COLUMNA O SARTA DE PERFORACIÓN

Está formada por una serie de elementos cuya disposición de abajo a arriba es la siguiente: herramienta de corte, sub o acoplo portaherramientas, lastrabarrenas, Sub reducción de roscas o lastrabarrenas a varillajes, varillaje, barra Kelly, Varilla de acoplo a la mesa de rotación o barra Kelly y cabeza giratoria o de inyección.

Actualmente existen dos sistemas de transmisión de la energía rotativa a la sarta de perforación: mediante mesas de rotación y mediante un cabezal de rotación.

Herramienta de corte

Es todo elemento en contacto directo con el terreno, que al girar produce la rotura y desagregación del mismo en partículas pequeñas, que puedan ser arrastradas a la superficie por la circulación del fluido o lodo de perforación.

Existe una gran diversidad de tipos (triconos, trialetas, policones), diseños y tamaños de las herramientas de corte, adaptados a los distintos terrenos a perforar. Las más utilizadas son las barrenas de rodillos móviles y las herramientas del tipo de "cola de pez" y sus variantes o perfeccionamientos. 

Las barrenas de rodillos móviles aparecen formadas por un cuerpo fijo que sirve para unirlo al varillaje por medio de rosca y para soportar a los rodillos (los verdaderos elementos de corte).  Según se tengan dos, tres, cuatro o más elementos se denominan biconos, triconos, cuatriconos, etc, atendiendo en último caso a la forma cónica de los rodillos que suelen denominarse "piñas".  Prácticamente se usan en exclusiva los triconos, nombre que se suele utilizar para dispositivos con dos o más de tres conos.

 

 

 

 

Tricono

La parte fija o cuerpo de los mismos disponen en su interior de unos orificios con el objeto de favorecer la circulación del fluido de perforación dispuestos de forma que sirven para limpiar y refrigerar eficazmente las partes móviles o piñas de las herramientas. 

Los rodillos o piñas son elementos dentados de aceros especiales, diseñados y construidos para perforar en condiciones óptimas cada clase de terreno. Para terrenos blandos las piñas tienen pocos dientes y son largos, aumentando su número y disminuyendo su longitud a medida que aumenta la dureza del terreno. Esta evolución en el diseño va acompañada de una mayor dureza en el acero para hacerlo más resistente al desgaste. 

Cada fabricante tiene sus diseños y calidades, pero todos deben cumplir las normas del American Petroleum Institute (API), las cuales también se aplican a los diferentes diámetros, si bien no todas las casas fabrican todos los diámetros ni la misma casa todos los tipos. 

Rocas

Diámetros (en pulgadas)

2 3/8 regular

3 3/4  3 7/8  4 1/8  4 1/4  4 1/2

3 1/2 regular

4 5/8  4 3/4  4 7/8  5 5/8  5 3/4  5 7/8  6  6 1/8  6 1/4  6 1/2  6 5/8  6 3/4  7 3/8

4 1/2 regular

 7 5/8  7 7/8  8 3/8  8 1/2  8 5/8  8 3/3  9

5 1/2 ó 6 5/8 regular

 9 5/8  9 7/8  10 5/8

6 5/8 regular

11  12 1/4  13 3/4

6 5/8 ó 7 5/8 regular

1 4 3/4  15  1 /2

6 5/8 ó 8 5/8 regular

 20  22  24  26

Cada tricono, para trabajar en condiciones óptimas, requiere de un determinado peso y una determinada velocidad, en cuya elección intervienen fundamentalmente el diámetro del tricono y la dureza de los terrenos a perforar. 

En una primera aproximación puede establecerse que el peso debe ser proporcional al diámetro y a la dureza de la formación. Como regla general, para formaciones intermedias, puede tomarse el que resulte a razón de 1000 kg por pulgada de diámetro. El peso de tanteo se conseguirá disminuyéndolo para formaciones blandas y aumentándolo para las dura, pero siempre observando la marcha de la perforación.

 

Recomendaciones para la utilización de triconos (según Sánchez Fresneda, 1968).

La velocidad de giro debe ser menor cuanto mayor es el diámetro del tricono y mayor la dureza de la formación, estando también aquella ligada en el mismo sentido con el peso sobre el  tricono. Es decir, a mayor peso, menor velocidad. 

En los sistemas de rotación es muy importante conocer previamente los materiales que se van a perforar, especialmente para elegir el tipo de herramienta de corte, al existir gran variedad. A título orientativo, se pueden realizar la siguiente clasificación de las rocas en función de su dureza:

Muy Blando

Formaciones blandas (pizarras arcillosas, margas, arcillas, caliza blanda), formaciones no consolidadas, etc.

Blando

Formaciones de dureza blanda a media (pizarras arcillosas, arcillas, caliza algo más duras que en el caso anterior).

Medio

 Formaciones de dureza media (pizarras duras, calizas duras, dolomías). Formaciones algo abrasivas de dureza media (pizarras silíceas, esquistos, areniscas, caliza dura, dolomías).

Duro

Formaciones análogas a las anteriores, más silíceas y más duras, incluyendo cuarcitas y granitos.

Muy duro y abrasivo

Formaciones muy duras y abrasivas (areniscas, cuarcitas, basaltos, etc.)

Un complemento de los triconos son los ensanchadores, herramientas de corte que sirven para aumentar el diámetro de una perforación ya efectuada. Constan de un cuerpo fijo que mediante rosca se une al varillaje y que soporta en su extremo final, un tricono, también roscado, que hace de piloto en el avance, y lateralmente 3 ó más rodillos, también móviles, que son los que realizan el trabajo de ensanche.

Diámetro perforación
 
(en pulgadas)
Ensanche máximo
 
(en pulgadas)
7 7/8'' 12 1/4''
9''  13 3/4''
9'' 15''
9 5/8'' 17 1/2''
10 5/8'' 18 1/2''
12'' 20''
13 3/4'' 22''
16'' 24''
20'' 28''

El empleo de ensanchadores se hace necesario a medida que aumenta el diámetro perseguido en la perforación y disminuye el par de torsión de la máquina perforadora. Solo si las máquinas son muy potentes, se puede perforar de una sola vez, por lo que a partir de ciertas profundidades, con diámetros superiores a 12 1/4'' (311 mm) es preciso recurrir a uno o varios ensanches una vez perforado previamente con el mayor diámetro adecuado a la máquina empleada y al terreno a atravesar.

Sub o acoplo portaherramientas

A las herramientas de corte de rodillos móviles se pueden añadir los escariadores. Estos sirven para mantener y perfilar el diámetro de una perforación. Su empleo es en general muy conveniente antes de proceder a realizar entubaciones en una perforación, y casi imprescindible cuando, como es frecuente, los diámetros del programa de entubaciones están ajustados en relación con los diámetros de la perforación. Al igual que los triconos y ensanchadores, están formados por un cuerpo fijo y unos rodillos móviles, que están dispuestos lateralmente, alrededor del cuerpo, normalmente en número de tres. 

 

Diámetro pozo escariador
diámetro mínimo diámetro máximo
5 5/8 5 1/2  5 7/8
5 7/8 5 7/8 6
6 a 6 1/4 5 7/8
6 1/8
6 1/4
6 1/4
6 5/8 a 6 3/4 5 5/8 7
7 1/2 a 7 7/8 7 1/2 7 7/8
7 1/2 a 7 7/8 7 5/8 7 7/8
8 3/8 a 8 5/8 8 1/4 8 5/8
8 1/2 a 8 3/4 8 1/2 8 3/4
8 3/4 a 9 8 3/4 9 1/4
9 5/8 a 9 7/8 9 1/2 9 7/8
10 5/8 a 11 10 1/2
10 3/4
11
11 3/4
12 1/4 12 12 1/2
13 3/4 13 1/4 14
14 3/4 14 1/4 15 1/4
15 15 16
17 1/2 a 18 16 1/2 18 5/8
18 1/2  a 20 18 1/2  21
20 19 1/2 21 1/2
22 20 1/4 22 1/2
22 a 24 21 3/4 24
26 24 1/2 27 3/8

En formaciones arenosas no cementadas , con mayor o menor contenido en arcilla y en terrenos plásticos blandos se utiliza unas herramientas conocidas como colas de pez y sus variantes, ya que en este tipo de materiales los triconos se atascan, perdiendo sus condiciones de corte y por tanto de avance. En el interior de las colas de pez existe un orificio que permite el paso del fluido o lodo de perforación. Su avance suele ser rápido, en parte por el tipo de terreno en el que trabajan, produciendo mucho detritus para cuya extracción es necesario un caudal grande de lodo, sobre todo cuando el diámetro es grande y así poder mantener una velocidad mínima adecuada para su arrastre. 

Lastrabarrenas

Son barras huecas de pared muy gruesa, cuyo fin es proporcionar peso al útil de corte, permitiéndole de éste modo trabajar en las mejores condiciones para que su avance sea el óptimo en cada clase de terreno. Se colocan inmediatamente encima del útil de corte.

Otra de sus funciones es colaborar en el mantenimiento de la verticalidad del pozo, por su propia rigidez y por bajar el centro de gravedad de la columna de perforación, con lo cual ésta trabaja extendida en vez de comprimida, evitando así la tendencia del útil de corte a desviarse cuando el varillaje flecta o pandea al estar comprimido.

Están construidos con aceros de alta calidad (acero de aleación al cromo-molibdeno, con dureza Brinnell 280-320) respondiendo a las especificaciones API. Puede ser toda la pieza del mismo material o estar formados por una barra central y dos extremos soldados de acero de calidad superior, mecanizados con las roscas macho y hembra correspondientes. 

Siempre que la línea de tiro y torre de la máquina perforadora lo permitan, se deben usar los lastrabarrenas de mayor diámetro compatible con el de la perforación, facilitando de éste modo la disminución del pandeo y la fatiga del material. El aumento del diámetro de los lastrabarrenas debe llevar consigo la disminución de la velocidad de rotación. 

Los lastrabarrenas más corrientes son de sección circular, aunque también los hay de sección cuadrada y otros formados por barras helicioidales. Lo normal es que sean de 9 m de longitud, aunque para trabajos de pozo para agua es frecuente usarlos de 6 m, e incluso de hasta de 3 m, por no tener algunas máquinas capacidad, ni en altura de la torre ni en potencia del cabrestante y línea de tiro, para manejar lastrabarrenas de mayor longitud. 

Varillaje

Está formado por varillas huecas de acero, roscadas en los extremos por donde se unen unas a otras.

El varillaje se utiliza para suspender el útil de corte y los lastrabarrenas, transmitir el movimiento de giro que le proporciona la mesa de rotación y conducir por su interior el fluido de la perforación. 

Es imprescindible que el varillaje trabaje estriado. Asimismo, es conveniente saber que el punto neutro de la columna de perforación debe estar siempre dentro de los lastrabarrenas, ya que son más resistentes y no dentro del varillaje, que es un elemento mucho más débil. El punto neutro es donde cambian los esfuerzos de tracción a compresión, teniendo en cuenta el empuje del lodo, que quita peso a los lastrabarrenas. Suele considerarse de forma aproximada un peso efecto de 0,85 del peso sin sumergir.

La calidad del acero de las varillas está especificada en las normas API, estando establecidos dos grados, denominados D y E.

Hay dos tipos de varilla con dimensiones API normalizadas, dependiendo de si tiensen la recalcadura en las uniones (tool-joint) hacia afuera o hacia adentro: (1) de recalcadura externa (external upset) y (2) de recalcadura interna (internal uopset).

Características

grado D grado E

Límite elástico (kg/cm2)

38,7 52,7

Carga de rotura (kg/cm2)

66,8 70,3

Alargamiento (%)

18  18

Las varillas más usadas en la perforación de pozos para agua son las external upset, en los diámetros 2 7/8'' y 3 1/2'' y de manera especial las del primer diámetro. 

En longitud existen dos tamaños de varillas normalizadas. Las denominadas rangos A (6,10 m) y B ( 9,15 m). En pozos de agua se, emplea preferentemente las del modelo A, mientras que en prospección petrolífera las más usadas son las del modelo B. 

La unión entre varillas se hace por medio de un manguito roscado (tool-joint), existiendo 3 tipos denominados REG (regular), FH (full-hole) e IF (internal-flush) que responden también a las especificaciones API. En la perforación de pozos para agua se emplea principalmente el internal flush.

Barra Kelly

También llamada barra conductora, de ella depende toda la columna de perforación. Su función es transmitir el giro que le proporciona la mesa de rotación al varillaje, permitir su descenso y ascenso, así como conducir por su interior el fluido de perforación que ha de circular por todo el varillaje. 

En su extremo superior va enroscada la cabeza giratoria de inyección que a su vez sirve para suspender toda la columna de perforación. En su extremo inferior se enrosca la primera varilla de la columna mediante la interposición de un acoplo que es el que sufre el desgaste de todas las maniobras de roscado cada vez que se añade o quita una nueva varilla a la columna, impidiendo el deterioro de la propia barra Kelly. 

La barra Kelly pasa por el alojamiento que con este fin tiene la corona de la mesa de rotación, por el cual se desliza al hacer las maniobras de descenso o extracción de la columna de perforación.

La sección de la barra conductora o Kelly puede ser hexagonal, cuadrada o circular con dos o más cheveteros semicirculares. La longitud debe ser algo superior a la correspondiente a las varillas que se empleen. 

Cabeza giratoria

Pieza con una triple función: (1) suspender la columna durante el trabajo de perforación, (2) permitir al mismo tiempo el giro del varillaje y (3) hacer posible el paso del fluido de perforación desde la manguera de impulsión de la bomba a la columna de perforación mientras ésta está girando y avanzando. 

Está compuesta de dos partes: una superior sujeta al cable sustentador y otra inferior roscada a la barra Kelly, que puede girar independientemente merced a unos rodamientos de bolas o rodillos de gran capacidad de resistencia al empuje axial (o vertical) ya que de él pende toda la columna de perforación, que puede llegar a pesar fácilmente hasta 80 Tm en pozos para agua y hasta 300 Tm en los de petróleo, o incluso más. 

Como la cabeza giratoria de inyección y suspensión tiene que permitir, mientras la columna gira, el paso del fluido de la perforación, la unión de las dos partes de las que se compone la cabeza giratoria tiene que ser estanca, por lo que van dotadas de una junta hermética de caucho, fibra sintética o similar, de gran calidad, toda vez que a la presión a que trabaja el circuito de lodos (normalmente de unos 20 kg/cm2, pudiendo llegar en algunos momentos o situaciones a 30 kg/cm2) evitando que se produzcan fugas del fluido que salgan al exterior o dañen a los cojinetes por su alto poder de abrasión.

SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA A LA SARTA DE PERFORACIÓN

  • M. La mayor parte de los equipos, sobre todos los de mayor capacidad, transmiten el movimiento rotativo mediante mesas de rotación. Este elemento lleva en su eje un hueco ajustado a la sección de la barra Kelly. Suelen ser elementos abatibles o incluso totalmente desmontables, para permitir las operaciones de entubación. Por esta razón requieren de otro elemento para soportar el peso de la sarta de perforación, y al mismo tiempo, conectar el circuito del fluido de perforación en el tren de varillaje, que es el denominado giratoria de inyección y que está soportado por un cabrestante y debe tener capacidad para soportar grandes cargas a considerables revoluciones. 
    Su principal ventaja radica en su elevado par de rotación, su capacidad para trabajar a mayor rango de velocidad y la sencillez de su mecánica. 

  • Cabezal de rotación. Consiste en un elemento de accionamiento mecánico-hidráulico que se desplaza a lo largo de la torre de perforación gracias a cilindros hidráulicos y/o transmisiones de cadenas. Este sistema se instala en la mayoría de las perforaciones modernas. Disponen de capacidad de empuje sobre la herramienta de corte, importante en la primera fase de perforación, mientras que en las otras perforadoras apenas existe peso disponible. También disponen de mejor control sobre el peso, mayor velocidad de maniobras (los cabezales suelen tener capacidad para autoalimentarse y roscar nuevas varillas) y precisan de menor número de operarios ya que el manejo es más automatizado. 
 
 
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