Tecnología de perforación y producción | ¿Qué son las herramientas para aumentar la velocidad de perforación? ¿Cómo mejorar eficazmente la eficiencia de la perforación y reducir los costos?

1Alta resistencia a la temperatura, igual espesor de pared, velocidad de perforación de tornillos, tecnología en aumento

El tornillo de espesor uniforme y resistente a altas temperaturas es una herramienta que aumenta la velocidad de perforación, especialmente diseñada para satisfacer las necesidades de alto rendimiento y fiabilidad en la industria de la perforación. Durante el uso de tornillos de perforación tradicionales, debido a las altas temperaturas y las complejas condiciones de trabajo, suelen producirse un desgaste severo y daños por fatiga, lo que reduce la eficiencia de la perforación. Sin embargo, el tornillo de espesor uniforme y resistente a altas temperaturas posee una excelente resistencia a la temperatura, lo que le permite mantener propiedades mecánicas estables en entornos de alta temperatura, reducir las fallas de los equipos causadas por las altas temperaturas y, por lo tanto, aumentar la velocidad de perforación.

1.1 Principio técnico

El motor de fondo de pozo acciona directamente la broca para romper la roca y perforar, lo que permite una transmisión de potencia más eficiente, reduce la pérdida de energía y optimiza el rendimiento de las herramientas de fondo de pozo. Esto se debe a que el motor acciona directamente la broca, evitando la pérdida de potencia causada por la falla del sistema de transmisión, lo que permite utilizar más energía para la perforación de la roca, mejorando la velocidad y la eficiencia de la perforación. Para mejorar aún más la resistencia a altas temperaturas del equipo, el tornillo de espesor uniforme y resistente a altas temperaturas utiliza materiales especiales y tecnologías de tratamiento de superficie resistentes a altas temperaturas. Por ejemplo, se utiliza acero de alta aleación como material principal, o la superficie del equipo se somete a un tratamiento térmico o de recubrimiento para mejorar su resistencia a altas temperaturas. Dado que el estator adopta una carcasa de acero prefabricada con una forma de sección transversal específica, y luego se inyecta pegamento para formar una capa delgada de caucho de espesor uniforme, el motor tiene una mayor salida de par y puede adaptarse a diversas condiciones geológicas complejas. Esta estructura reduce la distancia entre el estator y el rotor del motor, disminuyendo así la fricción y el desgaste, y mejorando la vida útil y la fiabilidad del equipo. La herramienta también incorpora un mecanismo de bloqueo mecánico o de reducción de fricción para mejorar la precisión y la estabilidad de la rotación, y evitar la disminución de la eficiencia de perforación causada por la vibración o la excentricidad del tornillo.

1.2 Análisis de adaptabilidad

En términos de rendimiento, el tornillo de igual espesor de pared resistente a altas temperaturasherramienta de perforaciónNo solo posee todas las características de los motores de tornillo convencionales, sino que también ofrece un par motor elevado, un arranque sencillo y una gran resistencia a la sobrecarga, lo que lo hace más adecuado para operaciones de perforación en formaciones profundas de alta temperatura. Al utilizar un tornillo recto con una pequeña herramienta de perforación pendular en formaciones de alta inclinación, se puede lograr una alta velocidad de perforación con baja presión, y se consigue un efecto significativo en la reducción y prevención de la desviación. Al mismo tiempo, el diseño del tornillo recto proporciona una fuerza de soporte estable para evitar que la broca se desvíe en formaciones de alta inclinación, mejorando así la estabilidad de la perforación. Tanto la investigación teórica como las aplicaciones en campo demuestran que la tecnología de perforación rápida que utiliza tornillos de espesor de pared uniforme y resistentes a altas temperaturas puede aumentar significativamente la velocidad de rotación de la broca en el fondo del pozo, adaptarse al entorno de alta temperatura del fondo del pozo y optimizar eficazmente el control de calidad del pozo. Al mismo tiempo, también puede reducir la carga del accionamiento superior y el par de la herramienta de perforación, y prolongar la vida útil de la herramienta de perforación. En comparación con el montaje convencional de herramientas de perforación PDC, este método puede mejorar considerablemente la eficiencia de la perforación y mostrar excelentes resultados económicos y técnicos en general.

2Turbina + velocidad de broca de diamante impregnada: tecnología en constante evolución.

La turboperforadora es una herramienta de perforación que convierte la energía hidráulica del fluido en energía mecánica rotacional, impulsando así la broca para que gire e impacte, logrando una perforación rápida y eficiente. Se compone principalmente de tres partes: la sección de turbina, el eje universal y el eje de transmisión. La broca de diamante impregnado es un tipo de broca de diamante. Su matriz se fabrica mediante la sinterización de partículas policristalinas de diamante en la superficie exterior, lo que la hace más agresiva. La matriz tiene una altura determinada, su diámetro exterior es ligeramente mayor que el diámetro exterior del cuerpo de la broca y su diámetro interior es ligeramente menor que el diámetro interior del cuerpo de la broca. La matriz cuenta con ranuras de agua en la superficie exterior, interior e inferior para evacuar los recortes de roca y refrigerar la broca mediante fluido de lavado. La matriz posee suficiente resistencia a la compresión y al impacto, así como alta dureza y resistencia al desgaste. La turboperforadora y la broca de diamante impregnado son herramientas importantes en el proceso de perforación petrolera, y su uso combinado puede mejorar la eficiencia y la calidad de la perforación.

2.1 Principio técnico

La sección de turbina es el componente principal de la turboperforadora, compuesta por estatores y rotores, cojinetes de centrado, ejes principales y carcasas. Convierte la energía del fluido de perforación en energía mecánica para la rotación del eje principal. Su estructura interna incluye varias etapas de estatores y rotores acoplados. Cuando el fluido de perforación ingresa al estator junto con la herramienta de perforación, el estator lo guía para que adquiera una dirección y velocidad determinadas, y luego ingresa al rotor. En el rotor, el fluido de perforación impacta las palas, generando una diferencia de presión que provoca la rotación del rotor. Mediante este mecanismo, la energía del fluido de perforación se convierte en energía mecánica que impulsa la rotación del eje de la turbina.

El principal método de fractura de la broca de diamante impregnada es la fractura abrasiva, que consiste en utilizar partículas de diamante para desgastar, rayar y erosionar continuamente la roca bajo la acción de una fuerza axial y un par de torsión, logrando así su fractura. La broca de diamante que utiliza principalmente este método de fractura posee una alta resistencia al desgaste, lo que le permite perforar eficazmente rocas altamente abrasivas en formaciones duras y extremadamente duras, mejorando la eficiencia de perforación y la vida útil de la broca.

2.2 Análisis de adaptabilidad

La turbina de perforación con broca de diamante impregnado adopta una estructura totalmente metálica, lo que le confiere mayor resistencia a altas temperaturas y un efecto de perforación más estable, permitiéndole operar de forma estable incluso en entornos extremos. Esto es especialmente importante en operaciones de perforación de pozos profundos y ultraprofundos. Esta combinación de herramientas ofrece un excelente equilibrio axial, lo que reduce la vibración lateral, genera una trayectoria de pozo uniforme y minimiza los daños a la pared del pozo, protegiendo así la broca y otras herramientas de fondo de pozo, lo que resulta beneficioso para las operaciones posteriores. Gracias a las características de rotación de alta velocidad de la turbina de perforación, la combinación de la broca de diamante impregnado y la turbina de alta velocidad permite una eficiencia de perforación extremadamente alta en formaciones profundas de alta dureza y fuerte abrasividad, mejorando significativamente la capacidad de perforación.

3Velocidad de perforación con impactador de torque: tecnología en constante evolución

El impactador de torsión es una herramienta mecánica pura que se utiliza principalmente para la rotura auxiliar de rocas en brocas PDC. La herramienta genera una caída de presión a través de una boquilla de flujo variable, creando una zona de alta presión y otra de baja presión en su interior. Cuando la diferencia de presión actúa sobre la herramienta, el canal de flujo cambia de dirección, haciendo que el martillo de impacto y el martillo de arranque internos giren en sentido inverso a alta velocidad. El martillo de impacto golpea continuamente la superficie de impacto, transmitiendo así la fuerza de impacto a la broca y generando un par de torsión pulsante de alta frecuencia. De esta manera, convierte la energía del fluido de perforación en energía de impacto mecánica torsional, de alta frecuencia, uniforme y estable, y la transmite directamente a la broca PDC, manteniendo la broca y el fondo del pozo en contacto continuo en todo momento.

3.1 Principio técnico

La fuerza de impacto estable de alta frecuencia, de 750 a 1500 veces/min, proporcionada por el impactador de torsión, equivale a cortar la formación varias veces por minuto. Esto permite que la broca corte la formación sin esperar a que la torsión acumule suficiente energía, cambiando por completo su estado operativo. En este momento, la broca cuenta con dos fuerzas para cortar la formación: el par motor proporcionado por la mesa rotatoria y la fuerza de impacto del impactador de torsión. Estas dos fuerzas se transmiten directamente a la broca, de modo que el par motor transmitido por la tubería de perforación se aprovecha al máximo para cortar la formación sin desperdicio. La acción combinada de este par motor y la fuerza de impacto no solo mejora significativamente la velocidad de perforación, sino que también reduce o elimina eficazmente la vibración perjudicial de la broca durante la perforación en formaciones duras, la protege, prolonga su vida útil y, al mismo tiempo, reduce la fatiga de otras herramientas de perforación y extiende su vida útil. La Figura 1 muestra el estado de tensión de la sarta de perforación en el fondo del pozo con la herramienta de perforación convencional y con el impactador de torsión.

3.2 Análisis de adaptabilidad

Como herramienta de perforación avanzada, el impactador de torsión posee una estructura mecánica interna razonable, sin piezas de goma ni componentes electrónicos, y con pocas piezas. Incluso en caso de fallo, equivale a una broca que gira continuamente junto con la broca PDC sin afectar la perforación continua, y no es necesario detener la broca, por lo que ofrece una alta fiabilidad. El impactador de torsión es adecuado para diversas formaciones complejas, especialmente formaciones de roca ígnea con alta abrasividad y difícil perforación. Al mismo tiempo, la herramienta es fácil de operar. Para usar el impactador de torsión, solo es necesario conectarlo directamente a la herramienta de perforación rotativa o direccional, lo que resulta simple y conveniente.

4Impactador compuesto

El impactador compuesto es un equipo de perforación avanzado con un dispositivo de conversión de energía integrado, capaz de transformar la energía del fluido de perforación en energía de impacto pulsante, generando así fuerzas de impacto circunferenciales y axiales estables de alta frecuencia. Este método de trabajo mejora significativamente la eficiencia de la broca en la rotura de la roca, resuelve eficazmente los problemas de adherencia y deslizamiento, así como la retención de presión durante la perforación, logrando así el objetivo de aumentar la velocidad. El impactador compuesto no solo posee las características y ventajas del impacto torsional, sino que también combina de forma innovadora la función de impacto axial..

impactador compuesto

4.1 Principio técnico

La estructura interna del impactador compuesto está formada por maquinaria de metal puro. Mediante un mecanismo de inversión, convierte la energía del fluido de perforación en energía de impacto circunferencial y axial estable y de alta frecuencia. Durante la perforación con herramientas convencionales, una vez que la broca PDC penetra en la formación, la acumulación de energía de la herramienta superior debe superar un valor crítico para iniciar la fractura de la roca. En cambio, el impactador compuesto transforma la energía del fluido de perforación en energía de impacto, proporcionando una fuerza de impacto estable y de alta frecuencia a la broca. De esta forma, la tensión de fractura de la roca alcanza rápidamente la tensión crítica para la fractura de la formación, mejorando notablemente la eficiencia de la broca PDC. Asimismo, gracias a la reducción de la fluctuación de la tensión y el par de fractura, la broca logra un corte uniforme en el fondo del pozo, eliminando la tensión instantánea extremadamente alta a la que se somete la broca PDC con las herramientas de perforación convencionales. Por lo tanto, la tensión sobre la broca se vuelve más uniforme y estable, lo que prolonga la vida útil de la broca PDC y aumenta la longitud de trabajo de una sola broca.

4.2 Análisis de adaptabilidad

En comparación con el impactador de torsión, el impactador compuesto aumenta la energía del impacto longitudinal. Teóricamente, su eficiencia de rotura de roca es mayor y resulta más adecuado para su uso en formaciones compactas. Con el mismo tamaño, la presión de perforación óptima del impactador compuesto es ligeramente superior a la del impactador de torsión. Para el impactador compuesto, la broca utilizada debe tener una mayor resistencia al impacto y cuenta con dientes amortiguadores distribuidos junto a los dientes de corte principales, lo que protege eficazmente la broca. Al perforar en formaciones duras y altamente abrasivas, la selección de brocas PDC de la serie HPM permite lograr un equilibrio perfecto entre velocidad y longitud de perforación.

5Conclusiones y perspectivas

Este artículo estudia y presenta las herramientas comunes para aumentar la velocidad de perforación. Mediante el análisis de sus principios, características y ámbitos de aplicación, se observa que los distintos tipos de herramientas para aumentar la velocidad de perforación se adaptan a diferentes condiciones geológicas y requisitos de perforación. Asimismo, debido a los diferentes costos de uso de las diversas herramientas, la selección de las mismas también debe considerarse desde una perspectiva económica.

Para futuras investigaciones, se sugiere abordar los siguientes aspectos: estudiar con mayor profundidad el mecanismo de funcionamiento de las herramientas para aumentar la velocidad de perforación, optimizar su diseño y mejorar su adaptabilidad y eficiencia; combinar tecnologías como la inteligencia artificial y el big data para lograr la inteligencia y el monitoreo remoto de dichas herramientas, y mejorar la seguridad y la eficiencia de las operaciones de perforación; y ampliar la aplicación de las herramientas para aumentar la velocidad de perforación a otros campos, como pozos de agua, pozos de gas y pozos geotérmicos, para satisfacer las necesidades del desarrollo socioeconómico.

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