TREPANOS

TIPOS DE TREPANOS

PERFORACION II

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INTRODUCCION.-

Un trépano es un dispositivo que se coloca en el final de una sarta de perforación para que rompa, corte y muela las formaciones rocosas durante la perforación de un pozo petrolero.

Los trépanos tienen huecos para permitir el paso del fluido de perforación, que sale a chorros por picos intercambiables.

El fluido de perforación lubrica y refrigera el trépano y ayuda a expulsar la roca molida hacia la superficie.

En formaciones rocosas no consolidadas los chorros de agua a alta presión ayudan a remover la roca en forma directa permitiendo reducir los tiempos de perforado.

IMPORTANCIA DE LOS TREPANOS.-

Los trépanos de perforación representan un componente clave de la economía de la construcción del pozo.

El tiempo necesario para perforar un pozo se encuentra directamente relacionado con la rapidez con la cual los trépanos corten la formación y con el tiempo que conserven su filo.

TIPOS DE TREPANOS.-

TRICONICOS: Poseen tres conos giratorios que giran en forma independiente, al mismo tiempo que la barrena rota al fondo del hueco. Pueden ser:

1. Trépanos de dientes de acero resistente al desgaste2. Trépanos con insertos de carburo de tungsteno

TREPANOS DE CORTADORES FIJOS O DE ARRASTRE: Formados por un cuerpo sólido sin partes móviles y elementos cortantes insertados en el cuerpo que giran en conjunto. Los elementos cortantes pueden ser:

1. De diamante natural, 2. De insertos de PDC (compuesto policristalino de diamante)3. Impregnadas de diamante.

Además, existen dos tipos de cuerpos: los de acero y los de matriz.

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TREPANOS TRICONICOS.-

Es el tipo de broca más común actualmente usada. Estas tienen 3 conos los cuales se van interfiriendo luego limpiando entre sí, los conos son principalmente de dos tipos: o bien dientes de acero resistente al desgaste o de inserto de carburo de tunsteno y pueden ser de varios tamaños y durezas de acuerdo a la litología previstas.

Estos trépanos constan de tres importantes componentes:

1. Las estructuras cortadoras, o cortadores. 2. Los cojinetes. 3. El cuerpo del trépano.

ESTRUCTURAS DE CORTE EN TREPANOS TRICONICOS.-

Existen dos tipos de estructuras cortantes en los conos giratorios: 

1. Los fabricados con dientes de acero, fundidos o forjados integralmente con bordes de compuestos de carburo resistentes al desgaste.

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2. Insertos de carburo cementado o carburo de tungsteno formados por separado y colocados a presión en agujeros perforados con precisión en las superficies de los conos. También se encuentran disponibles insertos cubiertos con revestimientos de PDC, que son más resistentes a la abrasión.

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CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS DE CORTE.-

Las barrenas con dientes de acero se utilizan en formaciones blandas con baja resistencia a la compresión. Las barrenas de insertos se utilizan para perforar formaciones que van de blandas y semiduras, a duras semiabrasivas y duras abrasivas.

Los dientes de acero se funden, forjan o fabrican del mismo metal que los conos. El recubrimiento duro de carburo de tungsteno se suelda sobre los dientes de acero para incrementar la durabilidad.

Los insertos de carburo de tungsteno se funden por separado y se colocan mecánicamente a presión en agujeros ligeramente menores al tamaño de los insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos.

El uso de carburo de tungsteno puede ser difícil, ya que el carburo es muy frágil haciéndolo susceptible a astillarse y romperse. Para compensar esto, se elaboran piezas de este material en forma de polvo, añadiendo entre un 6 y un 10% de cobalto. A este material compuesto se lo denomina carburo cementado. El proceso de combinación de carburo de tungsteno con cobalto se conoce como sinterización.

Los insertos que tienen recubrimientos de compuestos de diamante utilizan capas de un compuesto policristalino de diamante de distinta calidad sobre los sustratos de carburo cementado. La capa superficial (fabricada casi de diamante puro) que corta la roca, se optimiza para evitar el desgaste a la abrasión, a la temperatura y al impacto en las aplicaciones de conos giratorios.

COJINETES (Permiten a los conos girar alrededor del cuerpo de la barrena):

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Hay tres diseños principales de cojinetes en uso en los trépanos actuales, ellos son:

1. Cojinetes estándar de rodamientos a rodillos y bolillas.2. Cojinetes sellados con rodillos y bolillas.3. Cojinetes sellados a fricción.

Cojinetes estándar de rodamientos a rodillos y bolillas: son rápidamente dañados por el lodo y las sustancias sólidas. A pesar de utilizar lubricantes especiales, la fatiga y el desgaste de las superficies del cojinete de rodillos, y los surcos sobre las piezas de sujeción y los conos, limitaban la vida del cojinete.

Cojinetes sellados con rodillos y bolillas: Tienen sellos para mantener la grasa dentro de los cojinetes y evitar que los líquidos o las sustancias sólidas penetren.

Cojinetes sellados a fricción: Son utilizados en casos en los que los trépanos están sometidos a grandes fuerzas.

CUERPO DEL TREPANO TRICONICO.-

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El cuerpo del trépano consiste en:

1. Una conexión roscada que une el trépano con la columna de perforación.2. Tres ejes del cojinete donde van montados los conos.3. Los depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes.4. Los orificios a través de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar el fondo del pozo.

Uno de los propósitos del cuerpo del trépano es dirigir el fluido de perforación. Estos fluidos tienen por objeto maximizar la penetración. Para ello el chorro debe: separar los recortes desprendidos, limpiar los conos y los cortadores, refrigerar el trépano, y transportar los recortes hacia la superficie para evitar la pulverización de los mismos.

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TREPANOS DE CORTADORES FIJOS O DE ARRASTRE:

Estas tienen cuchillas endurecidas, en vez de cortadores distribuidos, las cuales hacen parte integral de la broca y rotan sólidamente con esta y con la sarta. Tienen la tendencia a producir un alto torque y también a perforar huecos con muy altas desviaciones. La penetración se consigue por raspado usando poco peso en la broca (Weight On Bit, WOB) y alta velocidad de rotación (RPM).

Al igual que los trépanos triconos, los trépanos de arrastre están principalmente formados por los siguientes elementos:

1.    El cuerpo del trépano.2.    Las estructuras cortadoras, o cortadores.

Como se dijo antes, los trépanos de arrastre están formados por un cuerpo sólido sin partes móviles y elementos cortantes insertados en el cuerpo que giran en conjunto. Los

elementos cortantes pueden ser: de diamante natural, de insertos de PDC o impregnadas de diamante.

ESTRUCTURAS DE CORTE EN TREPANOS DE ARRASTRE.-

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TREPANOS DE DIAMANTE NATURAL.-

Las barrenas de diamante natural utilizan diamante industrial (no de la calidad del de las joyas) proveniente de las rocas naturales, que son trituradas y procesadas para producir tamaños específicos y formas redondeadas regulares.

Los diamantes naturales se forman en zonas profundas de la tierra sometidas a intenso calor y extrema presión durante miles de años.

Anteriormente los diamantes se colocaban en cuchillas de carburo de tungsteno durante la sintetización, pero las cuchillas tendían a desgastarse demasiado rápido, además que los diamantes se aflojaban y finalmente originaban la detención de la perforación. No obstante, cuando los diamantes naturales fijados en la superficie se salen de la matriz o se pulen, no queda elementos duros y filosos para moler las formaciones.

Los diamantes naturales están montados en las barrenas con estructura de acero.

Las barrenas de diamante natural perforan lentamente ranurando y pulverizando respectivamente, lo que hace que ambas requieran una gran carga sobre el trépano y altos esfuerzos de torsión.

Las barrenas de diamante natural son aptas para formaciones semiduras y extremadamente duras, cuya abrasividad es mediana o extremadamente alta.

TREPANOS DE DIAMANTE NATURAL

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TREPANOS DE PDC (Poli-Diamond Cutters).-

Los cortadores de PDC están formados por discos de diamante sintético y substratos más gruesos de carburo cementado. El cobalto forma un enlace con el substrato para formar compactos integrales que con frecuencia se adhieren a refuerzos más largos de carburo cementado para el montaje.

Al ser calentado, el cobalto se expande más que el diamante. A 700 ºC 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 para evitar la falla. Para superar esta limitación, los diamantes policristalinos termalmente estables (TSP, 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 1150 ºC, pero son mantenidos en su lugar en forma mecánica debido a que ellos no pueden permanecer adheridos directamente a los soportes.

Los cortadores PDC son más resistentes al impacto que los diamantes naturales y son extremadamente eficaces en rocas duras moderadamente abrasivas.

Los insertos de PDC pueden montarse tanto en las barrenas de acero como en las barrenas de matriz.

Las barrenas de PDC perforan rápido debido a la acción de corte que ejerce, lo que requiere menos energía.

Los trépanos de PDC son más adecuados para formaciones que van de blandas a duras, con baja a alta abrasividad.

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TREPANOS PDC

TREPANOS IMPREGNADOS DE DIAMANTE.-

Las partículas de diamante están suspendidas en la matriz de carburo de tungsteno de las cuchillas del trépano, a fin de incrementar en gran medida la resistencia al desgaste.

Los diamantes pulverizan las formaciones duras y los filos de las cuchillas cortan las formaciones blandas en forma similar a las barrenas de PDC.

La velocidad de penetración se reduce gradualmente a medida que las cuchillas pierden el filo. La matriz se desgasta para exponer continuamente nuevos y filosos diamantes. La vida útil de la barrena es una función del volumen impregnado de diamante que puede colocarse en la parte frontal de la barrena.

Hoy en día, las barrenas impregnadas de diamante son capaces de perforar diferentes tipos de formaciones, que van desde blandas a duras y abrasivas.

Además, se pueden perforar formaciones interestratificadas. Un balance entre las propiedades de la matriz y del diamante, optimiza el

rendimiento de la perforación y el ahorro de los costos. Si la matriz es demasiado blanda, los diamantes se liberan antes de que se desgasten, lo que acorta el tiempo de utilización del trépano. Si la matriz es demasiado dura, los diamantes no se exponen adecuadamente y las velocidades de penetración se reducen.

Los trépanos impregnados cuentan con diamantes en o cerca de la superficie de las cuchillas.

Las barrenas impregnadas de diamante perforan lentamente ranurando y pulverizando respectivamente, lo que hace que ambas requieran una gran carga sobre el trépano y altos esfuerzos de torsión.

Las barrenas impregnadas de diamante son aptas para formaciones semiduras y extremadamente duras, cuya abrasividad es mediana o extremadamente alta.

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TREPANO IMPREGNADO DE DIAMANTES

Además, existen dos tipos de cuerpos: los de acero y los de matriz.

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CUERPO DE UN TREPANO DE ARRASTRE.-

El acero es más blando que el carburo de tungsteno por lo que suele utilizarse el cementado para endurecer la superficie y resistir mejor la erosión. También se puede pueden aplicar metales duros.

Las barrenas de acero soportan mejor el impacto o las cargas de torsión y se prefieren para formaciones blandas y tamaños de agujeros grandes.El carburo de tungsteno es más frágil que el acero, pero posee una mayor resistencia a la erosión. Los polvos de carburo de tungsteno y una aleación adherente se colocan en un molde con un núcleo de acero y se sinterizan para producir barrenas de matriz.

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Las barrenas de matriz duran más (en comparación con las de cuerpo de acero) y pueden fabricarse en formas complejas.