CAPÍTULO 10. BARRENAS - escueladeperfora
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<strong>10.</strong> <strong>BARRENAS</strong><br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
<strong>10.</strong>1 SELECCIÓN DE UNA BARRENA TRICÓNICA O DE CORTADORES<br />
FIJOS (PDC) PARA PERFORAR.<br />
Criterios de selección de barrenas<br />
Objetivos de perforación<br />
Para el proceso de selección es fundamental conocer los objetivos de perforación,<br />
que incluyen todo tipo de requisitos especiales del personal para perforar el pozo.<br />
Esta información ayudará a determinar las mejores características de la barrena<br />
que requiere la aplicación y a concentrar sus esfuerzos en satisfacer las<br />
necesidades de Pemex y sus requisitos de perforación.<br />
Rendimiento. Uno de los principales objetivos del personal técnico es perforar el<br />
pozo en el menor tiempo posible. Esto significa orientar la selección de barrenas<br />
hacia la búsqueda del tipo que más duración tenga; se busca principalmente la<br />
máxima cantidad de metros en un tiempo de rotación aceptable, eliminando así el<br />
costoso tiempo del viaje.<br />
Direccional. El tipo de pozo direccional es un criterio importante cuando se deben<br />
de seleccionar las características de las barrenas ya sea tricónicas o de diamante.<br />
Una ventaja específica de las barrenas de diamante es su gran alcance y sus<br />
posibilidades para perforar en sentido horizontal. Estos tipos de pozos, por lo<br />
general, tienen secciones homogéneas muy prolongadas que son óptimas para las<br />
aplicaciones con barrenas de diamante. La densidad de los cortadores, la cantidad<br />
de aletas, el control de la vibración y el calibre de la barrena son, todos ellos,<br />
parámetros de selección fundamentales cuando se estudian las aplicaciones<br />
direccionales.<br />
Economía. El medio ambiente económico es un factor fundamental para la<br />
aceptación de los diseños con diamante, siempre y cuando los análisis de costos<br />
así lo determinen; en caso contrario se debe seleccionar barrenas tricónicas.<br />
Análisis históricos<br />
Un análisis objetivo de los pozos de correlación (pozos offset) ofrece la<br />
oportunidad de comprender las condiciones en el fondo del pozo, las limitaciones<br />
de su perforación y en algunos casos la adecuada selección de barrenas. Los<br />
análisis históricos comienzan con una colección de registros o récords de barrenas<br />
e información relacionada con el pozo. Se debe tener la precaución de que los<br />
registros de barrenas sean representativos de lo que será perforado en el pozo<br />
objetivo. La información también debe ser actualizada y reflejar los tipos de<br />
barrenas recientes, es decir, de menos de dos años de antigüedad. Por supuesto,<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
esto no es posible en el caso de pozos de exploración o en los pozos de campos<br />
más antiguos que no han sido perforados recientemente. En estos casos, se<br />
dependerá principalmente de la información geológica y debería considerar el<br />
primer pozo como una referencia para las recomendaciones de las aplicaciones<br />
futuras.<br />
El análisis de los registros de las barrenas puede ofrecer datos de gran<br />
valor si éstos se registran en forma precisa y completa.<br />
Coeficiente de penetración típico. El coeficiente de penetración es una indicación<br />
de la dureza de la roca; no obstante una selección inadecuada de la barrena<br />
puede ocultar las características de dureza de la roca. Esto es particularmente<br />
válido cuando se elige una barrena demasiado dura para una aplicación. La<br />
barrena más dura, debido a la densidad de sus cortadores o la proyección de sus<br />
dientes, tiene un límite superior de coeficiente de penetración determinado por su<br />
diseño. Por lo general, a medida que se perfora más profundo, se espera utilizar<br />
barrenas cada vez más duras. El análisis de la resistencia de las rocas, ha<br />
revelado que este paradigma no siempre es válido y, en muchos casos, las<br />
barrenas más blandas pueden utilizarse con éxito en las partes más profundas del<br />
pozo.<br />
Fluidos de perforación. El tipo y la calidad del fluido de perforación que se utiliza<br />
en el pozo tienen un efecto muy importante en el rendimiento de la barrena. Los<br />
fluidos de perforación con base aceite mejoran el rendimiento de las estructuras<br />
de corte de PDC; el rendimiento del diamante natural y del TSP varía según la<br />
litología. El fluido de perforación base agua presenta más problemas de limpieza<br />
debido, en gran parte, a la reactividad de las formaciones a la fase acuosa del<br />
fluido de perforación. Los récords pueden determinar la variación y el nivel de<br />
efectividad de los fluidos de perforación que se usan en el campo.<br />
Energía hidráulica. La energía hidráulica, de la cual el régimen de surgencia es un<br />
componente integral, proporciona la limpieza y enfriamiento a la barrena. Se<br />
refiere en términos de caballos de fuerza hidráulica por pulgada cuadrada<br />
(“hydraulic horse power per square inch”, HSI) de superficie en todas las<br />
secciones del fondo del pozo. Los análisis históricos mostrarán los parámetros<br />
comunes utilizados en el campo y qué oportunidades existen para una mejor<br />
utilización de la energía hidráulica por medio de la selección de las barrenas o de<br />
los parámetros de operación. Las barrenas de diamante deben funcionar de<br />
acuerdo con escalas hidráulicas específicas para asegurar su eficiente limpieza y<br />
enfriamiento. Los regímenes de surgencia insuficientes y el índice de potencia<br />
hidráulica (HSI) afectan el enfriamiento y pueden provocar daños térmicos en la<br />
estructura de los cortadores. La falta de la limpieza sólo hará que la barrena se<br />
embole, lo que provocará un rendimiento deficiente o nulo. Existen diseños de<br />
barrenas que aliviarán parcialmente algunas de estas condiciones, pero para<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
alcanzar un rendimiento óptimo se deben utilizar los mejores parámetros de<br />
hidráulica en las aplicaciones de barrenas de diamante.<br />
Énfasis en los costos. Indica la sensibilidad del personal con respecto al costo. La<br />
mayoría de las veces esto se traduce en barrenas de menor precio. Los Ingenieros<br />
de diseño y operación deben tomar en cuenta el número de oportunidades que<br />
afectan los costos de un pozo y que dependen del tiempo. Se debe recordar<br />
siempre que esto mejoraría si se selecciona una barrena de perforación de alta<br />
calidad. La barrena debe tener las cualidades que satisfagan las necesidades de<br />
aplicación de la compañía perforadora sin aumentar indebidamente su costo. Una<br />
barrena de diamante que pueda volver a utilizarse da lugar a costos más bajos de<br />
perforación. Así la compañía perforadora tendrá la oportunidad de utilizar un<br />
producto de alta tecnología que, en otro caso, sería una situación económica<br />
marginal.<br />
Restricciones de perforación<br />
Los parámetros operativos deben corresponder a una escala aceptable para que<br />
una barrena de diamante ofrezca los mayores beneficios. Por lo general, los<br />
parámetros que no se corresponden con escalas reducirán la eficiencia del costo<br />
del producto. Cuando se encuentran estas situaciones se debe considerar una<br />
barrena de roles. Por el contrario, algunas restricciones brindan oportunidades<br />
para seleccionar una barrena de diamante.<br />
Limitaciones de peso sobre barrena. Cuando se encuentran situaciones de PSB<br />
limitado, una estructura de corte eficiente como un PDC tiene posibilidades de<br />
ofrecer un mayor Ritmo de Penetración (ROP) que una barrena de roles.<br />
Escalas de revoluciones por minuto (RPM). La velocidad que el personal técnico<br />
espera utilizar en la barrena, indica los parámetros de vibración y resistencia al<br />
desgaste que se necesitarán para mantener un desgaste parejo de la barrena y<br />
prolongar su duración. Las barrenas de diamante se pueden utilizar mejor que las<br />
barrenas de roles a altas velocidades de rotación.<br />
Formaciones nodulares. Las formaciones de ftanita, pirita y conglomerados se<br />
denominan comúnmente formaciones nodulares. Por lo general, en este tipo de<br />
formaciones no se puede utilizar la mayoría de las barrenas de diamante debido al<br />
daño por impacto en la estructura de sus cortadores. Sin embargo, existen<br />
estructuras de corte que pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones.<br />
Ampliación. Si se planifican más de dos horas de operaciones de ampliación, se<br />
debe considerar seriamente la corrida de una barrena de roles. El ensanche<br />
excesivo puede dañar la superficie del calibre de una barrena de diamante porque<br />
las cargas de la barrena se concentran en una superficie muy pequeña. La<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
vibración lateral también se debe considerar. La estructura de corte está sólo<br />
parcialmente engranada y, por tanto, hay escasas oportunidades, o ninguna, para<br />
que las características del diseño de la barrena puedan funcionar.<br />
Pozos profundos. Estos pozos pueden resultar en una cantidad desproporcionada<br />
de tiempos de viaje con respecto al tiempo de perforación. Como resultado, la<br />
eficiencia de perforación es extremadamente reducida. Se debe considerar una<br />
barrena de diamante para ofrecer mayor duración de la barrena (menos viajes) y<br />
una mejor eficiencia general de la perforación.<br />
Pozos de diámetro reducido. Si el pozo tiene menos de 6 ½ pulgadas, se necesita<br />
una reducción física del tamaño de los cojinetes en todas las barrenas de roles.<br />
Estas limitaciones requieren una reducción de PSB, que resultará en un mayor<br />
coeficiente de penetración. Se debe considerar una barrena de diamante para<br />
aumentar el coeficiente de penetración y para permanecer en el pozo durante<br />
periodos prolongados.<br />
Aplicaciones con motores. Algunos motores dentro del pozo funcionan a altas<br />
velocidades (a más de 250 R.P.M.). Las excesivas R.P.M aumentan la carga<br />
térmica en los cojinetes y aceleran las fallas de la barrena. Se debe considerar<br />
una barrena de diamante, que no tiene partes móviles, para optimizar las R.P.M y<br />
los objetivos de perforación.<br />
Atributos del medio ambiente<br />
Para lograr una selección total de barrenas para el pozo que se va a perforar es<br />
necesario analizarlo por secciones que se puedan manejar. El más evidente es,<br />
por supuesto, el diámetro del pozo. Luego se podrá subdividir cada sección del<br />
pozo en intervalos con atributos comunes respecto a su medio ambiente. El<br />
rendimiento económico es una función del costo operativo, el costo de las<br />
barrenas, el coeficiente de penetración y el intervalo perforado.<br />
Los atributos del medio ambiente pueden dividirse según categorías de<br />
parámetros en cuanto al tipo de roca, medio ambiente y operativos. Un análisis<br />
detallado de cada una de estas categorías indicará los parámetros individuales de<br />
selección de barrenas tricónicas o de diamante. En formaciones en donde pueden<br />
perforar las barrenas de diamante con ritmos de penetración mucho mayores que<br />
las barrenas tricónicas es indiscutible su utilización. Debido a lo anterior en los<br />
últimos años cuando se selecciona una barrena, antes que nada se hacen<br />
estudios para seleccionar las de diamante.<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Tipo de roca<br />
Si se cuenta con datos precisos sobre las formaciones que deberán perforarse en<br />
el intervalo objetivo, se podrá seleccionar con más facilidad la estructura óptima de<br />
corte y la densidad que requiere la aplicación, ya sea barrena tricónica o de<br />
diamante.<br />
Litología. Por lo general, la información litológica es la primera que se necesita<br />
para determinar la mejor selección. Definidos los tipos de rocas se asocian más<br />
con la mecánica de corte de las barrenas de diamante. Sin embargo, para las<br />
aplicaciones de diamante quizás sean aún más importantes los tipos litológicos<br />
desfavorables, que seguramente provocarán fallas graves. El tipo de roca ayuda a<br />
determinar el tipo de corte necesario para vencer su resistencia: corte, surcado o<br />
molido.<br />
Características litológicas. Definen aún más los parámetros de selección para la<br />
barrena una vez que se eligió. Para las barrenas de diamante indican la densidad<br />
requerida para los cortadores, la configuración hidráulica y permiten estimar la<br />
duración de la barrena y su coeficiente de penetración.<br />
De transición. Indica cambios en la dureza de la formación del intervalo objetivo.<br />
Provocará cargas disparejas en el perfil de la barrena a través de la transición. Las<br />
vibraciones axiales, de torsión y laterales son, posiblemente, factores en este<br />
medio ambiente. La calidad y la densidad específicas de los cortadores<br />
constituirán el criterio de selección.<br />
Homogeneidad. Indica la consistencia de la formación. Existe más flexibilidad de<br />
selección con respecto a características agresivas de la barrena, como menor<br />
densidad de los cortadores. Para las barrenas tricónicas sólo basta escogerlas de<br />
acuerdo con la dureza de la roca.<br />
Interestratificación. Esta característica se relaciona con las formaciones de<br />
transición e indica cambios en la litología del intervalo en estudio. Se deberá<br />
considerar la selección de tipos específicos de cortadores o dientes, así como su<br />
calidad y densidad.<br />
Fracturados o nodulares. A este indicador se le debe prestar mucha atención. Es<br />
una situación de alto impacto para la cual, por lo general, no se recomiendan las<br />
barrenas de diamante. Sin embargo, determinadas estructuras de corte, como las<br />
barrenas de diamante natural con fijaciones dorsales y las barrenas impregnadas,<br />
pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones.<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Tendencias de desviación. Normalmente esto se relaciona con formaciones de<br />
buzamiento y perforación de transición. El tipo de calibre es el criterio de selección<br />
fundamental para estas aplicaciones.<br />
Vibración. La vibración en el proceso de perforación ha demostrado tener una<br />
función fundamental en el rendimiento y la duración de las barrenas de<br />
perforación. En realidad, el control de las vibraciones forma, en la actualidad, parte<br />
integral de la tecnología y el diseño de las barrenas. Existen parámetros de<br />
selección de barrenas que se refieren especialmente al control de la vibración. La<br />
selección de calibre también desempeña una función importante para determinar<br />
el nivel de control de la vibración de acuerdo con el diseño de barrena ya sea<br />
tricónica o de diamante.<br />
Selección por medio de registros geofísicos<br />
Los registros geofísicos de los pozos son una importante fuente de información<br />
sobre las características de las formaciones que se perforan en un pozo. Existe<br />
una gran variedad de registros, cada uno diseñado para medir diferentes<br />
propiedades de las rocas.<br />
Algunos de estos registros son utilizados cuando se evalúa principalmente<br />
una aplicación de barrena de diamante. Los registros necesarios son: neutrones,<br />
rayos gamma, sónico y densidad. A continuación se describe cada uno de ellos.<br />
Registro de neutrones<br />
Mide la capacidad de las formaciones para atenuar los flujos de neutrones. Puesto<br />
que la masa atómica esta muy cercana al hidrógeno, los neutrones no pueden fluir<br />
fácilmente a través de formaciones que tengan alto contenido de hidrógeno, lo<br />
cual permite medir el hidrógeno de la formación. Esta medida se puede usar para<br />
computar la porosidad de la formación. (Gráfica <strong>10.</strong>1)<br />
Registro de rayos gamma<br />
Detecta el grado de radiación gamma natural que emiten las formaciones. Esto<br />
permite identificar los intervalos de lutita que emiten altos niveles de radiación. El<br />
registro diferencia las lutitas de las areniscas y de los carbonatos y es lo bastante<br />
preciso para detectar lechos delgados de lutitas y arcillas. (Gráfica <strong>10.</strong>1)<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Gráfica <strong>10.</strong>1<br />
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cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Registro sónico<br />
Depende de la propagación de las ondas acústicas a través de la formación. Las<br />
ondas las genera un transmisor situado en la herramienta. Receptores, también<br />
puestos en la herramienta, vigilan las ondas de retorno y calculan el tiempo de<br />
desplazamiento. Mientras más corto sea el intervalo entre la emisión y la<br />
recepción de las ondas, más densa es la formación. (Gráfica. <strong>10.</strong>2)<br />
Gráfica <strong>10.</strong>2<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Registro de densidad<br />
Mide la densidad en masa de la formación. La herramienta de registro tiene una<br />
fuente de rayos gamma y algunos detectores. Formaciones de baja porosidad<br />
dispersan los rayos gamma y así pocas logran ser detectadas por la<br />
instrumentación de la herramienta. Las formaciones de alta porosidad tendrán<br />
menor efecto de dispersión que los rayos, y así logran que mayor cantidad llegue<br />
a ser detectada. (Ver gráfica <strong>10.</strong>1)<br />
Análisis de resistencia a la compresión<br />
Es un método cualitativo, relativamente nuevo para calcular la dureza de la roca,<br />
muy útil para determinar cuándo se debe usar barrenas PDC. Antiguamente, el<br />
análisis de la dureza de las rocas se basaba en el uso de registros de la velocidad<br />
de las ondas sonoras, obtenidos de registros sónicos, como medio para<br />
reemplazar la medición directa o el cálculo de la dureza. Recientemente se han<br />
desarrollado programas para obtener el valor correspondiente a la resistencia a la<br />
compresión de rocas no confinadas (a presión atmosférica), usando la información<br />
de la velocidad sónica para computar un valor correspondiente a la naturaleza de<br />
la roca no confinada. Aunque este enfoque es mejor que el de usar directamente<br />
las velocidades sónicas, el cálculo de la dureza de rocas no confinadas así<br />
obtenido es frecuentemente más bajo que el de las rocas comprimidas<br />
(confinadas) que se perforan. La resistencia de la roca es su dureza a presión<br />
atmosférica.<br />
Algunas compañías de barrenas han desarrollado un programa de<br />
cómputo que ayuda a seleccionar barrenas PDC. Los datos de los registros se<br />
introducen en dichos programas en código ASCII. Esta información es la base<br />
para calcular la resistencia a la compresión de la roca a condiciones de fondo.<br />
Estos programas definen con mayor precisión la dureza de la roca en lo referente<br />
a su dureza confinada, valor que se aproxima a la dureza de las formaciones en el<br />
fondo del pozo.<br />
Los programas utilizan los registros sónico y de rayos gamma, así como<br />
gran número de datos de ingreso de registros del lodo. Dentro de la escala de<br />
litologías, para la cual son válidos los programas, la dureza de las rocas se puede<br />
determinar con más precisión. El programa genera gráficos, en formato de<br />
registros, que muestran trazas de los datos originales de los registros del lodo, la<br />
litología interpretada por las computadora, los valores calculados de la resistencia<br />
de la roca confinada y otros datos opcionales sobre las características mecánicas<br />
de la roca.(Gráfica <strong>10.</strong>3)<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Gráfica <strong>10.</strong>3<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Con el fin de tener un panorama de cómo funcionan los programas de cómputo<br />
para obtener la resistencia de las rocas a partir de los registros antes<br />
mencionados, presentamos el siguiente diagrama de flujo.<br />
FRACCIÓN DE ARCILLA<br />
GAMMA<br />
SÓNICO<br />
REGISTROS DEL LODO<br />
SÓNICO<br />
MÓDULO<br />
YOUNG<br />
(ELASTICIDAD)<br />
RESISTENCIA<br />
DE LA ROCA<br />
CONFINADA<br />
(LBS/PG 2 )<br />
203<br />
POROSIDAD<br />
DENSIDAD
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Selección en función de la formación que se va a perforar<br />
La primera y más importante tarea para seleccionar y utilizar una barrena en una<br />
aplicación específica es realizar la completa descripción de las formaciones que se<br />
han de perforar. El conocimiento de sus propiedades físicas puede demostrar<br />
algunos indicativos sobre el tipo de barrena que se debe seleccionar en intervalos<br />
determinados.<br />
Si la formación es muy elástica, tiende a deformarse cuando se comprime<br />
en lugar de fracturarse. Aunque la roca tenga resistencia a la compresión<br />
relativamente baja, es posible que la barrena no genere recortes fácilmente. En<br />
estas situaciones cuando se perfora con barrenas PDC se recomienda cortadores<br />
grandes.<br />
Las barrenas PDC se desarrollaron primordialmente para perforar<br />
formaciones sedimentarias blandas a medianas que antes se perforaban con<br />
barrenas de dientes fresados y con barrenas con insertos de carburo de<br />
tungsteno. En estas formaciones blandas, las barrenas PDC han logrado ritmos de<br />
penetración hasta tres veces más altos que con barrenas de rodillos.<br />
El incremento de los ritmos de penetración se debe al mecanismo de corte<br />
por cizallamiento de las barrenas PDC, a su más larga duración efectiva, a la<br />
resistencia de los diamantes a la abrasión y al hecho de que las barrenas PDC<br />
carecen de piezas móviles que puedan fallar. La siguiente lista resume los<br />
principales tipos de formaciones, en orden descendente de dificultad para<br />
perforarlas. Las formaciones que se consideran aptas para perforarse con<br />
barrenas PDC son las de tipo 1 a 7, si bien en ciertas aplicaciones se puede usar<br />
para perforar areniscas blandas (tipo 8) y algunas evaporitas (tipo 9, 10 y 11). Las<br />
formaciones de tipo 12 ó de números más altos aún no se pueden perforar con<br />
barrenas PDC.<br />
• Arcilla<br />
• Barro compacto (mudstone)<br />
• Marla<br />
• Evaporita<br />
• Yeso<br />
• Lutita<br />
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<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
• Limo<br />
• Arenisca<br />
• Anhidrita<br />
• Caliza<br />
• Dolomita<br />
• Conglomerado<br />
• Horsteno<br />
• Rocas volcánicas<br />
Debe recordarse que dentro de cada grupo de formaciones hay<br />
“subgrupos”, algunos de los cuales no se pueden perforar con barrenas PDC, al<br />
menos hasta ahora con la tecnología existente.<br />
La resistencia de la roca puede estar relacionada con la litología. Se debe<br />
tener cuidado de no equiparar el nombre de la formación con el tipo de roca,<br />
especialmente cuando se trata de lutitas. Algunas formaciones denominadas<br />
”lutitas” no coinciden con la definición. Ejemplos de estas anomalías son las lutitas<br />
Laffan de Dubai y las lutitas Wolfcamp de Texas, las cuales son rocas de<br />
carbonato.<br />
En las tablas <strong>10.</strong>1, <strong>10.</strong>2 y <strong>10.</strong>3 se proporciona una guía para seleccionar<br />
una barrena tricónica o PDC para perforar.<br />
205
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Tabla <strong>10.</strong>1Características de diseño, construcción y funcionamiento de las barrenas de dientes de acero<br />
maquinado.<br />
206
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Tabla <strong>10.</strong>2Características de diseño, construcción y funcionamiento de las barrenas de dientes de<br />
insertos de carburo de tungsteno.<br />
Clasificación de la<br />
Barrena<br />
Formación<br />
Medio<br />
Suave<br />
Formación<br />
Media<br />
Formación<br />
Media<br />
Dura<br />
Formaciones<br />
Extremadamente<br />
Duras<br />
Tipo de<br />
Barrena<br />
511, 514,<br />
516 521,<br />
524, 526<br />
531, 534,<br />
536, 611,<br />
614, 616<br />
621, 624,<br />
626, 711,<br />
714, 716<br />
721, 724,<br />
726, 811,<br />
814, 816<br />
Descripción de<br />
la Formación ó<br />
Roca<br />
Suaves no<br />
consolidadas<br />
baja resistencia<br />
a la compresión<br />
y alta<br />
perforabilidad<br />
tales como<br />
arcillas, lutitas,<br />
sal, etc. De<br />
intervalos<br />
considerables.<br />
Intercalaciones<br />
más blandas de<br />
formaciones<br />
duras (caliza,<br />
dolomitas y<br />
lutitas arenosas<br />
duras).<br />
Intercalaciones<br />
medias en<br />
formaciones<br />
duras (pedernal,<br />
granito, basalto,<br />
formaciones<br />
cuarcíticas).<br />
Las más duras<br />
de las<br />
formaciones<br />
duras y<br />
abrasivas<br />
(cuarcitas y<br />
arenas<br />
cuarcíticas<br />
duras).<br />
Estructura<br />
Cortadora<br />
Insertos<br />
blandos:<br />
insertos en<br />
forma de<br />
dientes de<br />
extensión<br />
máxima.<br />
Insertos<br />
medios:<br />
insertos en<br />
forma de<br />
cuña de<br />
extensión<br />
media.<br />
Insertos<br />
duros:<br />
insertos en<br />
forma cónica<br />
de mínima<br />
extensión<br />
con máxima<br />
resistencia.<br />
207<br />
Excentricidad<br />
y Ángulo de<br />
Cono<br />
Insertos<br />
blandos<br />
proveen acción<br />
rascadora y<br />
raspadora.<br />
Insertos<br />
medios: acción<br />
trituradora con<br />
ligero raspado.<br />
Insertos duros:<br />
acción<br />
trituradora.<br />
Tamaño de los<br />
Baleros y<br />
Espesor de la<br />
Concha<br />
Los insertos<br />
blandos proveen<br />
conchas de cono<br />
más delgadas y<br />
baleros más<br />
pequeños.<br />
Insertos tipo<br />
medio, previsto<br />
de una sección<br />
de concha más<br />
gruesa para<br />
mayor<br />
resistencia.<br />
Inserto tipo duro,<br />
provisto de<br />
baleros grandes<br />
con una sección<br />
de concha<br />
gruesa.<br />
Acción Cortadora<br />
Principalmente<br />
rascado-raspado<br />
con un mínimo<br />
requerimiento de<br />
astillado triturado.<br />
Fundamentalmente<br />
astillado y rascado<br />
con algo de acción<br />
trituradora.<br />
Principalmente<br />
trituradora con algo<br />
de acción<br />
rascadora.<br />
Solamente acción<br />
trituradora y<br />
fracturadora.
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>1 Selección de una barrena tricónica o de<br />
cortadores fijos (PDC) para perforar<br />
Tabla <strong>10.</strong>3<br />
GUÍA DE SELECCIÓN DE <strong>BARRENAS</strong> DE DIAMANTE<br />
Formación Tipo de Roca Barrenas PDC Barrenas D.N Barrenas TSP<br />
Formación suave<br />
con capas<br />
pegajosas y baja<br />
resistencia<br />
compresiva.<br />
Formación suave<br />
con baja<br />
resistencia<br />
compresiva y alta<br />
perforabilidad.<br />
Formación suave<br />
a media con baja<br />
resistencia<br />
compresiva con<br />
intercalación de<br />
capas duras.<br />
Formación media<br />
a dura densa con<br />
alta a muy alta<br />
resistencia<br />
compresiva pero<br />
no abrasiva o con<br />
pequeñas capas<br />
abrasivas.<br />
Formación dura y<br />
densa con muy<br />
alta resistencia<br />
compresiva y<br />
algunas capas<br />
abrasivas.<br />
Formación<br />
extremadamente<br />
dura y abrasiva.<br />
Lutita<br />
Marga<br />
Marga<br />
Sal<br />
Anhídrita<br />
Arcilla<br />
Arena<br />
Arcilla<br />
Yeso<br />
Arcilla<br />
Mudstone<br />
Arenisca<br />
Caliza<br />
Dolomía<br />
Anhidrita<br />
Siltstone<br />
Arenisca<br />
mudstone<br />
Cuarcita<br />
Volcánica<br />
M 314<br />
M 611<br />
M 612<br />
M 672<br />
M 342<br />
M 312<br />
M 645<br />
M – 646<br />
M – 346<br />
M – 256<br />
208<br />
Código I. A. D. C.<br />
D 2 R I<br />
D I X 2<br />
D 2 R 2<br />
M 2 6 3<br />
D 2 X 5<br />
D 4 X 6<br />
D 5 X 9<br />
D 4 X 9<br />
T 2 R 8<br />
T 6 4 6<br />
T 2 X 8<br />
T 2 R 8<br />
D 5 6 0<br />
D 5 6 0
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
<strong>10.</strong>2 TECNOLOGÍA DE LOS CORTADORES FIJOS<br />
Barrenas de cortadores fijos<br />
Las barrenas de diamante tienen un diseño muy elemental. A diferencia de las<br />
tricónicas, carecen de partes móviles, aunque esta característica sería deseable.<br />
El material usado para la construcción, además de los diamantes, puede variar<br />
según el tipo de las barrenas y de las características de los fabricantes.<br />
Normalmente el cuerpo fijo de la barrena puede ser de acero o de carburo de<br />
tungsteno (matriz) o una combinación de ambos.<br />
Estas barrenas son fabricadas con diamante natural o sintético, según el<br />
tipo y características de la misma. La dureza extrema y la alta conductividad<br />
térmica del diamante lo hacen un material con alta resistencia para perforar en<br />
formaciones duras a semiduras, y en algunos tipos de barrenas, hasta<br />
formaciones suaves.<br />
Las barrenas de diamante, a excepción de las barrenas PDC, no usan<br />
toberas de lodos para circular el fluido de control para aprovechar su hidráulica.<br />
Están diseñadas de tal manera que el fluido de perforación pueda pasar a través<br />
del centro de la misma, alrededor de la cara de la barrena y entre los diamantes<br />
por unos canales llamados vías de agua o de circulación. (Fig.<strong>10.</strong>1)<br />
Figura <strong>10.</strong>1 Barrena de diamantes<br />
209
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
Los conductos para encauzar el fluido de perforación (vías de agua), en<br />
las barrenas de diamantes no son tan variables como los de las barrenas de<br />
chorro con toberas. Estas tienen dos configuraciones básicas, el flujo con matriz y<br />
el flujo radial, también existen variaciones de cada tipo, así como combinaciones<br />
de ambos.<br />
Por la configuración de este tipo de barrenas, el fondo del agujero se<br />
encuentra junto a las vías de circulación para crear restricciones al flujo, y así<br />
forzar el fluido de perforación a través del diamante para limpiar y enfriar la<br />
barrena y, a la vez, cortar la roca por fricción y compresión. Por lo general entre<br />
más dura y más abrasiva sea la formación, más pequeño será el diamante que se<br />
debe usar en la barrena.<br />
Códigos IADC para barrenas de cortadores fijos<br />
La IADC desarrolló un sistema de codificación para la identificación de barrenas<br />
de cortadores fijos que incluye a todos los tipos: diamante natural, compactos de<br />
diamante policristalino (PDC) o de diamante térmicamente estable (TSP). Este<br />
código consiste en cuatro caracteres (una letra y tres números) que describen<br />
siete características básicas:<br />
1. Tipo de cortadores.<br />
2. Material del cuerpo de la barrena<br />
3. Perfil de la barrena.<br />
4. Diseño hidráulico para el fluido de perforación.<br />
5. Distribución del flujo.<br />
6. Tamaño de los cortadores.<br />
7. Densidad de los cortadores.<br />
En función de la identificación con el código IADC, existen por lo menos<br />
cinco aspectos fundamentales en el diseño de las barrenas de diamante: la forma<br />
de los cortadores, ángulos de inclinación lateral y de retardo, tipo de protección al<br />
calibre y longitud de la sección del calibre. Si bien todos ellos son factores<br />
importantes en el desarrollo de las barrenas de diamante, lo que se pretende con<br />
este código IADC es dar una idea del tipo de barrena y lograr que se identifiquen<br />
fácilmente sus principales características.<br />
Cabe hacer notar, que a diferencia del código IADC para barrenas<br />
tricónicas, el código IADC para barrenas de diamante no los relaciona con la<br />
formación por perforar. Únicamente, como ya se mencionó, se pueden identificar<br />
sus características más elementales (Ver tablas de códigos IADC en el manual<br />
para Perforador-Cabo. Capítulo 5. Barrenas).<br />
210
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
Barrenas de diamante natural<br />
Las barrenas de diamante natural, al igual que las de otros tipos de diamante,<br />
tienen un cuerpo fijo cuyo material puede ser de matriz o de acero (ver Fig. <strong>10.</strong>1).<br />
El tipo de flujos es radial o de contramatriz, y el tipo de cortadores es de diamante<br />
natural incrustado en el cuerpo de la barrena, con diferentes densidades y diseños<br />
como se clasifica en el código IADC.<br />
El uso de estas barrenas es limitado en la actualidad salvo en casos<br />
especiales para perforar formaciones muy duras, y cortar núcleos de formación<br />
con coronas de diamante natural (Fig. <strong>10.</strong>2).<br />
Figura <strong>10.</strong>2 Coronas de diamante natural.<br />
Otro uso práctico es la aplicación de barrenas desviadoras (Side Track),<br />
para desviar pozos en formaciones muy duras y abrasivas (Fig. <strong>10.</strong>3).<br />
Figura <strong>10.</strong>3 Barrenas desviadoras (SIDE TRACK)<br />
211
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
El mecanismo de corte de este tipo de barrenas es por fricción y arrastre,<br />
lo cual genera altas temperaturas. El tipo de diamante utilizado para su<br />
construcción es el diamante en su forma natural y no comercial; el tamaño varía<br />
de acuerdo con el tipo de diseño de la propia barrena: entre más dura y abrasiva<br />
sea la formación, más pequeño será el diamante que se debe usar. Los diamantes<br />
utilizados para este tipo de barrenas son redondos, pero de forma irregular.<br />
El diamante natural es una forma cristalina y pura de carbón con una<br />
estructura cúbica de cristal. Es el material más duro hasta ahora conocido y en su<br />
forma natural el 80% de los diamantes es para uso industrial, mientras que el solo<br />
20% son para gemas de calidad tras varios procesos de limpieza y depuración.<br />
Barrenas de diamante térmicamente estable (TSP)<br />
El diseño de las barrenas de diamante térmicamente estable (TSP), al igual que<br />
las de diamante natural, es de un solo cuerpo sin partes móviles. Son usadas para<br />
perforación de rocas duras como caliza dura, basalto, y arenas finas duras, entre<br />
otras. Son un poco más usadas para la perforación convencional que la barrenas<br />
de diamante natural. La Fig. <strong>10.</strong>4 muestra el tipo de barrena de diamante TSP.<br />
Figura <strong>10.</strong>4 Barrenas de diamante TSP<br />
El uso de las barrenas TSP también es restringido por que, al igual que las<br />
de diamante natural, presentan dificultad en su uso por restricciones de hidráulica.<br />
Así las vías de circulación están prácticamente en contacto directo con la<br />
formación y, además, se generan altas torsiones en la tubería de perforación por<br />
la rotación de las sartas, aunque en la actualidad se pueden usar con motores de<br />
fondo.<br />
212
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
Este tipo de barrenas usa como estructura de corte, diamante sintético en<br />
forma de triángulos pequeños no redondos, como es el caso de las barrenas de<br />
diamante natural. La densidad, tamaño, y tipos son características que determinan<br />
cada fabricante. Estas barrenas también tienen aplicación para cortar núcleos y<br />
desviar pozos cuando así lo amerite el tipo de formación.<br />
Las barrenas TSP originalmente fueron diseñadas con diamante sintético<br />
fabricado en 1955, por la General Electric. Esta enorme compañía diseñó aparatos<br />
capaces de obtener presiones de 100,000 psi y más de 70,000º F de temperatura<br />
simultáneamente. Esto no fue fácil, sin embargo se tuvo éxito en la sintetización<br />
de diamantes que es, precisamente, otra forma de carbón.<br />
Barrena de compacto de diamante policristalino (PDC)<br />
Las barrenas PDC pertenecen al conjunto de barrenas de diamante con cuerpos<br />
sólidos y cortadores fijos y, al igual que las barrenas TSP, utilizan diamante<br />
sintético. Su diseño de cortadores está hecho con diamante sintético en forma de<br />
pastillas (compacto de diamante), montadas en el cuerpo de los cortadores de la<br />
barrena de diamante natural y las TSP, su diseño hidráulico se realiza con sistema<br />
de toberas para lodo, al igual que las barrenas tricónicas.<br />
El mecanismo de corte de las barrenas PDC es por arrastre. Por su diseño<br />
hidráulico y el de sus cortadores en forma de pastillas tipo moneda y, además, por<br />
sus buenos resultados en la perforación rotatoria, este tipo de barrenas es la más<br />
usada en la actualidad para la perforación de pozos petroleros. También<br />
representa muchas ventajas económicas por su versatilidad.<br />
Por su diseño y características, las barrenas PDC cuentan con una gran<br />
gama de tipos y fabricantes, especiales para cada tipo de formación: desde muy<br />
suaves hasta muy duras, y en diferentes diámetros según el diseño de los pozos.<br />
Además, estas barrenas pueden ser rotadas a alta velocidades, utilizadas con<br />
turbinas o motores de fondo, con diferentes pesos sobre barrena y por su alta<br />
resistencia, así como fácil manejo según las condiciones hidráulicas.<br />
La experiencia de campo con estas barrenas ha creado entre el personal<br />
operativo la creencia de que contribuyen al incremento del ángulo de desviación<br />
del pozo. Esto no ha sido comprobado totalmente; lo cierto es que la teoría de<br />
fabricación de estas barrenas es de efecto contrario, pues por su cuerpo fijo,<br />
tiende a la estabilización del pozo.<br />
213
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
Una desventaja de este tipo de barrenas son los problemas de<br />
acuñamiento en formaciones deleznables y en pozos donde se debe repasar el<br />
agujero por constantes derrumbes de la formación. Este fenómeno contribuye a<br />
que la formación las atrape más fácilmente que una barrena tricónica.<br />
Una secuencia lógica para selección adecuada de una barrena PDC contempla los<br />
siguientes pasos:<br />
a). Obtener información de los pozos prospecto: identificar el objetivo del pozo,<br />
diámetro del agujero, datos del intervalo a perforar, tipo de formación,<br />
contacto geológico, litología, condiciones y requerimientos especiales del<br />
pozo, determinación de restricciones e indicaciones de la perforación.<br />
b). Seleccionar la estructura de corte, cuerpo y perfil de la barrena: identificar el<br />
tipo, tamaño, densidad, distribución e inclinación de los cortadores.<br />
También el tipo de perfil y cuerpo de la barrena lo cual ayudará a la óptima<br />
estabilización y agresividad durante la perforación.<br />
c). Elaborar análisis económico: identificar la ganancia o ahorro esperado con<br />
el uso de este tipo de barrenas con base en el costo por metro y<br />
rentabilidad económica, entre otros.<br />
d). Seleccionar el diseño hidráulico: identificar la hidráulica óptima para<br />
perforar, así como el tipo de fluido de control usado, con base en la limpieza<br />
de los recortes y el enfriamiento de la barrena.<br />
Barrenas especiales<br />
• Barrenas desviadoras<br />
• Barrenas monocónicas<br />
• Barrenas especiales<br />
Las barrenas de chorro desviadoras a veces se emplean para la<br />
perforación direccional de formaciones blandas durante operaciones de desviación<br />
del agujero. La tubería de perforación y la barrena especial son bajadas dentro del<br />
agujero; y el chorro grande es apuntado de modo que, cuando se aplica presión<br />
de las bombas, el chorro deslava el lado del agujero en una dirección específica.<br />
Una barrena considerada para trabajar en condiciones especiales es la<br />
barrena para perforar con aire. Las barrenas de chorro de aire están diseñadas<br />
para la perforación con aire, gas ó neblina, como medio de circulación. Estas<br />
barrenas están provistas de conductos para circular parte del aire, gas ó neblina a<br />
través de los cojinetes no-sellados, con el fin de enfriarlos y mantenerlos limpios.<br />
214
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>2 Tecnología de los cortadores fijos<br />
Los filtros de tela metálica colocados sobre la abertura de la entrada de<br />
aire evitan que los ripios, u otras materias extrañas, obstruyan los cojinetes.<br />
Además, existen otros tipos de barrenas especiales que, como su<br />
clasificación lo indica, se usan para operaciones muy específicas y, por lo tanto,<br />
no se considera su análisis económico comparativo para su aplicación directa.<br />
Entre estas se pueden mencionar: las barrenas ampliadoras, las barrenas para<br />
cortar tuberías de revestimiento, barrenas para perforar diámetros demasiado<br />
grandes o pequeños, con aplicación de tubería flexible etcétera.<br />
215
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
<strong>10.</strong>3 PROBLEMAS MÁS COMUNES EN LAS <strong>BARRENAS</strong><br />
Factores que afectan el desgaste de las barrenas<br />
Los factores que afectan el desgaste de las barrenas se puede dividir en:<br />
geológicos, operativos, de manejo y de transporte. Los dos últimos parámetros<br />
pueden obviarse; pero el primero debe ser bien estudiado antes de definir el tipo<br />
de barrena que se va a utilizar. Esto permitirá minimizar el desgaste y determinar<br />
su rendimiento de operación sobre las formaciones que se van a perforar.<br />
Factores geológicos<br />
El factor más importante para la selección y operación de una barrena es el<br />
conocimiento de la geología del sitio que se va a perforar; es decir las propiedades<br />
físicas de la formación, entre las que se pueden mencionar:<br />
Abrasividad. La composición de materiales abrasivos en la constitución de la roca<br />
(pirita pedernal, magnetita, etc.) son la causa del desgaste prematuro en toda la<br />
estructura de una barrena; el calibre es el parámetro más afectado.<br />
Resistencia específica de la roca. Está relacionada con la litología y los eventos<br />
geológicos que se hayan experimentado. Existen rocas que fueron confinadas a<br />
gran profundidad y que posteriormente quedaron a profundidades someras debido<br />
a levantamientos tectónicos. Por esto son más compactas que las de tipos<br />
similares, pero que no han cambiado de profundidad. La resistencia específica de<br />
la roca también depende de la cementación de los granos, forma y tamaño.<br />
Factores operativos<br />
Estos factores deben de ser diseñados de acuerdo con la geología por atravesar y<br />
con la geometría del agujero. Pueden ser modificados en el campo en función del<br />
desempeño observado. A continuación se mencionan los principales factores<br />
operativos así como las consecuencias inherentes a una inadecuada selección:<br />
Peso sobre barrena. A medida que la barrena perfora, los dientes o cortadores se<br />
desgastan, por lo que generalmente se le aplica cada vez más peso. Éste es<br />
recibido por los conos o por la cara de la barrena. Este aumento de peso puede<br />
hacerse hasta lograrse un ritmo de penetración aceptable o hasta llegar al límite<br />
prescrito en las recomendaciones de operación de la barrena; en caso contrario la<br />
barrena, de conos o de diamante, tendrá un desgaste prematuro.<br />
216
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
Velocidad de rotación. La velocidad de rotación suele expresarse con el término<br />
“RPM”, o sea Revoluciones Por Minuto. La alta velocidad de rotación, por sí sola,<br />
no limita el funcionamiento de las barrenas, principalmente a las de diamante, ya<br />
que por su diseño pueden ser usadas como motor de fondo o turbina. En cuanto a<br />
las barrenas de conos hay algunas especiales para altas velocidades de rotación;<br />
sin embargo, hay otros factores que imponen un valor práctico máximo de RPM en<br />
ciertas aplicaciones. Las causas de la limitación son la sarta de perforación y el<br />
mecanismo impulsor. Para evitar velocidades críticas debe usarse el sentido<br />
común: la velocidad de rotación más adecuada es aquella que produzca un<br />
máximo ritmo de penetración, pero sin causar problemas. Debe observarse que en<br />
formaciones blandas el aumento de la velocidad de rotación resulta en un<br />
aumento proporcional del ritmo de penetración. Es posible que en algunas<br />
formaciones más duras ocurra lo contrario debido a que los dientes o cortadores<br />
no pueden perforar la roca si se sobrepasa cierto límite de velocidad de rotación y<br />
se afecte así el desgaste de las barrenas.<br />
Un caso particular son las barrenas de conos diseñadas para ser usadas<br />
con motor de fondo o turbina. En estas condiciones la velocidad de rotación es alta<br />
(los motores de fondo, dependiendo de su diámetro, tipo, gasto, marca etc.,<br />
pueden dar una velocidad de rotación de 50 hasta 600 rpm, mientras que las<br />
turbinas pueden dar una velocidad de rotación mayor a 1000 rpm), y el diseño<br />
específico consiste en mejoras en el sistema de rodamiento e hidráulica;<br />
recubrimiento de carburo de tungsteno para proteger de la abrasión las piernas; y<br />
mantener el sello durante condiciones de carga extrema: sello y grasa para operar<br />
en condiciones de alta temperatura, permite operarlas con seguridad.<br />
Limpieza en el fondo del pozo. La limpieza de fondo es también uno de los puntos<br />
que afectan el desgaste de las barrenas debido a que el fluido de perforación<br />
limpia el pozo al desalojar los recortes. De esta manera evita que la barrena se<br />
embole y se deban usar entonces otros parámetros de perforación. También enfría<br />
los dientes o cortadores para que permanezcan a menor temperatura; efectúa,<br />
además, el enfriamiento y lubricación de la barrena y evita el desgaste por exceso<br />
de temperatura.<br />
Geometría del agujero. En función de la experiencia, en ciertas situaciones como<br />
la de empezar a desviar a un pozo, es necesario utilizar condiciones de operación<br />
no tan recomendables como el peso sobre barrena, revoluciones por minuto, la<br />
utilización de sartas navegables para aumentar, disminuir o mantener ángulo. En<br />
estos casos el desgaste prematuro de la barrena es inevitable, por lo que la<br />
experiencia de campo es indispensable para detectar el desgaste que se está<br />
ocasionando.<br />
217
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
Manejo – Transporte. Otro factor no menos importante de desgaste de las<br />
barrenas es su manejo y transporte. Sin importar el tipo de barrena, de conos o de<br />
diamante, debe tratarse bajo ciertos cuidados: se debe remover de su embalaje y<br />
colocarse sobre madera o alguna alfombra de caucho; nunca se debe rodar una<br />
barrena sobre la cubierta metálica del piso de perforación porque en el caso de las<br />
barrenas de diamante los cortadores son muy frágiles y pueden astillarse<br />
fácilmente. Si la barrena se deja caer por descuido y se rompen algunos dientes o<br />
cortadores, es posible que se acorte drásticamente su duración. En ese caso se<br />
debe anotar su número de serie, así como su tipo y su diámetro; revisarla en<br />
busca de daños que le pudieron haber ocurrido en tránsito y finalmente<br />
inspeccionar su interior para determinar si hay objetos extraños que pueden<br />
obstruir las toberas.<br />
Evaluación del desgaste de barrenas<br />
Sistema IADC de clasificación de desgaste<br />
El análisis y evaluación de cada barrena gastada puede ser de mucha utilidad<br />
para decidir el tipo de barrena que se va a utilizar después y si, en su caso, la<br />
práctica de operación debe ser modificada. Quien aprende a “leer” el desgaste de<br />
cada barrena y entienda bien que significa su aspecto, estará muy cerca de<br />
obtener el máximo rendimiento de cada una de ellas.<br />
La información que se obtiene al evaluar el desgaste de las barrenas<br />
puede ser muy significativa. Este valor fue reconocido por la Asociación<br />
Internacional de Contratistas de Perforación IADC (Interntional Association of<br />
Drilling Contractors) hace algunos años, cuando se estableció un sistema mundial<br />
para la evaluación de desgaste de las barrenas de conos.<br />
Para las barrenas de cortadores fijos, este sistema de evaluación del<br />
desgaste no pudo ser aplicado y se tuvo que establecer un nuevo sistema. El<br />
sistema de evaluación de desgaste para cortadores fijos fue desarrollado por el<br />
Subcomité de Barrenas de Perforación de la IADC en 1987, y revisado en 1991.<br />
La tarea de evaluar y clasificar el desgaste de las barrenas representa un<br />
punto de gran importancia en aspectos clave para las operaciones de perforación:<br />
las revoluciones por minuto; la hidráulica y el peso sobre barrena que influyen en<br />
su rendimiento; para aprovechar al máximo su vida útil y así seleccionar mejor el<br />
tipo de barrena idóneo para la formación que se va a perforar.<br />
218
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
El sistema de evaluación de desgaste puede ser utilizado para todas las<br />
barrenas de conos, incluyendo a las de diamante natural (ND), de compactos de<br />
diamante policristalino (PDC), de diamante policristalino térmicamente estable<br />
(TSP), barrenas impregnadas, coronas y otras barrenas que no son de rodillo y<br />
que no utilizan el diamante como elemento cortador.<br />
La tabla de evaluación de desgaste adoptada por la IADC incluye todos<br />
los códigos necesarios para analizar el desgaste tanto de barrenas de conos como<br />
de barrenas de cortadores fijos.<br />
En este sistema, el desgaste se divide en ocho factores: las primeras<br />
cuatro columnas definen el grado de desgaste de los dientes, insertos o<br />
cortadores fijos de las hileras interiores y exteriores ya sea para barrenas de<br />
conos ó de diamante, en escala de 0 a 8, con base en la cantidad de desgaste<br />
comparada con el tamaño original del diente o el cortador, los números aumentan<br />
con la cantidad de desgaste, el “cero” representa sin desgaste y el “ocho” indica<br />
desgaste total de los dientes ó cortadores.<br />
La primera columna representa los cortadores situados dentro de los dos<br />
tercios del radio de la barrena para las de diamante, y para las barrena de conos<br />
representa las hileras de dientes interiores.<br />
Al evaluar una barrena de diamante desgastada, se debe registrar el<br />
promedio de desgaste de los dos tercios del radio, que representa las hileras<br />
internas, suponiendo que tenga 6 cortadores con desgaste 8, 6, 7, 4, 2 y 3<br />
respectivamente, el desgaste de la hilera interior será:<br />
( 8 + 6 + 7 + 4 + 2 + 3)<br />
6<br />
La segunda columna para las barrenas de diamante comprende el tercio<br />
restante y para las barrenas tricónicas la hilera de dientes exteriores, si los<br />
desgastes de una barrena de diamante 2, 1 y 3 entonces el desgaste de la hilera<br />
exterior es:<br />
( 2 + 1 + 3)<br />
3<br />
En las barrenas de dientes la experiencia de campo es fundamental para<br />
evaluar su desgaste, ya que al analizar la barrena se definirá el desgaste tanto de<br />
las hileras interiores como exteriores.<br />
219<br />
= 2
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
La tercera y séptima columnas sirven para anotar las características de<br />
desgaste de la barrena, o sea, los cambios físicos más notorios desde su<br />
condición de nueva, como pueden ser: tobera perdida, cono roto, embolamiento,<br />
interferencia de conos.<br />
La cuarta columna se refiere a la ubicación. Se utiliza para indicar la<br />
localización de la característica de desgaste primaria anotada en la tercera<br />
columna.<br />
La columna número cinco (B), se refiere a los sellos del cojinete, cuando<br />
se trata de barrenas de cortadores fijos se marca siempre con una X, puesto que<br />
las únicas barrenas que tienen cojinetes son las de rodillos.<br />
La columna número seis (G) se refiere al calibre. Se utiliza para registrar la<br />
condición del calibre de la barrena. Se registra “I” si la barrena permanece<br />
calibrada, de lo contrario, se registra lo descalibrado que está la barrena utilizando<br />
una medida lo más cercana posible a 1/16 pg.<br />
La última columna del sistema de evaluación de desgaste de la IADC se<br />
utiliza para registrar la razón de salida de la barrena. Los puntos anteriores para<br />
su mejor compresión se ilustran en la Fig. <strong>10.</strong>5<br />
220
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
Figura <strong>10.</strong>5<br />
Otro punto fundamental y casi no usado es el análisis de los récords de<br />
barrenas. Ahí, además de anotar datos como la profundidad inicio y término de<br />
perforar, las condiciones de operación, el tipo, las toberas utilizadas, el tiempo de<br />
perforación, etc., se incluyen las observaciones, en donde se puedan explicar las<br />
condiciones en las que fue operada la barrena, que en muchos casos son<br />
especiales, tales como:<br />
221
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
• Inicio de desviación.<br />
• Mantener, incrementar o reducir ángulo.<br />
• Velocidad de perforación controlada por pérdida de circulación, cambio de<br />
formación, etc.<br />
• Utilización de motores de fondo, turbinas y/o sartas navegables.<br />
• Utilización de martillo en casos de atrapamiento.<br />
• Perforar con pérdida total de circulación.<br />
• Perforar con presencia de gases amargos como ácido sulfhídrico y bióxido<br />
de carbono.<br />
• Perforar con condiciones no óptimas de cualquier tipo por incapacidad del<br />
equipo de perforación, como el gasto, las revoluciones por minuto, etc.<br />
Con las observaciones mencionadas anteriormente, se tendrá un mejor<br />
criterio para evaluar el desgaste y no se sacrificará el uso de un tipo de barrena<br />
que ha sido seleccionado correctamente. Esto podría suceder en el caso de una<br />
barrena de conos que se ha utilizado para iniciar a desviar, y al evaluarla tenga un<br />
excesivo desgaste en los baleros y los metros perforados sean pocos. A simple<br />
inspección se supondría que tuvo un bajo rendimiento, pero la realidad es que se<br />
utilizó con operaciones drásticas con un fin específico. En el mismo caso podría<br />
estar una barrena de diamantes; por esta razón se recomienda llevar los records<br />
de las barrenas que se van a evaluar.<br />
Aplicaciones prácticas<br />
El sistema de evaluación de desgaste de la IADC puede ser utilizado con varios<br />
propósitos. Los fabricantes evalúan el diseño y aplicación de las barrenas; el<br />
personal técnico evalúa y mejora sus programas de perforación. El sistema puede<br />
ser computarizado para construir una base de datos mundial para coordinar las<br />
aplicaciones de las barrenas. El objetivo principal de este sistema es obtener un<br />
“cuadro estándar” de una barrena, sin importar dónde, o bajo qué circunstancia ha<br />
sido utilizada.<br />
Algunas compañías que fabrican barrenas efectúan otras evaluaciones de<br />
desgaste apegadas a la IADC, con la finalidad de llevar un control más estricto y<br />
así efectuar las mejoras necesarias. Como ejemplo se puede mencionar que<br />
algunas compañías evalúan los tres conos de las barrenas de rodillos y para las<br />
barrenas PDC califican cada uno de los cortadores y la información se divide en<br />
nueve categorías. Las dos primeras categorías, las cuales se enumeran, indican la<br />
ubicación del cortador en la barrena respecto a las aletas; la tercera categoría<br />
identifica el porcentaje de desgaste del cortador mediante un calibrador especial<br />
de desgaste. Las dos siguientes categorías indican la condición general de cada<br />
cortador y de su soporte; las categorías seis y siete se relacionan con la erosión y<br />
las dos últimas con los postes impregnados de diamantes y con cualquier otra<br />
222
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>3 Problemas más comunes en las<br />
barrenas<br />
observación pertinente. Lo anterior con la finalidad de continuar con las mejoras<br />
en el rendimiento con base en el diseño. Ejemplos de evaluación de desgaste se<br />
pueden observar en las Fig. <strong>10.</strong>6 y <strong>10.</strong>7<br />
Hilera<br />
Interior<br />
Figura <strong>10.</strong>6 Ejemplos de evaluación de barrenas de arrastre (diamante y PDC)<br />
Figura <strong>10.</strong>7 Ejemplos de evaluación de barrenas de conos<br />
Estructura Cortadora B G Observaciones<br />
Hilera<br />
Exterior<br />
Caract. de<br />
Desgaste<br />
Estructura Cortadora B G Observaciones<br />
Hilera<br />
Interior<br />
Hilera<br />
Interior<br />
Hilera<br />
Exterior<br />
Caract. de<br />
Desgaste<br />
Ubica-<br />
ció<br />
223<br />
Ubicación Sellos del<br />
Cojinete<br />
Calibre<br />
1/16”<br />
Otras<br />
Caract.<br />
Razón<br />
Salida<br />
6 8 RO T X 1/16 WT PR<br />
Sellos de<br />
Cojinete<br />
Calibre<br />
1/16”<br />
Otras<br />
Carac.<br />
Razón<br />
Salida<br />
4 5 BT T X I ER DTF<br />
Hilera<br />
Interior<br />
Estructura Cortadora B G Observaciones<br />
Hilera<br />
Exterior<br />
Caract. de<br />
Desgaste<br />
Estructura Cortadora B G Observaciones<br />
Hilera<br />
Exterior<br />
0 0<br />
Caract de<br />
Desgaste<br />
NO<br />
Ubicación Sellos de<br />
Cojinete<br />
A<br />
Ubicación Sellos de<br />
Cojinete<br />
Calibre<br />
1/16”<br />
Otras<br />
Carac<br />
Razón<br />
Salida<br />
1 1 WT A E I NO TQ<br />
E<br />
Calibre<br />
1/16”<br />
I<br />
Otras<br />
Caract.<br />
Razón<br />
Salida<br />
NO BHA
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>4 Análisis del costo por metro<br />
<strong>10.</strong>4 ANÁLISIS DEL COSTO POR METRO<br />
En el manual para Perforador-Cabo, se proporcionó la fórmula del costo por metro<br />
perforado, para evaluar el rendimiento económico de una barrena. En este caso<br />
analizamos por medio de una gráfica los costos que se involucran en la misma.<br />
C =<br />
B + R(<br />
T + Tv + Tc)<br />
M<br />
Costo fijo = B +R (Tv + Tc) Independiente de las condiciones de<br />
M operación de la barrena (P. S. B. y r.p.m.)<br />
Costo de rotación = R + T Está en función de las condiciones de<br />
M operación de la barrena.<br />
Costo total = Costo fijo + Costo de rotación = C<br />
Nota: A partir del costo mínimo se incrementa el costo, suponiendo desgaste de la<br />
barrena.<br />
.<br />
224
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre<br />
barrenas<br />
<strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre barrenas<br />
La fórmula del costo por metro se puede emplear para comparar costos usando<br />
barrenas de diamante contra barrenas convencionales o comparar las ventajas<br />
económicas relativas con tipos diferentes de barrenas de diamante. Anteriormente,<br />
a raíz de la introducción de las barrenas de diamante, casi todas las<br />
comparaciones se hacían con barrenas convencionales. Hoy, sin embargo, un<br />
creciente número de las evaluaciones se hacen para comparar el rendimiento de<br />
diversas barrenas de diamante.<br />
El costo previsto por metro perforado para una barrena propuesta suele<br />
compararse con el costo real de otras barrenas empleadas para perforar en la<br />
misma región y bajo condiciones similares de perforación. Los pozos que se usan<br />
para hacer las comparaciones suelen denominarse “vecinos”, o pozos de<br />
correlación (pozos offset). En general, la comparación es más válida mientras más<br />
cercano esté el pozo vecino a la localización propuesta y mientras más parecidos<br />
sean los parámetros de perforación.<br />
Cuando se propone usar una barrena de diamante en regiones donde se usan<br />
barrenas tricónicas convencionales, es muy útil efectuar un análisis de<br />
“IGUALDAD DE COSTO”, también conocido como “NI GANAR, NI PERDER”<br />
(BREAK EVEN).<br />
El punto break even se refiere simplemente a los metros perforados y las horas<br />
requeridas a tratar de igualar el costo por metro que se pudiera obtener para un<br />
pozo en particular si no se hubiese usado una barrena de diamante. Para obtener<br />
“igualdad de costo”, se tiene que usar, para fines comparativos, un buen récord de<br />
barrenas de un pozo vecino.<br />
Si se usa el siguiente registro de barrenas de 8 ½ pg tipo 517 que perforaron de<br />
4000 a 4915 m, se puede determinar si una barrena de diamante resulta<br />
económica.<br />
Costo de<br />
Barrena.<br />
1,000<br />
1,000<br />
1,000<br />
4,350<br />
4,350<br />
Metros<br />
Perforados<br />
198<br />
160<br />
130<br />
168<br />
259<br />
225<br />
Horas de<br />
Perforación<br />
16<br />
15<br />
15<br />
20<br />
20<br />
ROP<br />
12.37<br />
<strong>10.</strong>66<br />
8.66<br />
8.40<br />
8.63
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre<br />
barrenas<br />
Rendimiento de pozo vecino:<br />
Total de horas de rotación = 96<br />
Tiempo total de viaje = 51 horas<br />
Costo del equipo = 500 $/Hr<br />
Costo total de barrenas = $11,700<br />
Total de metros perforados = 915 m<br />
Entonces el costo por metro del pozo vecino para el intervalo de 4000 a 4915 m<br />
es:<br />
9700 + 500 + ( 96 + 51)<br />
C / P =<br />
= 90.<br />
92$<br />
/ m<br />
915<br />
Para determinar si una aplicación es apta para una barrena de diamante, los<br />
rendimientos del pozo vecino se conocen, pero el rendimiento de la barrena se<br />
estima. Así, se tiene que asumir cuántos metros hay que perforar o el ritmo de<br />
penetración (ROP) que debe lograr la barrena en cuestión.<br />
Suponiendo los metros perforados se emplea, entonces, la siguiente fórmula para<br />
calcular el ritmo de penetración para ni ganar, ni perder:<br />
Donde:<br />
C = R<br />
( R xT + B)<br />
C / P −<br />
M<br />
R = Costo de equipo ($/Hr)<br />
C/P = Costo por metro del pozo vecino ($/Hr)<br />
T = Tiempo de viaje, barrena de diamante<br />
B = Costo de la barrena de diamante<br />
M = Metros perforados por la barrena de diamante asumido<br />
ROP = Ritmo de penetración de igual costo (Ni ganar ni perder)<br />
Entonces, si se tiene:<br />
R = 500$/Hr<br />
C/P = $ 90.92<br />
T = 11Hr<br />
226
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre<br />
barrenas<br />
B = $ 15700<br />
M = 915 m<br />
Así:<br />
ROP =<br />
500<br />
= 7.<br />
3m<br />
/ hr<br />
( 500 x 11 + 15700)<br />
90.<br />
92 −<br />
915<br />
La barrena PDC tiene que perforar los 915 m a un ritmo de penetración de 7.3<br />
m/Hr para igualar el costo por metro del pozo vecino de $ 90.92 para los mismos<br />
915 m.<br />
Si la velocidad de perforación se asume, se usa la siguiente fórmula para calcular<br />
el break even de metros perforados:<br />
Donde:<br />
R x T + B<br />
Fbe =<br />
C / P − R / ROP<br />
Fbe = Metros perforados para igual costo<br />
ROP = Régimen de penetración supuesto (m/Hr)<br />
Entonces: en el ejemplo anterior, si se asume un ritmo de penetración de 30 m/Hr<br />
tenemos:<br />
500 x 11 + 15700<br />
Fbe =<br />
= 285m<br />
90.<br />
92 − 500 / 30<br />
En este caso la barrena de diamante solamente tiene que perforar 285 m para<br />
llegar al punto de igualdad de costo.<br />
227
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre<br />
barrenas<br />
Determinación del momento óptimo para el cambio de barrena<br />
Un método experimentado para determinar el momento preciso para suspender la<br />
perforación y efectuar un cambio de barrena consiste en ir calculando los costos<br />
por metro parciales y graficar (Gráfica <strong>10.</strong>4) los mismos contra el tiempo.<br />
Tiempo (Horas)<br />
Gráfica <strong>10.</strong>4<br />
El costo por metro perforado al inicio de la perforación con cualquier tipo de<br />
barrena representará siempre el costo por metro más alto debido a que los metros<br />
perforados son pocos. Lo anterior se observa en la gráfica 2: conforme se<br />
incrementa la longitud perforada, y el tiempo, se tendrá una tendencia a disminuir<br />
el costo por metro, como se muestra en la región 0A de la gráfica 2.<br />
Posteriormente tendrá un comportamiento más o menos constante, después de la<br />
estabilización del costo por metro (región AB) y, finalmente, se observará que se<br />
incrementa el costo por metro (de la región B en adelante). Esto podría indicar que<br />
la vida útil de la barrena ha terminado. El costo por metro aumenta en razón del<br />
grado de desgaste que ha alcanzado la barrena en su estructura de corte, en el<br />
caso de barrenas de diamante o en el sistema de rodamiento para el caso de<br />
barrenas de conos.<br />
228
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre<br />
barrenas<br />
De lo anterior se concluye que el momento óptimo para efectuar el cambio<br />
de barrena es el punto B. es obvio que a partir de éste, el costo por metro se<br />
empieza a incrementar porque se incrementa el tiempo de perforación y no así los<br />
metros perforados.<br />
La aplicación de este método puede complicarse si no se tiene la<br />
experiencia de campo suficiente para visualizar qué está pasando con todos los<br />
parámetros involucrados: si el contacto geológico es el mismo, puesto que tienen<br />
propiedades en algunos casos totalmente diferentes, y la dureza, el factor más<br />
importante en cuanto al rendimiento de barrena. Lo que no sería recomendable es<br />
cambiar la barrena si los tiempos de perforación se incrementan y mucho menos si<br />
la barrena que se está utilizando puede perforar en el cambio de contacto<br />
geológico.<br />
Otros puntos que se deben considerar pues suelen dar un inicio equivocado de<br />
que la barrena utilizada no es la más adecuada, son los siguientes:<br />
• Efectuar un cambio de fluido por alguna razón operativa.<br />
• Iniciar a desviar, incrementar, disminuir o mantener ángulo y rumbo.<br />
• Cambiar los parámetros de perforación por alguna circunstancia obligada,<br />
como el peso sobre barrena, revoluciones por minuto, gasto, etcétera.<br />
• La inclusión o eliminación de sartas navegables, puesto que en la sarta de<br />
perforación puede incluir motores de fondo o turbinas y lógicamente esto<br />
modifica las condiciones de operación.<br />
Una vez mencionado lo anterior y tomando en cuenta que no siempre será fácil<br />
elaborar la gráfica del costo por metro parcial contra el tiempo de perforación en el<br />
pozo, por las condiciones propias del trabajo, se ha definido un parámetro llamado<br />
“TIEMPO MÁXIMO PERMISIBLE” (TMP), el cual se calcula con la siguiente<br />
fórmula:<br />
TMP = ( Cp / R)<br />
El Tiempo Máximo Permisible se refiere a que se debe detectar el punto de menor<br />
costo por metro parcial para dar por terminada la vida de la barrena, pero CON<br />
UNA TOLERANCIA para compensar los errores en la medición y registro de los<br />
datos puesto que en el equipo de perforación no puede tenerse exactitud al<br />
marcar un metro sobre la flecha y se perdería el tiempo.<br />
229<br />
( 60)
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>5 Análisis de igualdad de costo entre<br />
barrenas<br />
De esta manera cuando ya se tiene calculado el costo por metro parcial en<br />
un momento dado, simultáneamente se calcula el tiempo máximo permisible<br />
correspondiente, que será la base de comparación para los metros que se<br />
perforen a continuación. Este tiempo máximo promedio expresa los minutos que<br />
deberán emplearse para perforar el o los metros siguiente.<br />
Cuando la penetración real en minutos por metro es mayor que el tiempo<br />
máximo permisible indica que el costo por metro parcial está aumentado y el<br />
momento de sacar la barrena para cambiarla se aproxima.<br />
Por lo contrario, si la penetración real es menor que el tiempo máximo<br />
permisible, entonces indica que el costo por metro parcial sigue disminuyendo y la<br />
perforación aún es costeable.<br />
Ahora, si la tolerancia que se mencionó se aplica como igual a un 10 % se<br />
podría decir que a 3185 m el TMP que es 13.3 min/m más el 10 % de tolerancia,<br />
significa que los siguientes metros deberán perforarse en un tiempo máximo de<br />
14.6 minutos cada uno para que sea aún costeable continuar perforando con esa<br />
barrena. Sin olvidar que los aspectos prácticos mencionados anteriormente se<br />
deben tomar en cuenta para tomar decisiones.<br />
230
<strong>10.</strong> Barrenas <strong>10.</strong>6 Aplicaciones<br />
<strong>10.</strong>6 APLICACIONES<br />
¿Qué es una barrena?<br />
La herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de<br />
perforación, utilizada para cortar o triturar la formación durante el proceso<br />
de la perforación rotaria.<br />
¿Qué información se necesita para seleccionar una barrena?<br />
• Evaluación de desgaste de barrenas empleadas previamente.<br />
• Evaluación de rendimiento de pozos vecinos.<br />
• Registros geofísicos de pozos vecinos y del mismo pozo (si se tienen).<br />
• Datos sísmicos del área.<br />
• Software especializado de cálculo y análisis para la selección.<br />
• Propiedades de los fluidos de perforación por emplearse con esta barrena.<br />
• Tablas e información geológica.<br />
• Catálogos de barrenas.<br />
• Boletines sobre las características de las barrenas.<br />
• Tablas comparativas de barrenas.<br />
• Clasificación de barrena (ejemplo del IADC).<br />
¿Cuál es la función de la barrena?<br />
Remover a la roca (ripios de ésta) mediante el vencimiento de su esfuerzo<br />
de corte, o bien, removerla mediante el vencimiento de su esfuerzo de<br />
compresión.<br />
¿Cuáles son los tipos de barrenas?<br />
• Barrenas tricónicas<br />
• Barrenas de cortadores fijos (PDC)<br />
• Barrenas especiales<br />
Actividad.- Con base a sus conocimientos y experiencia adquirida en el campo ó<br />
área donde labora, seleccione una barrena tricónica y una PDC para dos<br />
diferentes formaciones:<br />
Formación Tipo de barrena Código IADC.<br />
231