imposible previamente. Además, el diseño de la nueva barrena ofrece un control mejorado de la orientación de la herramienta en aplicaciones direccionales desafiantes. El análisis siguiente se centra en la barrena StingBlade, su diseño y su rendimiento en la perforación de algunas de las formaciones más duras del mundo.
El diseño de la barrena El elemento de diamante cónico Stinger fue introducido inicialmente como un elemento de corte independiente, colocado en el centro de la barrena para incrementar la ROP y mejorar la estabilidad dinámica para las barrenas de PDC (Figura 2). En esta posición central, el elemento cónico fracturaba y trituraba la roca en tanto que los cortadores de PDC la cizallaban. El equipo de diseño de Smith Bits reconoció el potencial para incrementar la eficiencia de perforación utilizando múltiples elementos Stinger con el fin de romper la roca a través de una combinación de acciones de cizalladura y arado. Los ingenieros especialistas en diseño de barrenas utilizaron el análisis por el método de elementos finitos (FEA) para experimentar con la ubicación de los cortadores CDE y modelar los cambios resultantes producidos en el rendimiento de perforación.
Figura 2. Elemento de diamante cónico (CDE) posicionado en el centro. Mediante la remoción de las estructuras de corte del centro de la barrena (izquierda), se genera un hueco para el CDE (derecha). A medida que transcurre la perforación, este hueco permite la formación de una pequeña columna de roca, que es fácilmente triturada por el CDE
Figura 1. Elemento de diamante cónico (CDE). El CDE Stinger (izquierda) se fabrica en condiciones de alta temperatura y alta presión que producen una capa de diamante sintético de espesor sustancialmente mayor que el de un cortador de PDC convencional (derecha). El material del compuesto policristalino de diamante del cortador cónico ha sido diseñado para proporcionar un nivel de resistencia al impacto y al desgaste por abrasión, superior al del cortador de PDC convencional (centro)
La barrena StingBlade, provista del elemento de diamante cónico, incorpora un conjunto de elementos de corte Stinger a través de su cara. Dependiendo de la aplicación, estos elementos de corte pueden colocarse en cualquier lugar situado entre el centro de la barrena y el calibre. Este arreglo de cortadores ha permitido a los operadores mejorar la ROP y perforar intervalos significativamente más largos que los que eran posibles utilizando las barrenas de PDC convencionales. En algunos pozos, las barrenas StingBlade lograron perforar continuamente desde la zapata hasta la profundidad de entubación en una sola carrera a través de formaciones en las que esto resultaba
Los elementos cónicos se colocaron en diversas posiciones a través de la cara de la barrena. Este proceso de diseño produjo una estructura integral de corte más sólida en comparación con la de las barrenas de PDC convencionales de cortadores fijos. A medida que experimentaban con la posición del elemento Stinger en la cara de la barrena, los ingenieros reconocieron el potencial para mejorar las configuraciones de los diseños y las ventajas de utilizar configuraciones específicas para abordar desafíos de perforación específicos.
Comprobación de la hipótesis Los ingenieros especialistas en diseño llevaron a cabo una serie de pruebas de laboratorio para evaluar el rendimiento y la durabilidad del elemento de diamante cónico Stinger. En una de las pruebas, se comparó la resistencia al impacto con respecto a la de un elemento de los cortadores de un compuesto policristalino de diamante convencionales. Ambos elementos fueron lanzados sobre un bloque de acero templado con una fuerza de impacto de 80 000 N [18 000 lbf]. Este experimento simuló las condiciones habituales de una operación de perforación transicional en la que una barrena de PDC que perfora con una ROP de 18 m/h [60 pies/h] sale de una lutita blanda y penetra en una caliza dura.
MARZO 2016 I Petroleum 314 25
Tecnología
La perforación en una formación caracterizada por la presencia de litologías mixtas puede generar una carga intensa en los cortadores y fuerzas laterales cíclicas que producen el movimiento en forma de remolino de la barrena, lo que a su vez daña por impacto los cortadores de PDC. Las características de la formación, el diseño de la barrena y el rendimiento requerido de dicha herramienta determinarán si la modificación de los parámetros de operación sustentará la continuidad de la perforación o justificará la ejecución de un viaje por una barrena nueva. En las formaciones duras, el perforador debe incrementar el peso sobre la barrena (WOB) para vencer la resistencia a la cizalladura de la formación, necesaria para romper la roca y mantener una ROP aceptable. Sin embargo, el incremento del WOB también aumenta significativamente la carga sobre los cortadores, lo que puede producir el micro astillado de la tabla del diamante en los cortadores de PDC. La barrena se desgasta a medida que se incrementa la superficie plana de desgaste del cortador, lo que aumenta el calentamiento por fricción en la interfaz existente entre el cortador y la roca, debilitando potencialmente el elemento de corte de diamante. No sólo la perforación en formaciones de transición constituye un problema, sino que además la capacidad para perforar a través de una sección curva representa un desafío significativo para las extensiones productivas en las que la rentabilidad de la producción depende de la perforación de tramos laterales. El incremento angular genera un torque considerable en la barrena y puede producir dificultades en el control de la orientación de la herramienta en ciertas barrenas de PDC, lo que dificulta el hecho de mantener la trayectoria. Para encarar estos desafíos, los ingenieros especialistas en barrenas desarrollaron una barrena de cortadores fijos que emplea un tipo único de elemento de corte. El elemento de diamante cónico (CDE) Stinger proporciona una capa de diamante de espesor sustancialmente mayor que el de los cortadores de PDC convencionales (Figura 1).