Perforación a la vanguardia del rendimiento con Shaped

Los cortadores de formas no son nuevos en la industria. Se introdujeron hace décadas cuando los entornos de perforación comenzaron a cambiar y las formaciones más complejas presentaron nuevos desafíos, y han sido parte de las carteras de tecnología de brocas desde la década de 1990. Durante muchos años, los equipos de desarrollo han estado investigando las condiciones de fondo de pozo que estaban causando daños al cortador y disfunciones de perforación, jugando continuamente con el equilibrio entre los materiales y la geometría.

Ese conocimiento ha sido un trampolín para los esfuerzos de investigación y desarrollo enfocados en mejorar los diseños de los cortadores para lidiar con condiciones de perforación exigentes y pozos más complejos. Hoy en día, los cortadores con forma llevan el rendimiento a nuevos límites en aplicaciones que atraviesan múltiples formaciones en una sola pasada, desde formaciones intercaladas hasta rocas duras y abrasivas, a través de arena, arcilla, arenisca y piedra caliza.

Se ha desarrollado un conjunto completo de cortadores perfilados (Fig. 1) utilizando lo último en investigación de materiales para abordar una variedad de aplicaciones y tipos de formaciones desafiantes. Los ingenieros de perforación pueden colocar combinaciones de cortadores especializados en una sola broca para perforar de manera eficiente a través de formaciones complejas.

Uno de los cortadores avanzados (Fig. 1a) que surgió de estos esfuerzos de desarrollo es un diseño que mejora el rendimiento en formaciones duras. El cortador resultante tiene una geometría de filo novedosa para soportar cargas de alto impacto y un chaflán secundario en la cara del diamante que le permite soportar cargas más altas que los cortadores de diamante policristalino compacto (PDC). Esto le permite mantener la eficiencia de perforación en formaciones intercaladas duras, lo que conduce a una mayor tasa de penetración general (ROP) para el intervalo.

Al perforar en formaciones duras y abrasivas, el calor generado por la interacción del cortador de roca puede romper la integridad del cortador, lo que provoca un desgaste prematuro y un rendimiento reducido. Los ingenieros se centraron en mejorar la punta del cortador mejorada para desarrollar un cortador (Fig. 1b) que se mantiene frío en formaciones duras y abrasivas y es particularmente efectivo en arenisca, donde presenta una microfractura y un desgaste considerablemente menores que los cortadores tradicionales.

Las corridas complejas a menudo significan que las barrenas deben perforar a través de formaciones muy diferentes, desde rocas duras intercaladas hasta formaciones más abrasivas. Para hacer frente a estas condiciones variables, un cortador debe ser eficaz en condiciones de carga de alto impacto y seguir siendo funcional al final de la carrera. Se desarrolló otro cortador especializado (Fig. 1c) para brindar este rendimiento equilibrado, reduciendo la fricción y la generación de calor en la interfaz del cortador/roca, rompiendo los recortes de roca y permitiendo una perforación más rápida y recorridos más largos con un menor peso sobre la broca (WOB) requerido para una ROP dada.

Las condiciones en las que se requiere una carga puntual, como la perforación a través de evaporitas o entornos con un alto contenido de lodo y en carreras de perforación donde el WOB es limitado, requieren un cortador con la capacidad de distribuir más peso a una porción más pequeña de la roca. Baker Hughes diseñó un cortador (Fig. 1d) para estas condiciones que penetra en la formación con mayor eficacia que los cortadores estándar al generar una mayor profundidad de corte utilizando la energía disponible para realizar carreras de perforación más rápidas.

La incorporación más reciente (Fig. 1e) a la cartera de cortadoras especializadas asume condiciones aún más exigentes con un diseño que ofrece una mayor durabilidad con la inclusión de biselado secundario, un relieve en el centro de la cortadora y una capacidad de carga puntual mejorada.

Todos estos cortadores especializados comparten el objetivo de mejorar la ROP, prolongar la vida útil de la broca y hacer posible carreras de perforación más largas, y cada diseño tiene una aplicación específica y características de rendimiento que mejoran la eficiencia de la perforación. Pero optimizar la colocación de estos cortadores con forma en la broca no es fácil. Hay muchas variables interrelacionadas, por lo que determinar qué cambiar para mejorar el rendimiento es un desafío formidable. Encontrar el mejor camino a seguir significa identificar las herramientas correctas para el trabajo y, a menudo, eso significa no solo un cortador, sino múltiples tipos de cortadores colocados adecuadamente en la parte correcta de la broca.

Los costos asociados con la perforación constituyen del 30% al 40% de los costos totales del pozo para los programas de perforación en tierra, por lo que encontrar formas de mejorar el proceso puede afectar significativamente el resultado final. En un programa de perforación convencional que se estaba ejecutando en el noreste de la Columbia Británica, Canadá, el desafío era encontrar una manera de perforar de manera efectiva a través de litología intercalada con rocas duras y formaciones altamente abrasivas que causaban vibraciones excesivas y frecuentes roturas del cortador en los pozos vecinos.

Una simulación por computadora del entorno de fondo de pozo condujo a una solución práctica, utilizando un tubo de 6¾ pulgadas. Broca PDC de vida extendida Dynamus equipada con dos tipos de cortadores especiales para resolver los desafíos de perforación. El cortador ShockWave brindó la durabilidad para perforar de manera eficiente en formaciones intercaladas, eliminando los problemas de daño térmico y desprendimiento del cortador, mientras que los cortadores Apex abordaron los problemas de desgaste, brindando respaldo a medida que los cortadores primarios se desgastaban y permitiendo que la perforación progresara sin una caída en la ROP.

Esta combinación de cortadores con forma ahorró 26 horas de tiempo de perforación al eliminar una ejecución planificada para cambiar la barrena y brindó una mejora del 76 % en el metraje sobre el promedio de la plataforma.

La perforación convencional plantea un conjunto de desafíos, mientras que la perforación en lutitas presenta otro. Para un operador que ejecutaba un programa de perforación en Vaca Muerta Shale en Argentina, el problema era un pozo horizontal largo y angosto donde la transferencia de alto peso estaba causando fallas prematuras en el ensamblaje del fondo del pozo, y la entrada de energía limitada de los sistemas de perforación restringía las tasas de penetración en la compensación. pozos

Los expertos llevaron a cabo un modelado de simulación avanzado para identificar la combinación de broca y cortadores especiales para abordar mejor el problema de la transferencia de alto peso y mejorar la ROP. Determinaron que el uso de cortadores Prism en un 6¾ in. la barrena de PDC de vida extendida aumentaría la ROP en la sección lateral larga de lutita. Con los cortadores Prism colocados juiciosamente en la barrena, el operador pudo aumentar el WOB de manera segura para aumentar la ROP sin correr el riesgo de dañar la herramienta. La combinación del cortador especial con el sistema de perforación de navegación de yacimiento automatizado AutoTrak produjo una mejora del 13 % en la ROP frente a las compensaciones promedio en una sola corrida de sección lateral, y la mejor corrida en el programa de perforación brindó una ROP 29 % mejor (Fig. 2).

La perforación subóptima siempre es perjudicial para las operaciones, pero en aguas profundas, donde la perforación comprende aproximadamente el 60 % de los costos totales de perforación y terminación de pozos, las ineficiencias son particularmente costosas. Este fue un factor importante para un operador que perforaba en el Caribe, donde una complicada sección de construcción en aguas profundas a través de arcillas y areniscas presentaba largueros de carbonato intercalados duros que dificultaban alcanzar las tasas de construcción deseadas sin aplicar fuerzas de dirección excesivas. La barrena estaba encontrando una vibración excesiva y experimentaba adherencia/deslizamiento en los pozos vecinos.

El modelado de simulación permitió a los ingenieros de perforación identificar la combinación de broca/cortador de forma que brindaría un control de dirección preciso y una mejor estabilidad de la broca. Los resultados de la simulación llevaron a la decisión de utilizar un 12¼-in. Broca PDC de vida extendida equipada con dos cortadores especiales. La carga puntual del cortador Apex permitió la penetración de la formación dúctil con un WOB más bajo, y el cortador StabilisX mejoró la estabilidad torsional para cortar la formación dura. La colocación de esta combinación de cortadores en la barrena y el uso del sistema de perforación de navegación de yacimiento automatizado AutoTrak mejoró la ROP en un 30 % y redujo el efecto de pegado/deslizamiento en un 80 % y, al mismo tiempo, prolongó la vida útil de la barrena y aumentó la duración de las corridas de perforación.

La tecnología avanzada de cortadores con forma ofrece una gama de mejoras de rendimiento en entornos de perforación exigentes, pero este no es el final del viaje. El uso de software de simulación sofisticado para comprender realmente las demandas de la formación y cómo se desempeñará cada cortador con una ubicación particular en la barrena está ayudando a los ingenieros a resolver los desafíos de perforación actuales y, al mismo tiempo, mejorar y refinar tanto los cortadores como el proceso de perforación.

Los resultados de más de 50 000 corridas en las que los cortadores con forma resolvieron los problemas de perforación demuestran que al hacer coincidir la combinación de cortadores con la formación y las condiciones del fondo del pozo, es posible mejorar la ROP, prolongar la vida útil de la broca y perforar corridas más largas para lograr operaciones más rentables.

El rendimiento de estos cortadores, combinado con capacidades de modelado mejoradas, también establece un historial de confiabilidad y, a medida que evolucionan los entornos de perforación, la inversión constante en el desarrollo de cortadores con forma seguirá avanzando en la tecnología para garantizar que los perforadores tengan las herramientas adecuadas para el trabajo.

Desde que se unió a Baker Hughes en 2007, Derek Nelms se ha desempeñado en una variedad de funciones de diseño de brocas, ingeniería de perforación y ventas de tecnología. Tiene una licenciatura en ingeniería mecánica de la Universidad de Texas A&M.