulg= 1.80 H.P
. ./pg2 (aceptable, se re-
nó a los cojinetes de rodillos la ayuda necesaria quiere un mínimo aproximado de 1.2).
para prolongar la vida de la barrena (fig. 5). Pero
esto no fue adecuado para las barrenas con inser- Va= 53.4 pies/min. Comparándola con la normal (for-
tos de carburo de tungsteno. Pa= 74.169 + 1.056= 75 lb/pulg2 mula 9).
El más reciente y espectacular progreso llegó en 1969 54+908+349+75= 1386 lb/pulg2
Va= 1416 = 55.8pies/min
con la introducción del cojinete de fricción (chumacera 1.45 x
Figura 2 Escalonamiento de los dientes de acero. sellada). La duración de este cojinete fue pareja a la de de pérdida de presión en el sistema 17.5
los insertos de carburo de tungsteno en la estructura
cortadora. Gracias a este adelanto, la vida de la barre- de acuerdo con la presión máxima limitante en la Es mínima la diferencia y por lo tanto es aceptable
na llegó a cuadruplicarse. superficie, es conveniente meter una presión de dicha velocidad
bombeo de 2600 lb/pg2, en lugar de una presión
Principios de diseño de las barrenas tricónicas próxima a las 3500 lb/pg2, esto evita que nuestra De= 0.703 xPa + DI
Prof
bomba trabaje con los altos esfuerzos y/o posibles
Las barrenas tricónicas cuentan con tres conos corta- problemas en el equipo superficial.
dores que giran sobre su propio eje. Varían de acuer- Donde.
do con su estructura de corte, y pueden tener dientes Presión disponible para la barrena=2600-1386= De = densidad equivalente de circulación, en gr/cm3
de acero fresados o de insertos de carburo de tungs- 1214 lb/pulg2
teno. También cambian en función de su sistema de Pa = caída de presión en el espacio anular, en lb/pg2.
rodamiento que puede tener balero estándar, balero
sellado, chumacera, etc. Las barrenas tricónicas cons- 1214 Prof = profundidad del pozo , en m.
x 100 ó 46.7 % de la presión de bombeo para
tan de tres importantes componentes: la estructura 2600
cortadora, los cojinetes y el cuerpo de la barrena. DI = densidad del fluido de perforación, en gr/cm3
La barrena
La estructura de corte, o cortadores, está montada
sobre los cojinetes, los cuales corren sobre pernos y Aproximadamente se tiene el criterio hidráulico De = 0.703 x 75 +1.45 = 1.468 = 1.47gr/cm3
2650
constituyen una parte integral del cuerpo de la ba- del impacto, como parámetro se requiere para la
rrena (figura 4). barrena el 49%
Figura 3 Balero sellado.
4 89

5. Barrenas e Hidráulica de Perforación Barrenas e Hidráulica de Perforación
(el log 0.69 es negativo, se suma a 1.75 aplicando la tes más pequeños, menor espesor de conos y la sec-
ley de los signos) 0.403x1.45x8212 ción de las patas más delgada que la de las barrenas
NR= 27.73 =14,204
para formaciones duras. Esto permite más espacio
Equipo superficial para dientes largos. Las barrenas para formaciones
duras, que deben perforar bajo grandes pesos, tie-
NR = 14,204mayor NR= 3,325flujo turbulento nen elementos de corte más robustos, cojinetes más
grandes y cuerpos más vigorosos.
24.4x613
Vi= =1467pies/min La estructura de corte. Para entender cómo la geome-
3.22 0.0753
0 f= = 0.0055 tría del cono puede afectar la forma en que los dientes
14,2042
cortan el terreno, se muestra esquemáticamente un
cono en la figura 3. Dado que el cono tiene una super-
θT.P=4+1.015 (0.939x0.299x1467)
3.2
0.69 ficie cónica única, con su eje en el centro de rotación
de la barrena, rodará en el fondo del pozo sin ningu-
0.0055x1.45x8912x2458 na acción de deslizamiento o arrastre. Los conos de
P= 3,404x4.276 las barrenas para formaciones blandas (fig. 5) se apar-
θT.P=32.98 Figura 4 Cuerpo de la barrena. tan sustancialmente de un verdadero rodamiento de-
bido a que tienen dos ángulos de cono básicos, nin-
Las cargas radiales son absorbidas por el elemento guno de los cuales tiene su centro en el centro de ro-
P=908lb/pul2 exterior más grande de los cojinetes, ya sea de rodi- tación de la barrena. La superficie exterior cónica tien-
llos, de balero sellado o de chumacera sellada, cerca de a rotar aproximadamente alrededor de su eje teóri-
0.403x1.45x14672 D.C. y H.W.
NR = = 38,131 de la punta del cono o de la base del mismo. Los co y las hileras interiores cerca de un centro de su
32.98 cojinetes de balines sirven para retener los conos y, propio eje.
NRC=4270-1370(0.69)=3,325 en algunos casos, para absorber ambas cargas, ra-
diales y de hincamiento.
Vi= 24.5x613 =1669pies/min
NR=38,131 mayor de NRC=3,325 flujo turbulento 2
3
0.0753 La capacidad adicional del empuje hacia afuera del
f= = 0.0042 cojinete es proporcionada por superficies planas en
38,1310.273
el extremo interior del perno que sostiene el cojine-
te, entre el hombro de la pista de los rodillos y el
θT.P=4+1.015 (0.939x0.299x16669 )0.69
3
cojinete de nariz. Los elementos del corte de la ba-
rrena de conos son hileras circunferenciales de dien-
p= 0.0042x1.45x1467 x45 = 54lb/pul2
2
tes extendidas sobre cada cono, y entrelazadas en-
3404x3.2
tre las hileras de dientes de los conos adyacentes.
θT.P=37.12
Actualmente se emplean en las barrenas dos distin-
Tubería de perforación tos tipos de elementos de corte y tres tipos de cojine-
tes. Los elementos cortadores son los dientes de ace-
24.5x613 NR=43,851mayor NR=3,325flujo turbulento ro, maquinados desde un cono básico de material, o
Vi= =821pies/min
4,7262 los insertos de carburo de tungsteno, colocados a
presión en agujeros perforados en la superficie de
los conos. Los cojinetes son de balines y rodillos, o
sólo de balines, de balero sellado y de chumacera Figura 5 Diseño del cono.
θT.P=4+1.015 ( 0.939x0.299x1669
4,276
) 0.69
0.0753
f= 43,8510.273 =0.0046 sellada. Aunque hay muchas diferencias en las ba-
rrenas, las consideraciones sobre el diseño básico Como los conos están forzados a rotar alrededor del
son similares para todas. centro de la barrena, resbalan a medida que rotan y
producen el escariado y paleo, que es la mejor ma-
0.0046x1.45x16692X192 El espacio permitido a los diferentes componentes nera de perforar en forma efectiva los terrenos blan-
θT.P=27.73 P= =349 lb/pul2
3404x3.2 depende del tipo de formación que perforará la ba- dos. Una acción más efectiva para incrementar la pe-
rrena. Por ejemplo, las barrenas para formaciones netración en formaciones blandas, se obtiene con la
blandas, que requieren poco peso, tienen los cojine- excentricidad de los ejes de los conos (figura 6).
88 5

6. Barrenas e Hidráulica de Perforación Barrenas e Hidráulica de Perforación
Sistemas de rodamiento. Q= Gasto de bomba, en gal/min. Tríplex-ideco, t-1300
Existen tres diseños principales: qT.P.=Lectura equivalente del viscosímetro fann, en
lb/100 pies2. 12" x 6"
Estándar con rodillos y balines Yb= Coeficiente del factor de fricción, adimensional
Autolubricados con rodillos y balines Log= Logaritmo decimal Máxima presión y emb/min. 3793 lb/pulg2-120 emb/
De fricción autolubricados. NR= Número de Reynolds, adimensional. min.
EXCENTRICIDAD DI= Densidad del fluido de perforación, en gr/cm3.
El tipo de sistema depende de la economía de aplica- NRc= Número de Reynolds crítico, adimensional. Información complementaria
ción, y en función del lugar donde deberán ser em- f= Factor de fricción , adimensional
pleados. Los cojinetes estándar aparecieron para re- P= Caída o pérdida de presión en la tubería, en Velocidad de penetración promedio- 15 min./
emplazar a los primeros cojinetes de fricción. Fue- lb/pulg2 m.(4m/hr)
ron lanzados al mercado en un momento en que Yp= Viscosidad plástica, en cps.
solamente se podían conseguir barrenas de dientes Pc= Punto de cedencia, en lb/100 pie2 Cálculo hidráulico de: 1950 m. A 2650 m.
de acero. Estos cojinetes operaban en contacto con fD= Factor de fricción, adimensional (ecuación de
el fluido de perforación y, en muchos casos, dura- drew-tubería lisas). Presión limitante en la superficie - 3500 lb/ pulg2
ban tanto o más que la estructura cortadora. Sin L= Longitud de tubería, en m.
Figura 6 Excentricidad de los ejes de los conos. embargo, en algunas zonas, y con algunos tipos de Cálculos
barrenas, estos cojinetes eran inadecuados en dis- Ejemplo de cálculos de un diseño hidráulico, apli- Pasos del procedimiento
tintos grados. cando el modelo reológico de «Ley de potencias
El cono que se muestra esquemáticamente en la fi- modificado» y el de «plástico de Bingham» 2- Aplicando el 35 gal/min/P barrena
.D.
gura 7 es el típico para formaciones duras. Los co- En las barrenas actuales, los cojinetes estándar se
nos de una barrena para formación dura deben es- emplean en la parte superior de los pozos, en donde Aplicación del modelo reológico "ley de potencia 35 gal/min/P Bna. X 17.5"=613 gal/min.
.D
tar más cerca de un movimiento circular y, por lo el tiempo de maniobras no es excesiva; además, en modificado"
tanto, tienen muy poca o ninguna excentricidad. algunos casos, cuando la velocidad de rotación es 3.-Fórmula del modelo reológico "ley de potencias
alta, la pista de los rodillos absorbe la mayor porción Geometría del pozo modificado"
de los empujes radiales sobre los cortadores y el co-
jinete de nariz absorbe una pequeña parte. Etapa "2da. profundidad 2650 m.
Las superficies de empuje perpendicular al perno del Bna 17 ½"-121 N=3.32 ( log 88-4 )=0.69
56-4
cono y la del fondo están diseñadas para realizar los
empujes hacia afuera. La pista de los balines man- T.P.5"-19.5 lb/pie, D.I.-4.276"-2458.0m
tiene los cortadores unidos y recibe los empujes de 56-4
afuera hacia adentro. Cuando algunas partes del co- D.C.- 8"x 3"-82.0 m K=
3000.69
=1.015
jinete están gastadas, la pista de los balines también
absorbe algunas cargas radiales y algunos empujes T.P extrapesada (H.W)- 5" x 3"-110.0 m.
.
hacia afuera.
T.R.-20", zapata -1000.0 m. G3T.P= ( 3x0.69+1 ) X8.13x0.69x(0.123)
4x0.69
1/0.69
No obstante que se realiza investigación permanen-
te para solucionar el problema de los cojinetes, la Equipo superficial: D.I. promedio 3.2", long.-45.0 m.
introducción de los insertos de carburo de tungste-
no como dientes lo ha agudizado. Además de los Fluido de perforación G3T.P= 0.299
elementos del cojinete (balines y rodillos), éste re-
quiere un depósito para la grasa, un compensador Densidad: 1.45 gr/cm3
de presiones, un conducto que comunique a ambos Log(0.69)+3.93
a= = 0.0753
y un sello. L600=88 L300=56 50
Vp-32 cps
Aun en un ambiente lubricado, los cojinetes de rodi-
llos después de un determinado tiempo fallarán por Pc-24 lb/100 pie2 1.75-Log0.69
b= =0.273
la propia fatiga del material. Sin embargo, la vida del Gel a 0 min.- 4 lb/100pie2 7
cojinete es suficiente para algunas barrenas con dien- Bomba de lodo
tes de acero. Así este tipo de cojinetes todavía se
Figura 7 Barrena para formaciones duras.
6 87

7. Barrenas e Hidráulica de Perforación Barrenas e Hidráulica de Perforación
V =Velocidad de penetración, en m/hr. (Flujo turbulento si NR es mayor de NRC) emplea en las barrenas para formaciones más blan- Uno de los propósitos del cuerpo de la barrena es
Vd=Velocidad de desliz de la partícula, en pies/min. das. Las estructuras cortadoras de insertos de car- dirigir el fluido de perforación hacia donde hará la
T = Tamaño o diámetro de la partícula, en pulg. buro de tungsteno todavía duran más que el cojine- limpieza más efectiva del fondo del pozo. Ante-
Dp= Densidad de la partícula, en gr/cm3. te de rodillos y balines lubricados. Esto condujo al riormente, estos orificios estaban ubicados para
n = Índice de comportamiento del flujo, adimen- a desarrollo de cojinetes de chumacera y de un dirigir el fluido de perforación de forma tal que
sional f = NRb= nuevo sello. limpiaban los conos de la barrena. En la actualidad,
K = Factor de consistencia, en dinas-seg2/cm2 ó lbs- la mayoría de las barrenas son del tipo a chorro, el
seg2/100 pies2 Como puede verse, el sistema depósito- cual apunta el fluido hasta el fondo del pozo (fig. 1).
Ats= Área de toberas en una barrena PDC, en pulg2. compensador es similar al de los tipos de dientes.
fxDIxVi XL 2
Yp= Punto de cedencia, en lbs/100 pies2 P= 3404 x Di La diferencia más importante es que se emplea el Las bombas modernas tienen suficiente potencia
anillo de goma ("O" ring) y además una superficie como para limpiar el fondo del pozo y también los
Caída de presión en el interior de la tubería metal-metal reemplaza a los rodillos. El cojinete a fric- cortadores. En algunas formaciones blandas, los
Caída de presión en el interior de la tubería. ción se vuelve el componente principal que soporta chorros del fluido de perforación remueven el ma-
L -Go las cargas. Las superficies hermanadas de este coji- terial por su propia fuerza. La erosión del fluido so-
n=3.32 ( log 600
L300-Go
) K=
24.5 x Q nete son recubiertas con metales especiales que agre- bre el cuerpo de la barrena, proveniente de altas
Di2 gan una resistencia adicional al desgaste y mayor velocidades, se reduce a un mínimo con el empleo
protección contra el engranamiento. Estos cojinetes de las toberas de carburo de tungsteno.
son de vida más larga que la mayoría de las estructu-
L300-Go ras cortadoras actuales. Las barrenas tricónicas, como se mencionó, son las
K= 300n 129.9x - DIxVi2xDi más utilizadas en la actualidad para la perforación
NR = Una variación del cojinete de chumacera se está petrolera, y para otras aplicaciones como: pozos de
Vp x Vi + 399x Pc x Di
empleando cada vez más en algunos de las barre- agua, minería y geotermia. Cada compañía tiene sus
GT.P ( 3n+1 )x8.13xnx(0.123)
4n
1/n
Si NR es mayor de 2100, se considera flujo turbu-
nas con dientes de acero. La diferencia estriba en
que, en este caso, no tienen las incrustaciones de
propios diseños de barrenas tricónicas con caracte-
rísticas especificas del fabricante, pero de acuerdo
lento. aleación y que se le hace un tratamiento especial con un código de estandarización emitido por la Aso-
0.56 al metal del cojinete. Las superficies donde el per- ciación Internacional de Contratistas de Perforación
fD = 0.0056 + no del cojinete de chumacera hace contacto con (IADC). A continuación se explica la clasificación,
N0.32
el interior del cono son carburizadas, y luego, selección y uso de las barrenas tricónicas de acuer-
Log(n)+3.93 =R
a= boronizadas o tratadas especialmente para aumen- do con este código.
50
tar la resistencia al desgaste y proporcionar ma-
yor protección contra el engranamiento. Estos tra- EL Código IADC para barrenas tricónicas
Para valores de NR mayores de 3000, y menores de tamientos son generalmente suficientes para equi-
1,000,000. librar la vida del cojinete y de la estructura corta- La Asociación Internacional de Contratistas de Per-
1.75-Log(n)
b= 7
dora de dientes de acero. foración (IADC) ha desarrollado un sistema estanda-
fD x DI x Vi2 x L rizado para clasificar las barrenas tricónicas de rodi-
P= 13,588 x Di Cuerpo de la barrena. El cuerpo de la barrena con- llos (para roca). Se clasifican de acuerdo con el tipo
siste en: (dientes de acero o de insertos), la clase de forma-
24.5xQ ción para la cual fueron diseñadas (en términos de
Vi= Di2 · Una conexión roscada que une la barrena con la serie y tipo), las características mecánicas, y en fun-
Nomenclatura tubería de perforación. ción del fabricante. El sistema de clasificación per-
mite hacer comparaciones entre los tipos de barrena
x Vi n n= Índice del comportamiento del flujo, adimensional · Tres ejes del cojinete en donde van montados los que ofrecen los fabricantes.
θT.P=Go+k ( 0.939 xDi
G T.P
) L600 = Lectura en el viscosímetro fann a 600 r.p.m. conos.
L300= Lectura en el viscosímetro fann a 300 r.p.m. Para evitar confusión entre los tipos de barrenas
Go= Gel a cero minutos, en lbs/100 pies2 · Los depósitos que contienen el lubricante para los equivalentes en relación con sus distintos fabri-
K= Índice de consistencia, en lb x segn/100 pie2 cojinetes. cantes la IADC creó el sistema (código IADC), de
Vi= Velocidad del fluido en el interior de la tubería, clasificación de tres dígitos, como se relaciona a
0.403xDIxVi2 en pies/min. · Los orificios a través de los cuales el fluido de continuación.
Vi= θT.P Di= Diámetro interior del tubo, en pulg. perforación fluye para limpiar del fondo el re-
G.T.P.=Factor geométrico para el interior de la tube corte. El primer dígito. Identifica el tipo de estructura de
NRc= 4270 - 1370 (n) ría , adimensional corte y también el diseño de la estructura de corte
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8. Barrenas e Hidráulica de Perforación Barrenas e Hidráulica de Perforación
con respecto al tipo de formación, como se relacio- tes. Normalmente el cuerpo fijo de la barrena puede P.H. = P.B. x Q 23)
na a continuación: ser de acero o de carburo de tungsteno (matriz) o 15) 1714 5.11(Yp+Vp)
K=
una combinación de ambos. 511n
1. Dientes fresados para formación blanda.
2. Dientes fresados para formación media. Estas barrenas de diamante son fabricadas con dia-
(2xD2-d2)x1
3. Dientes fresados para formación dura. mante natural o sintético, según el tipo y característi- Qd = Nomenclatura
4. Dientes de inserto de tugsteno para formación cas de la misma. La dureza extrema y la alta 148
16)
muy blanda. conductividad térmica del diamante lo hacen un P = Pérdida de presión en T.P o D.C. en lbs/pulg2
.
5. Dientes de inserto de tugsteno para formación material con alta resistencia para perforar en forma- Pa= Pérdida de presión en el espacio anular, en lbs/
blanda. ciones duras a semiduras, y en algunos tipos de ba- D2x1 pulg2
6. Dientes de inserto de tugsteno para formación rrenas, hasta formaciones suaves. Qd =
98 Vi = Velocidad del fluido de perforación en el inte-
media. 17) rior de la tubería en pies/min.
7. Dientes de inserto de tugsteno para formación dura. Las barrenas de diamante, a excepción de las barre- Vp= Viscosidad plástica, en cps.
8. Dientes de inserto de tugsteno para formación ex- nas PDC, no usan toberas de lodos para circular el L = Longitud de tubería o espacio anular en m.
tra dura. fluido de control para aprovechar su hidráulica. Es- Diámetro de toberas Di = Diámetro interior del tubo, en pulg.
tán diseñadas de tal manera que el fluido de perfora- Va=Velocidad del fluido de perforación en el espa-
El segundo dígito. Identifica el grado de dureza de la ción pueda pasar a través del centro de la misma, al- cio anular , en pies/min.
formación en la cual se usará la barrena. Varía de rededor de la cara de la barrena y entre los diamantes J3=3.469x Qx DI Da= Diámetro del agujero , en pulg.
suave a dura, como se relaciona a continuación: por unos canales llamados vías de agua o de circula- 18)
Pb Dt= Diámetro de la tubería, en pulg.
· Para formación suave ción (figura 8).
· Para formación media suave F = Factor de fricción, adimensional.
· Para formación media dura DI= Densidad del fluido de perforación, en gr/cm3.
· Para formación dura Ats= 0.027 xQ x DI Q= Gasto de la bomba, en gal/min.
Pb
18 A) Vc= Velocidad crítica de fluido, en pies/min.
El tercer dígito. Identifica el sistema de rodamiento y Vo= Velocidad anular óptima en pies/min (fullerton).
lubricación de la barrena en ocho clasificaciones, Vt o Vn= Velocidad del fluido de perforación en las
como se indica a continuación: toberas en pies/s.
At = Área total de las toberas, en pulg2.
J2=4.249x Q x DI
1. Con toberas para lodo y balero estándar Pb NR=Número de Reynolds, adimensional.
2. De toberas para aire y/o lodo con dientes diseño
19)
Qd= Gasto de una bomba dúplex, en gal/emb (100
en T y balero estándar % ef. Vol)
3. Balero estándar con protección en el calibre Qt= Gasto de una bomba tríplex, en gal/emb (100
4. Balero sellado autolubricable ef. Vol).
x2
5. Balero sellado y protección al calibre A3= 434.6 A3= Área de tres toberas iguales , en pulg.
6. Chumacera sellada 20) A1= Área de una tobera , en pulg2
7. Chumacera sellada y protección al calibre X = Número de 32 avos. De una tobera (ejemplo: si
8. Para perforación direccional es 16/32, entonces x = 16).
9. Otras x2 t = Tamaño o diámetro de la partícula, en pulg.
A1= 1,303.8
Lec600= Lectura del viscosímetro fann a 600 r.p.m.
La tabla 1 muestra en forma esquemática y generali- 21) Lec300= Lectura del viscosímetro fann a 300 r.p.m.
zada, el código IADC descrito anteriormente para la D = Diámetro de la camisa, en pulg.
selección y clasificaciones de barrenas tricónicas. d = Diámetro del vástago, en pulg.
Figura 8 Barrena de diamantes. Comportamiento y consistencia de un fluido I = Carrera de la bomba, en pulg.
Las barrenas de cortadores fijos P.B.= Presión de la bomba, en lbs/ pulg2
Los conductos para encauzar el fluido de perfora- Vd = 36.32xlog Yp+2Vp P.H.= Potencia hidráulica, en H.P.
Las barrenas de diamante tienen un diseño muy ele- ción (vías de agua), en las barrenas de diamantes YpVp Pb=Pérdida de presión en la barrena, en lbs/ pulg2
mental. A diferencia de las tricónicas, carecen de no son tan variables como los de las barrenas de 22) J =Diámetro de las toberas, en número de 32 avos.
partes moviles, aunque esta característica sería de- chorro con toberas. Estas tienen dos configuracio- (si son tres toberas de 12/32", entonces J= 12).
seable. El material usado para su construcción, ade- nes básicas, el flujo contramatriz y el flujo radial, ó
J2 =Diámetro de dos toberas, en número de 32 avos.
más de los diamantes, puede variar según el tipo de también existen variaciones de cada tipo, así como Vj =Velocidad de chorro necesario en las toberas en
las barrenas y de las características de los fabrican- combinaciones de ambos. n = 3.32xlog Lec 600 pies/seg.
Lec 300
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9. Barrenas e Hidráulica de Perforación Barrenas e Hidráulica de Perforación
Por la configuración de este tipo de 1er Dígito 2do Dígito 3er Dígito
Velocidad del fluido de perforación barrenas, el fondo del agujero se en- Sistema de Dureza Sistema de rodamiento
Flujo turbulento cuentra junto a las vías de circula- Corte 1 2 3 4 5 6 7 8 9
24.5 x Q
Pb = ción para crear restricciones al flu- 1 Suave T T P B B C C P O
vp 0.18x DI0.82 x Q1.82x L 7) Da2 - Dt2 jo, y así forzar el fluido de perfora- Dientes de 2 Media Suave O O R A A H H A T
4) P= 1 acero 3 Media Dura B B O L L U U R R
700.3 x Di4.82 ción a través del diamante para lim- para 4 Dura E E T E E M M A O
piar y enfriar la barrena y, a la vez, Dientes formación R R E R R A A S
24.5 x Q cortar la roca por fricción y compre- blanda A A C O O C C P
Pb = sión. Por lo general entre mas dura
de 1 Suave S S C E E E
( P=
vp 0.18x DI0.82 x Q1.82x L
700.3 x Di 4.82 ) X
8) Di2
y más abrasiva sea la formación,
más pequeño será el diamante que
Acero
Dientes de
2 acero para
formación
2
3
4
Media Suave
Media Dura
Dura
P
A
A
I
I
Ó
N
S
E
L
S
E
L
R
A
R
A
R
F
O
media R R L L S S R
se debe usar en la barrena. A E A A A E E A
1416 1 Suave
Va = Dientes de 2 Media Suave / L D D L L C
Di x Código IADC para barrenas de cor- 3 acero para 3 Media Dura L L O O L L I
formación 4 Dura O O C A A Ó
9) Da tadores fijos
dura D D A A Y D D N
Factor para evitar operaciones repetitivas 1 Suave O O L U A A
La IADC desarrolló un sistema de Dientes de 2 Media Suave I T P D
Y Y B O R Y I
( )
L codificación para la identificación 4 inserto para 3 Media Dura
0.32 x Q formación 4 Dura R L O E
Di4.82 10) Vt = de barrenas de cortadores fijos que muy blanda B B E U T P R
At incluye a todos los tipos: diamante Dientes 1 Suave A A B E R E
5 Dientes de 2 L L Y R C O C
natural, compactos de -diamante Media Suave
E E I C T C
inserto para 3 Media Dura
Vp 0.18x DI0.82 x Q1.82x L policristalino (PDC) o de diamante R R B C I E I
formación 4 Dura
Pa = 500 x V térmicamente estable (TSP). Este de blanda O O A A Ó C O
700.3 x (Da-Dt)3 (Da+Dt)1.82 Vt = código consiste en cuatro caracte- 1 Suave S L B N C N
1.52 + V 6 Dientes de E E L I A
11) res (una letra y tres números) que E S R E A Ó L
inserto para
describen siete características bá- Insertos formación S T O L N
sicas: media T A
A N E C A
Flujo turbulento Dientes de 1 Suave
N D S A L
7 inserto para 2 Media
12) 1. Tipo de cortadores. formación
D A T L
7.78 x Vp + 7.78 x Vp2 +77.5(Da-Dt)2Vp x DI 2. Material del cuerpo de la barrena. Suave A R A I
Vc= dura 3 Media dura R N B C
DI(Da-Dt) 3. Perfil de la barrena.
DI x Lx Q1.82 4 Dura D R A
P= 4. Diseño hidráulico para el fluido A E L
600 x Di4.82 de perforación. R I
Dientes de 1 Suave B
5. Distribución del flujo. 8 inserto para 2 Media R
6. Tamaño de los cortadores. formación Suave E
Pa = DI x L x Va2 7. Densidad de los cortadores. extra 3 Media dura
69, 250 x t2 x Va x(Dp-DI) dura
255,362 ( Da-Dt) 13) 4 Dura
Vp x Va + 39*9 x Vp x (Da-Dt) En función de la identificación con
el código IADC, existen por lo me-
nos cinco aspectos fundamentales
Tabla 1. Código IADC (tres dígitos) para clasificación de barrenas
Pérdida de presión en la barrena en el diseño de barrenas de dia- tricónicas.
mante: la forma de los cortadores,
Número de Reynolds ángulos de inclinación lateral y de retardo, tipo En la tabla 2. se muestra la identificación de barrenas
de protección al calibre y longitud de la sección de diamante mediante el código IADC para barrenas
14) del calibre. Si bien todos ellos son factores im- de cortadores fijos. Cabe hacer notar, que a diferencia
145 x Q2 x DI DI x Q2 128.9 xDI x Va2 x (Da-Dt) portantes en el desarrollo de las barrenas de dia- del código IADC para barrenas tricónicas, el código
Pb = NR =
6) Pb = Vp x Va + 399 x Vp x (Da-Dt)
J4 1303 x At2 mante, lo que se pretende con este código IADC IADC para barrenas de diamante no los relaciona con
es dar una idea del tipo de barrena y lograr que la formación por perforar. Únicamente, como ya se
se identifiquen fácilmente sus principales carac- mencionó, se pueden identificar sus características
terísticas. más elementales.
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