Investigación sobre herramientas para aumentar la velocidad de perforación

Actualmente, las herramientas para aumentar la velocidad de perforación se dividen principalmente en dos categorías: mecánicas e hidráulicas. Las herramientas mecánicas utilizan el peso sobre la broca (WOB) para generar fuerza de impacto, lo que mejora eficazmente la eficiencia de la fractura de la roca en formaciones duras, pero presentan problemas como fuertes vibraciones, alto consumo de energía y fácil fatiga. Las herramientas hidráulicas utilizan fluido de perforación para accionar martillos de impacto, combinando impacto, rotación y chorro para fracturar la roca. Ofrecen ventajas significativas al aumentar la tasa de penetración (ROP), controlar la desviación del pozo y prolongar la vida útil de la broca, pero generalmente presentan problemas como una frecuencia de impacto única y dificultad para adaptarse a las necesidades de diferentes formaciones.

La tecnología de perforación por impacto se divide principalmente en tres categorías según su modo de acción: impacto torsional, impacto axial e impacto compuesto axial-torsional. La esencia de la perforación por impacto para aumentar la velocidad radica en convertir la energía de presión del gas o líquido en energía mecánica de impacto axial o torsional mediante un impactador, que se aplica directamente al extremo posterior de la broca, mejorando así las condiciones de corte y aumentando su eficiencia de perforación.

La tecnología de perforación por impacto torsional es una tecnología emergente que aumenta la velocidad de perforación en los últimos años, utilizada principalmente para solucionar la vibración intermitente generada por las brocas PDC. Durante su uso, el impactador torsional se instala en el extremo posterior de la broca. Gracias a su diseño interno, convierte la energía hidráulica del fluido en energía mecánica de impacto torsional. La broca fractura la roca bajo la acción combinada del par constante de la sarta de perforación y el par de impacto generado por el impactador.

Los siguientes ejemplos presentan dos herramientas innovadoras.

1. Herramienta para aumentar la velocidad de perforación con frecuencia de impacto ajustable.

La herramienta hidráulica de aumento de velocidad de perforación con frecuencia regulable tiene una estructura de impacto central compuesta por cojinetes, cuerpo del eje inferior, pares de pistones, martillo de impacto, boquilla de aceleración y otros componentes.

Principio de funcionamiento:Este sistema aprovecha la diferencia de presión periódica generada por el fluido de perforación en las cámaras superior e inferior del martillo de impacto para impulsarlo a alta velocidad, generando una fuerza de impacto axial que se transmite directamente a la broca para facilitar la fractura de la roca. La clave reside en que esta herramienta permite ajustar la frecuencia de impacto modificando el número de orificios simétricos en el cuerpo inferior del eje, adaptándose así a las necesidades de perforación de diferentes formaciones.

Aplicación de una herramienta para aumentar la velocidad de perforación con frecuencia de impacto ajustable.

Prueba de campo en formación de dureza media: Con base en la frecuencia de impacto óptima (16 Hz) seleccionada mediante simulación numérica, esta herramienta se probó en el pozo X1 del yacimiento petrolífero de Xinjiang. En la sección de formación con alta abrasividad y baja tasa de penetración (ROP), la comparación con el pozo adyacente que utiliza una herramienta de perforación de tornillo muestra que, después de usar esta herramienta, la longitud de perforación en una sola pasada aumentó un 53 %, la ROP mecánica aumentó un 27,0 %, lo que reduce eficazmente el número de viajes y ahorra tiempo de construcción.

Prueba de campo en formación dura: De acuerdo con la frecuencia de impacto óptima (18 Hz) seleccionada mediante simulación numérica, esta herramienta fue probada en las formaciones de andesita y basalto del Carbonífero con escasa perforabilidad en el pozo X3 del campo petrolífero de Xinjiang.

Conclusión: Los resultados muestran que, tras utilizar esta herramienta, la tasa de penetración mecánica aumenta significativamente en un 103,2 % en comparación con los pozos adyacentes, lo que demuestra que puede mejorar significativamente la eficiencia de la perforación y acortar el ciclo de perforación en diferentes formaciones.

2. Diseño de una herramienta compuesta para aumentar la velocidad de perforación por impacto

Se ha diseñado un mecanismo de impacto torsional hidráulico, cuyo núcleo consta de tres partes: un mecanismo de distribución de flujo, un mecanismo de inversión y un mecanismo de impacto.

Proceso de movimiento: Inicialmente (estado a), el fluido a alta presión entra en la cavidad izquierda del martillo hidráulico a través del canal de flujo izquierdo del núcleo de la válvula inversora, empujando al martillo hidráulico y al núcleo de la válvula para que giren en el sentido de las agujas del reloj hasta que el martillo hidráulico impacta en el asiento del martillo hidráulico (estado b). Tras el impacto, el fluido a alta presión entra en la cavidad derecha formada por el martillo hidráulico y el núcleo de la válvula a través del canal de flujo de control derecho, empujando al núcleo de la válvula para que continúe girando en el sentido de las agujas del reloj hasta la posición de inversión (estado c), de modo que el fluido a alta presión cambia al canal de flujo derecho y entra en la cavidad derecha del martillo hidráulico, haciendo que el martillo hidráulico y el núcleo de la válvula giren en sentido contrario a las agujas del reloj (estado c). Hasta que el martillo hidráulico vuelve a impactar en el asiento del martillo hidráulico (estado d), el fluido a alta presión entra en la cavidad izquierda a través del canal de flujo de control izquierdo, empujando al núcleo de la válvula para que gire en sentido contrario a las agujas del reloj para invertir y volver al estado inicial (estado a). Este ciclo se repite, generando un impacto torsional alternativo de alta frecuencia mediante la inversión continua y el impacto impulsado por el fluido.

Principio de funcionamiento:Después de que el fluido (lodo) fluye hacia el manguito de distribución de flujo a través de la junta superior y el tubo guía, se distribuye al mecanismo de inversión y al mecanismo de impacto, y las dos trayectorias del fluido están separadas por la placa de distribución de flujo. Posteriormente, el fluido pasa a través de la boquilla dentro del mandril, formando zonas de alta y baja presión antes y después de este. El núcleo de la válvula de inversión gira impulsado por la diferencia de presión, controlando las cavidades izquierda y derecha del martillo hidráulico para que se conecten alternativamente a las zonas de alta y baja presión, lo que hace que el martillo hidráulico reaccione e impacte el asiento del martillo hidráulico bajo la acción de la diferencia de presión, formando así un impacto torsional alternativo de alta frecuencia.

1-Subunidad superior; 2-Carcasa exterior; 3-Tubo guía; 4-Manguito de distribución de flujo; 5-Placa de distribución de flujo; 6-Perno; 7-Anillo de soporte superior; 8-Asiento del martillo hidráulico; 9-Martillo hidráulico; 10-Núcleo de la válvula de inversión; 11-Anillo de soporte inferior; 12-Mandril; 13-Subunidad inferior;

Diagrama esquemático de la estructura del mecanismo de impacto torsional

Proceso de movimiento del mecanismo de impacto torsional

Se ha diseñado un mecanismo de impacto axial. Los impactadores axiales hidráulicos se dividen principalmente en dos tipos: con válvula y sin válvula. La estructura interna de los impactadores con válvula es compleja y su fiabilidad es baja; los de tipo sin válvula incluyen principalmente los de chorro y los de succión por chorro, siendo estos últimos de corta vida útil. El impactador hidráulico de succión por chorro tiene una estructura simple, logra el impacto mediante el arrastre por chorro y el efecto de oscilación del golpe de ariete, tiene pocas piezas móviles internas y carece de partes vulnerables, lo que le permite adaptarse mejor a las complejas condiciones del fondo del pozo.

1-Asiento de la boquilla superior; 2-Boquilla superior; 3-Válvula superior; 4-Manguito de la válvula superior; 5-Boquilla secundaria; 6-Carcasa exterior axial; 7-Manguito de soporte; 8-Martillo de impacto; 9-Cabezal del martillo; 10-Asiento del martillo; 11-Tapa protectora; 12-Principio de funcionamiento de la junta hexagonal del mecanismo de impacto axial.

Formación del flujo inicial y diferencia de presión: El fluido a alta presión forma un chorro a alta velocidad a través de la boquilla superior. Bajo la acción combinada del arrastre del chorro y el efecto de estrangulamiento, se generan diferencias de presión en las cámaras superior e inferior de la válvula superior, así como entre la cámara superior externa del martillo de impacto y el extremo inferior de la cabeza del martillo.

Movimiento ascendente de los componentes y sellado del canal de flujo: Impulsada por sus respectivas diferencias de presión, la válvula superior se mueve hacia arriba, y los componentes de impacto (boquilla secundaria, martillo de impacto y cabeza del martillo) también se mueven hacia arriba hasta que la boquilla secundaria entra en contacto con la válvula superior y sella el canal de flujo.

Generación del golpe de ariete y movimiento descendente conjunto: El cierre instantáneo del canal de flujo desencadena la oscilación del golpe de ariete, y la presión en la cámara aumenta bruscamente, empujando la válvula superior y los componentes de impacto para que se aceleren hacia abajo simultáneamente.

Impacto inercial y recuperación del ciclo: Después de que la válvula superior se desplaza a la posición límite inferior, los componentes de impacto continúan moviéndose hacia abajo por inercia y, finalmente, golpean el asiento del martillo para completar el impacto axial. Tras el impacto, el canal de flujo vuelve a su estado normal y el mecanismo se reinicia bajo la acción del peso sobre la broca (WOB), iniciando así el siguiente ciclo.

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