Informe sobre trépanos!! (para perforación en petróleo)

Buenas a todos los Taringueros!! Soy novato hace mucho así que espero que este post les guste y reciba unos cuantos puntos Hoy les traigo un informe que me pidieron para la universidad. Para los que les interesa, estudio ingeniería mecánica, y mi profe de materiales (un viejo amargo y rompe-bolas ) nos encargo hacer un trabajo sobre algún elemento utilizado en la industria petrolera, orientado a los materiales. Elegí hacer el informe sobre trépanos así que me tuve que poner a buscar info por todos lados, ya que es escasa si lo que buscan es algo realmente bueno. Bueno me canse de comentar.. Espero que esto les sirva.. y no se olviden de poner puntos . Saludos________________________________________________________________________“TRÉPANOS”Índice:•Introducción………………………………………………………….... 1•Importancia de los trépanos•Tipos de trépanos•Trépanos triconos oEstructuras de corte oCojinetes oEl cuerpo del trépano•Trépanos de cortadores fijos, o de arrastre oCuerpo del trépano oEstructuras de corte oTrépanos de diamante natural oTrépanos de PDC oTrépanos impregnados de diamante oTrépanos híbridos•Estabilidad de los trépanosIntroducción:Un trépano es un dispositivo que se coloca en el final de una sarta de perforación para que rompa, corte y muela las formaciones rocosas durante la perforación de un pozo petrolero.Los trépanos tienen huecos para permitir el paso del fluido de perforación, que sale a chorros por picos intercambiables. El fluido de perforación lubrica y refrigera el trépano y ayuda a expulsar la roca molida hacia la superficie. En formaciones rocosas no consolidadas los chorros de agua a alta presión ayudan a remover la roca en forma directa permitiendo reducir los tiempos de perforado.Importancia de los trépanos:Los trépanos de perforación representan un componente clave de la economía de la construcción del pozo. El tiempo necesario para perforar un pozo se encuentra directamente relacionado con la rapidez con la cual los trépanos corten la formación y con el tiempo que conserven su filo. En términos de costo por metro perforado, invertir en la barrena adecuada reduce en forma importante el costo total, ya que esto ayuda a disminuir el tiempo de perforación y el número de viajes de entrada y salida del pozo. Independientemente de la aplicación, el precio de compra de las barrenas adecuadas para cada caso en particular se recupera varias veces.Tipos de Trépanos:Los trépanos más utilizados son los trépanos triconos. Poseen tres conos giratorios que giran en forma independiente, al mismo tiempo que la barrena rota al fondo del hueco. Cada uno de los conos cuenta con estructuras cortantes (dientes de acero resistente al desgaste o insertos de carburo de tungsteno). Un diseño posterior de trépanos son los trépanos de cortadores fijos, o de arrastre, formados por un cuerpo sólido sin partes móviles y elementos cortantes insertados en el cuerpo que giran en conjunto. Los elementos cortantes pueden ser superficies impregnadas de diamante natural, o insertos de un compuesto policristalino de diamante (PDC, en inglés).Existen otros tipos de trépanos, pero se desarrollará solo los mencionados por ser los más utilizados.Trépanos triconos:Estos trépanos constan de tres importantes componentes.1.Las estructuras cortadoras, o cortadores.2.Los cojinetes.3.El cuerpo del trépano.Los conos están montados sobre cojinetes, los cuales rotan sobre pernos, constituyendo una parte fundamental del cuerpo del trépano. Los elementos de corte del trépano de conos son hileras circunferenciales de dientes extendidas sobre cada cono.Tanto las estructuras de corte como los cojinetes, son los componentes que mayor avance tuvieron.Estructuras de corteExisten dos tipos de estructuras cortantes en los conos giratorios: 1.Los fabricados con dientes de acero, fundidos o forjados integralmente con bordes de compuestos de carburo resistentes al desgaste.2.Insertos de carburo cementado o carburo de tungsteno formados por separado y colocados a presión en agujeros perforados con precisión en las superficies de los conos. También se encuentran disponibles insertos cubiertos con revestimientos de PDC, que son más resistentes a la abrasión.Las barrenas con dientes de acero se utilizan en formaciones blandas con baja resistencia a la compresión. Las barrenas de insertos se utilizan para perforar formaciones que van de blandas y semiduras, a duras semiabrasivas y duras abrasivas.Los dientes de acero se funden, forjan o fabrican del mismo metal que los conos. El recubrimiento duro de carburo de tungsteno se suelda sobre los dientes de acero para incrementar la durabilidad. Los insertos de carburo de tungsteno se funden por separado y se colocan mecánicamente a presión en agujeros ligeramente menores al tamaño de los insertos, precisamente labrados en las superficies de los conos.Los insertos de carburo de tungsteno permiten perforar rocas muy duras. El carburo de tungsteno, también conocido como Widia, es un compuesto cerámico más duro y más resistente al desgaste que el mejor acero, y puede perforar largos intervalos antes de desgastarse.El uso de carburo de tungsteno puede ser difícil, ya que el carburo es muy frágil haciéndolo susceptible a astillarse y romperse. Para compensar esto, se elaboran piezas de este material en forma de polvo, añadiendo entre un 6 y un 10% de cobalto. A este material compuesto se lo denomina carburo cementado.El carburo cementado es un compuesto de matriz metálica en donde las partículas de carburo de tungsteno son el agregado y el cobalto metálico sirve como la matriz. El proceso de combinación de carburo de tungsteno con cobalto se conoce como sinterización o prensado isostático caliente (HIP). Durante este proceso el cobalto entra eventualmente en fase líquida y los granos de WC (con un mayor punto de fusión) permanecen en la fase sólida. El resultado de este proceso es la incrustación / cimentación de los granos de WC en el cobalto y por tanto, creación del compuesto de matriz metálica, con distintas propiedades materiales. La ductilidad natural del cobalto metálico sirve para compensar los comportamientos característicos frágiles de la cerámica de carburo de tungsteno, lo que aumenta su dureza y durabilidad. El contenido de cobalto y el tamaño de grano se varían para cambiar las propiedades de dureza y ductilidad del inserto. Grano pequeño y bajo contenido de cobalto aumentan la dureza y la resistencia al desgaste, a costa de una alta fragilidad. Granos más grandes y un alto contenido de cobalto reducen la dureza y la resistencia al desgaste, incrementándose la tenacidad. Debe escogerse las propiedades adecuadas en cada caso: demasiado dúctil ocasiona el desgaste prematuro, demasiado dura incrementa el rompimiento de los insertos bajo cargas severas.Los insertos que tienen recubrimientos de compuestos de diamante utilizan capas de un compuesto policristalino de diamante de distinta calidad sobre los sustratos de carburo cementado. La capa superficial (fabricada casi de diamante puro) que corta la roca, se optimiza para evitar el desgaste a la abrasión, a la temperatura y al impacto en las aplicaciones de conos giratorios. Las diferencias en la expansión térmica y en la elasticidad entre los substratos de carburo cementado y los compuestos de diamante originan incompatibilidad en cuanto a la dilatación. Estos inconvenientes se reducen mediante la aplicación de capas progresivas intermedias. Los insertos en forma de domo utilizan un recubrimiento uniforme de diamante, mientras que los recubrimientos de insertos con punta redondeada varían de gruesos en la punta a delgados en los bordes. Un recubrimiento de PDC superficial de diamante casi puro y una o dos capas intermedias de diamante, carburo de tungsteno o combinaciones de cobalto, se sinterizan, ocasionando que le material aglutinante se adhiera firmemente a la base del carburo. Los revestimientos intermedios se optimizan para minimizar las tensiones entre el diamante y el carburo de tungsteno ocasionadas por la diferencia en la expansión térmica entre el diamante y el carburo.CojinetesHay tres diseños principales de cojinetes en uso en los trépanos actuales, ellos son:1.Cojinetes estándar de rodamientos a rodillos y bolillas.2.Cojinetes sellados con rodillos y bolillas.3.Cojinetes sellados a fricción.Los cojinetes estándar fueron los primeros en aparecer. La pista de los rodillos absorbe la mayor porción de los empujes radiales sobre los cortadores y el cojinete de nariz absorbe una pequeña parte. La superficie de empuje perpendicular al perno del cono y la de fondo, están diseñadas para hacerse cargo de los empujes hacia afuera. La pista de las bolillas mantiene a los cortadores en su lugar y recibe los empujes de afuera hacia adentro. Cuando algunas partes del cojinete están gastadas, la pista de las bolillas también absorbe algunas cargas radiales y algunos empujes hacia afuera. Las superficies antifricción se carburan, endurecen y templan.No obstante, el lodo y las sustancias sólidas dañaban a los cojinetes rápidamente. A pesar de utilizar lubricantes especiales, la fatiga y el desgaste de las superficies del cojinete de rodillos, y los surcos sobre las piezas de sujeción y los conos, limitaban la vida del cojinete.Fue entonces que se incluyeron sellos para mantener la grasa dentro de los cojinetes y evitar que los líquidos o las sustancias sólidas penetraran. Los depósitos de grasa en cada pieza de sujeción proporcionan lubricación continua y el sistema de compensación del diafragma estabiliza la presión a través de los sellos.En casos en los que los trépanos están sometidos a grandes fuerzas, son necesarios cojinetes a fricción, debido a que las cargas se distribuyen sobre un área más grande, en lugar de distribuirse únicamente sobre los rodillos. Para estos cojinetes se desarrolló un cojinete flotante plateado, constituido de una aleación de berilio y cobre que cuenta con mayor capacidad de carga, superior maleabilidad y más resistencia al desgaste, y alta conductividad térmica para disipar el calor. Este cojinete flotante gira entre la superficie del cono y las superficies del cojinete liso para proporcionar cuatro superficies y un área de resbalamiento dos veces mayor que la de los cojinetes de fricción convencionales, lo que reduce las velocidades relativas y disminuye el desgaste. Los cojinetes flotantes además tienen un plateado que actúa como un lubricante sólido reduciendo la fricción y el desgaste. Cuerpo del trépanoEl cuerpo del trépano consiste en:1.Una conexión roscada que une el trépano con la columna de perforación.2.Tres ejes del cojinete donde van montados los conos.3.Los depósitos que contienen el lubricante para los cojinetes.4.Los orificios a través de los cuales el fluido de perforación fluye para limpiar el fondo del pozo.Uno de los propósitos del cuerpo del trépano es dirigir el fluido de perforación.Estos fluidos tienen por objeto maximizar la penetración. Para ello el chorro debe: separar los recortes desprendidos, limpiar los conos y los cortadores, refrigerar el trépano, y transportar los recorteshacia la superficie para evitar la pulverización de los mismos. Para ello las boquillas deben dirigir el fluido hacia el fondo de la perforación y hacia los conos del trépano.La erosión del fluido sobre el cuerpo del trépano,proveniente de las altas velocidades que alcanza el fluido, se reducen a unmínimo con el empleo de las boquillas. Las boquillas están construidas decarburo de tungsteno, el único material capaz de soportar la fuerte abrasiónque produce la alta velocidad del fluido al pasar por las mismas, alcanzandovalores entre 1/5 y 1/3 de la velocidaddel sonido.La cuerpo del trépano debe ser lo suficientemente robusto para soportar altas cargas, que pueden llegar a superar los 30.000 Kg. La composición de fuerzas sobre el trépano durante la perforación tiende a abrir las patas y a doblar los ejes de los conos.Trépanosde cortadores fijos, o de arrastre:Al igual que los trépanos triconos, los trépanos de arrastre estánprincipalmente formados por los siguientes elementos:1. Elcuerpo del trépano.2. Lasestructuras cortadoras, o cortadores.Como se dijo antes, los trépanos de arrastre están formados por un cuerpo sólido sin partes móviles y elementos cortantes insertados en el cuerpo que giran en conjunto. Los elementos cortantes pueden ser: de diamante natural, de insertos de PDC o impregnadas de diamante. Además, existen dos tipos de cuerpos: los de acero y los de matriz.Cuerpo del trépanoLas barrenas de acero de una sola pieza se fabrican mediante fresas controladas por computadora (CNC), y las estructuras de corte se montan a presión en agujeros precisamente labrados y ligeramente más pequeños, también perforados mediante fresas CNC. El acero es más blando que el carburo de tungsteno por lo que suele utilizarse el cementado para endurecer la superficie y resistir mejor la erosión. También se puede pueden aplicar metales duros en las áreas críticas.Las barrenas de acero soportan mejor el impacto (mayor tenacidad) o las cargas de torsión y se prefieren para formaciones blandas y tamaños de agujeros grandes.El carburo de tungsteno es más frágil que el acero, pero posee una mayor resistencia a la erosión. Los polvos de carburo de tungsteno y una aleación adherente se colocan en un molde con un núcleo de acero y se sinterizan para producir barrenas de matriz. Las partículas de carburo se unen y forman un enlace entre la parte interna del núcleo de acero y la capa exterior de carburo de tungsteno.Las barrenas de matriz duran más (en comparación con las de cuerpo de acero) y pueden fabricarse en formas complejas. Son las preferidas cuando el lodo tiene un alto contenido de sólido y para pozos que exigen trépanos de vida útil prolongada.Estructuras de corteLos trépanos impregnados cuentan con diamantes en o cerca de la superficie de las cuchillas. Los diamantes naturales están montados en las barrenas con estructura de acero o previamente fijados en las cavidades del molde antes de sinterizar las barrenas de matriz con carburo de tungsteno. Los insertos de PDC pueden montarse tanto en las barrenas de acero como en las barrenas de matriz. También existen trépanos híbridos que combinan cortadores PDC con impregnados de diamante.Las barrenas de PDC perforan rápido debido a la acción de corte que ejerce, lo que requiere menos energía para las grandes cargas que ocasionan fallas por compresión en las formaciones. Las barrenas de diamante natural y las barrenas impregnadas de diamante perforan lentamente ranurando y pulverizando respectivamente, lo que hace que ambas requieran una gran carga sobre el trépano y altos esfuerzos de torsión. Las barrenas de cortadores fijos cuestan más, pero perforan más rápidamente y duran más que las barrenas de conos giratorios en algunas formaciones duras y abrasivas.Las barrenas de diamante natural e impregnadas de diamante son aptas para formaciones semiduras y extremadamente duras, cuya abrasividad es mediana o extremadamente alta. Los trépanos de PDC son más adecuados para formaciones que van de blandas a duras, con baja a alta abrasividad.Trépanos de diamante naturalLas barrenas de diamante natural utilizan diamante industrial (no de la calidad del de las joyas) proveniente de las rocas naturales, que son trituradas y procesadas para producir tamaños específicos y formas redondeadas regulares.Los diamantes naturales se forman en zonas profundas de la tierra sometidas a intenso calor y extrema presión durante miles de años.Cuando se introdujeron los trépanos de diamante natural, se utilizaron pequeños diamantes en forma de arenilla. Los diamantes se colocaron en cuchillas de carburo de tungsteno durante la sinterización, pero las cuchillas tendieron a desgastarse demasiado rápido. Además, los diamantes se aflojaban y finalmente originaban la detención de la perforación. Esto dio como resultado trépanos convencionales de diamantes con piedras más grandes fijadas siguiendo patrones específicos. No obstante, cuando los diamantes naturales fijados en la superficie se salen de la matriz o se pulen, no queda elementos duros y filosos para moler las formaciones.Trépanos de PDCA principios de la década de 1970, General Electric desarrolló un proceso de sinterización para fabricar diamantes sintéticos. Delgadas capas circulares de grafito de carbono y cobalto se colocaban en forma alternada en pequeñas latas y se prensaban 13.700 MPa. Luego se las calentaba hasta 1500 ºC durante cinco minutos. El cobalto fundido, actuando como catalizador y solvente, disuelve el grafito y deposita arenilla monocristalina de diamante, la cual se conglomera y se une para formar una fina capa policristalina de diamante. Los cristales individuales, como los diamantes naturales, se resquebrajan si las cargas de impacto se aplican en la dirección correcta, pero los diamantes policristalinos adheridos, no cuentan con planos de clivaje y son más resistentes al impacto.Los cortadores de PDC están formados por discos de diamante sintético y substratos más gruesos de carburo cementado. El cobalto forma un enlace con el substrato para formar compactos integrales que con frecuencia se adhieren a refuerzos más largos de carburo cementado para el montaje.Al ser calentado, el cobalto se expande más que el diamante. A 700 ºC esta expansión quiebra el enlace entre el cobalto y el diamante, de modo que los cortadores de PDC deben permanecer por debajo de esta temperatura para evitar la falla. Para superar esta limitación, los diamantes policristalinos termalmente estables (TSP, en inglés) se producen tratando con ácido los nuevos diamantes sintéticos con el fin de extraer el cobalto. Los cortadores de TSP permanecen estables a 1150 ºC, pero son mantenidos en su lugar en forma mecánica debido a que ellos no pueden permanecer adheridos directamente a los soportes. El silicio, el cual reacciona con las partículas de diamante para formar carburo de silicio, puede utilizarse en lugar del cobalto. El carburo de silicio enlaza las partículas de diamante y posee un coeficiente de expansión térmica mucho menor al del cobalto. Esta forma de TSP es estable a más de 1150 ºC, pero también es difícil de adherir.Los cortadores PDC son más resistentes al impacto que los diamantes naturales y son extremadamente eficaces en rocas duras moderadamente abrasivas. Hasta 1994 existía una limitación debido a que había una relación inversa entre la resistencia al impacto y a la abrasión. Estas propiedades dependen principalmente del procesamiento y del tamaño de grano del diamante. Granos más grandes hacen que los compactos de diamante sean más resistentes al impacto, pero menos resistentes a la abrasión, y viceversa. A partir de 1994, Reed-Hycalog optimizó las estructuras de corte del diamante. Los cortadores clasificados como Top Right-handCorner (TRC) se fabrican utilizando una síntesis mejorada de diamante para mezclar diferentes tamaños de partículas de diamante que optimizan tanto la resistencia a la abrasión como la resistencia a impacto.El rendimiento del PDC también se ve limitado por el espesor de la tabla de diamante, lo que es una función de la difusión del cobalto desde la capa de carburo cementado hacia la capa de diamante, y mediante esfuerzos inducidos por la expansión térmica y la contracción del carburo de tungsteno. La tensión residual alta y las partículas de diamante no sinterizadas como resultado de una incompleta recolección de cobalto durante la síntesis de PDC, ocasionan separación de las laminaciones, el descascarillado y el agrietamiento de las tablas de diamante que acortan la vida útil del cortador y termina prematuramente con las carreras de los trépanos. Los modernos cortadores ASTRA, utilizan diseños con interfaces diamante-carburo no planas (NPI, en inglés) para resolver estas limitaciones. La geometría NPI reduce las tensiones residuales en los cortadores. Trépanos impregnados de diamanteLas partículas de diamante están suspendidas en la matriz de carburo de tungsteno de las cuchillas del trépano, a fin de incrementar en gran medida la resistencia al desgaste. En lugar de cortadores individuales, la superficie total de la barrena contiene elementos cortantes situados tan profundamente como los canales de la hidráulica del trépano. Los diamantes pulverizan las formaciones duras y los filos de las cuchillas cortan las formaciones blandas en forma similar a las barrenas de PDC. La velocidad de penetración se reduce gradualmente a medida que las cuchillas pierden el filo. La matriz se desgasta para exponer continuamente nuevos y filosos diamantes. La vida útil de la barrena es una función del volumen impregnado de diamante que puede colocarse en la parte frontal de la barrena.Hoy en día, las barrenas impregnadas de diamante son capaces de perforar diferentes tipos de formaciones, que van desde blandas a duras y abrasivas. Además, se pueden perforar formaciones interestratificadas. Para extender el rango de aplicación de estos trépanos, se encuentran disponibles tres contornos distintos: cono doble profundo, doble cono superficial redondeado y contorno redondeado plano.Un balance entre las propiedades de la matriz y del diamante, optimiza el rendimiento de la perforación y el ahorro de los costos. Si la matriz es demasiado blanda, los diamantes se liberan antes de que se desgasten, lo que acorta el tiempo de utilización del trépano. Si la matriz es demasiado dura, los diamantes no se exponen adecuadamente y las velocidades de penetración se reducen.Debido a que no existen áreas de baja presión para drenar el fluido a lo largo del trépano, cauces de flujo secundario se conectan directamente a los conductos principales de flujo, de modo que el flujo radial de alta presión fluya a cada uno de los conductos, proporcionando un flujo uniforme hacia todas las partes del trépano.Trépanos híbridosLos trépanos híbridos combinan la tecnología del PDC y del diamante natural. Los elementos de corte de carburo de tungsteno impregnados de diamante se colocan detrás de los cortadores de PDC. Cada cortador impregnado funciona como un compañero de reparto de la carga para un cortador PDC específico en las regiones de alto desgaste de un trépano. Estos cortadores secundarios protegen a los cortadores PDC en condiciones de perforación severas y reducen el desgaste en formaciones duras y abrasivas, y mejoran la estabilidad del trépano. Además, los cortadores impregnados soportan la mayor parte de los impactos.Estabilidad de los trépanos:La estabilidad de los trépanos es un factor clave en cuanto al rendimiento general de la perforación. En el fondo del hueco, los trépanos se mueven en forma caótica, incluyendo vibraciones laterales, axiales y torsionales que se pueden presentar solas o combinadas. Las vibraciones en el fondo del hueco reducen la vida útil del trépano, dañando los cortadores, interfiriendo en el control direccional, ocasionando variaciones de los esfuerzos de torsión y reduciendo la calidad del hueco, creando huecos de diámetros mayores a los del trépano.El perfil del trépano y la estructura del contorno se diseñan para mantener la estabilidad.