Sobre el autorSteve Devereux, ingeniero, abogado.

Steve Devereux, C.Eng, FCIArb, es ingeniero de perforación y consultor con más de 40 años de experiencia internacional en operaciones de petróleo y gas. Está especializado en diseño de pozos, optimización del rendimiento de las brocas y eficacia de la perforación. Steve es autor de Manual práctico de planificación y perforación de pozos y Tecnología de perforación en lenguaje no técnicoy sigue compartiendo sus conocimientos con ingenieros y profesionales de todo el mundo a través de la consultoría, la formación y la escritura técnica.

En la ingeniería de perforación moderna, el desarrollo de la tecnología de brocas casi determina el límite superior de toda la eficacia y el coste de la perforación. Entre los muchos tipos de brocas, Broca PDC se ha convertido gradualmente en la elección principal en la perforación de petróleo y gas, la perforación geotérmica y la explotación de recursos no convencionales debido a su alta eficiencia, resistencia al desgaste y estabilidad.

Desde las primeras herramientas experimentales hasta las actuales herramientas de perforación de alto rendimiento ampliamente utilizadas en formaciones complejas, la evolución tecnológica de las brocas de PDC es una fusión de la ciencia de los materiales, el diseño mecánico y la experiencia sobre el terreno. No sólo ha cambiado la forma de romper la roca, sino que también ha reconfigurado el modelo económico de las operaciones de perforación.

Este documento presentará sistemáticamente la composición estructural, método de clasificación, adaptabilidad de la formación, método de optimización de parámetros y sistema de evaluación del rendimiento de la broca PDC, y combinar la práctica de ingeniería, desde la perspectiva de la teoría y la práctica, explicar por qué la broca PDC puede destacar en la ingeniería de perforación moderna y convertirse en el equipo central de la perforación eficiente.

Fundación y estructura de PDC Bit

¿Qué es un bit PDC?

PDC, cuyo nombre completo es diamante policristalino compacto. En términos sencillos, no se trata de una broca tradicional con diente o plaquita de acero, sino que "cizalla" la roca a través de las partículas de diamante de la lámina compuesta de PDC. El compacto de PDC se forma sinterizando una capa de diamante policristalino extremadamente duro sobre un sustrato de carburo de tungsteno. Su dureza sólo es superada por la del diamante natural, pero su tenacidad es mejor que la del diamante natural y su coste es más controlable.

Personalmente creo que la razón por la que la broca PDC puede convertirse en la corriente principal, la mayor ventaja es que tiene una alta eficiencia de corte, velocidad de perforación rápida y larga vida. La principal diferencia entre ella y la broca cónica tradicional radica en el principio de trabajo de "corte" y "trituración". La broca tradicional es más de trituración por impacto, mientras que la PDC es de corte continuo, la eficiencia es naturalmente diferente.

Composición estructural de la broca PDC

Una broca PDC parece bastante complicada, pero sólo tiene unos pocos componentes básicos.

1. Cuerpo de la broca: Es el "esqueleto" de la broca ". Hay dos tipos principales: brocas de acero y brocas de matriz.
   • Taladro de cuerpo de aceroEl cuerpo principal es de acero, y la chapa compuesta de PDC está soldada al cuerpo de acero. Sus ventajas son una gran resistencia y un control relativamente bueno de la precisión de procesamiento, pero su desventaja es que su resistencia al desgaste es relativamente pobre, especialmente en formaciones muy abrasivas. Generalmente lo utilizamos más en formaciones relativamente estables o cuando se requiere una mayor precisión dimensional.
   • Taladro de matriz: Esto es a través del proceso de metalurgia de polvos, el moldeo por sinterización de polvo de carburo de tungsteno. El compacto PDC se incrusta directamente en la matriz. La ventaja de la broca de matriz es una excelente resistencia al desgaste y una fuerte resistencia a la erosión, especialmente adecuada para la perforación en roca dura o formación abrasiva. La desventaja es que el proceso de producción es complicado, el coste es elevado y su reparación es algo más problemática. Cuál elegir depende principalmente de la situación específica de la formación subterránea y de nuestro presupuesto.
2. Diseño de ojo de agua: Sus funciones principales son tres:
   • Refrigeración: El cortador PDC genera mucho calor al cortar roca a alta velocidad, y el fluido de perforación rociado desde el orificio de agua puede enfriar eficazmente la lámina compuesta PDC y evitar que el sobrecalentamiento cause fallas.
   • Retirada de escombrosLos escombros de corte deben retirarse del fondo del pozo a tiempo, de lo contrario se triturarán repetidamente, afectando a la eficacia de la perforación e incluso atascándose. El fluido de perforación inyectado por el pozo de agua puede lavar eficazmente los escombros y sacarlos del pozo.
   • Limpieza del fondo del pozo: Mantenga limpio el fondo del pozo para que el cortador PDC pueda entrar mejor en contacto con la roca y desempeñar una función de corte. El diseño del ojo de agua, incluidos el número, el tamaño y el ángulo de inyección, se calcula con precisión para formar el mejor campo de flujo y mejorar la eficacia de la perforación.
3. Banda de rodadura y cuchilla: Esta parte está en contacto directo con la "cara de trabajo" de la roca.
   • PisaSe refiere a la parte del cuerpo de la broca donde se instala el cortador PDC. Su forma geométrica y la disposición del cortador de PDC afectan directamente a la eficacia de corte y la estabilidad de la broca.
   • Ala de cuchillo: Se trata de una estructura elevada sobre la banda de rodadura, en la que también se incrusta el cortador PDC. El diseño de las cuchillas, incluyendo su número, altura y ángulo de hélice, es fundamental para la dirección de la broca (control de la dirección de la broca en el pozo), la capacidad de resistir el desgaste excéntrico y la trayectoria de eliminación de residuos. Un buen diseño de las palas puede hacer que la broca "camine más firme y recta" en el pozo y, al mismo tiempo, que descargue mejor los recortes hacia arriba.

Clasificación de las brocas PDC

Hay muchos tipos de brocas de PDC, y su clasificación se basa principalmente en varios elementos básicos: material del cuerpo de la broca, tipo y disposición del diente de corte, y número y forma de la cuchilla.

Según la clasificación del material del cuerpo de perforación:

Se trata de una de las clasificaciones más básicas y críticas, que determina directamente la solidez, la resistencia al desgaste y la reparabilidad de la broca.

Brocas PDC con cuerpo de acero:

Este tipo de taladro es lo que más vemos en nuestro trabajo diario. Su cuerpo del taladro está hecho de procesamiento de acero de aleación de alta resistencia, y la estructura es más flexible, el diseño de flujo de ojo de agua puede ser muy libre. Lo que más me gusta es que el taladro de cuerpo de acero es muy reparable. Una vez que está un poco desgastado o dañado, podemos repararlo y reutilizarlo. Esto supone una gran ventaja en el control de costes.

Yo suelo utilizarlas en formaciones de dureza media a media, sobre todo en tramos que requieren frecuentes tropiezos para su reparación. Por supuesto, si la abrasividad de la formación es demasiado alta, o si hay demasiadas grietas, la vida útil de la broca de acero será limitada. En este momento, tengo que considerar otras opciones.

Brocas PDC con cuerpo de matriz:

Su cuerpo de broca está sinterizado por polvo de carburo de tungsteno a alta temperatura. Su dureza y resistencia al desgaste son simplemente incomparables a las de las brocas de acero, y su resistencia a la erosión es particularmente fuerte.

Cuando me encuentro con formaciones especialmente duras y muy abrasivas, o pozos profundos, pozos complejos que requieren un funcionamiento prolongado y elevados requisitos de erosión, lo primero en lo que pienso es en la broca de matriz. Aunque el coste inicial es de hecho mucho más alto que la broca de acero, su larga vida útil a menudo puede traer mayores beneficios integrales.

Clasificados por tipo y disposición del cortador PDC:

El cortador de PDC es el "diente" de la broca de PDC. Su tipo y disposición afectan directamente a la eficacia de rotura de la roca y a la estabilidad de la broca.

Broca cortadora PDC de plano común:

Este es probablemente el más común, PDC Cutter es plana, la ventaja es simple y fiable, la capacidad de romper la roca directamente.

Fresa PDC cóncava/convexa:

Ahora utilizamos cada vez más estos dientes con forma. He observado que el cortador PDC cóncavo puede "agarrar" mejor la roca durante el proceso de perforación, optimizar la distribución de la fuerza de corte y reducir el desgaste del cortador PDC, especialmente en algunas formaciones con fuerte plasticidad. Y los dientes convexos, puede aumentar la agresividad de la broca hasta cierto punto, ayudar a romper más roca dura, sino también mejorar la eficiencia de la eliminación de virutas. Creo que este pequeño ajuste en la geometría a menudo puede traer mejoras inesperadas en el rendimiento.

Taladro asimétrico con fresa PDC:

La broca con esta disposición me da la sensación de "estabilidad". Gracias a la disposición irregular del cortador PDC, puede reducir eficazmente la vibración de la broca en el fondo del pozo y evitar el fallo prematuro de los dientes de corte. En mi opinión, la vibración es uno de los mayores asesinos de la vida útil de la broca, por lo que la disposición asimétrica desempeña un papel insustituible en la mejora de la estabilidad de la broca y la prolongación de su vida útil.

Según el número y la forma de clasificación de las cuchillas:

El número y la forma de la cuchilla influyen en la velocidad de perforación, la capacidad de arranque de virutas y el guiado de la broca.

Brocas PDC multipala:

Más cuchillas significa más cortadores PDC, de modo que en formaciones más blandas, la velocidad de penetración será muy rápida y la broca será más estable. Suelo utilizar brocas de múltiples cuchillas en pozos poco profundos o formaciones blandas con buena homogeneidad, lo que puede mejorar eficazmente la eficiencia de la ingeniería.

Brocas PDC de pocas hojas:

En términos relativos, la broca con menos cuchillas tiene más ventajas en la limpieza de recortes, especialmente en aquellas formaciones viscosas propensas al efecto de bolsa de lodo, o a la necesidad de aplicar más presión de perforación para romper la roca. Puede garantizar la descarga oportuna de los recortes de roca y evitar que la broca "resbale" o "haga bolsa de lodo".

Brocas PDC de cuchilla helicoidal:

El diseño de la hoja en espiral, en mi opinión, una optimización muy inteligente. Puede proporcionar un mejor guiado, de modo que la broca se desplaza más suavemente en el pozo, reduciendo en gran medida las vibraciones. Me gusta especialmente utilizar esta broca al perforar pozos direccionales u horizontales. Puede ayudarme a controlar la trayectoria del pozo con mayor precisión y reducir el riesgo de inestabilidad del pozo.

Aplicación de la broca PDC en la ingeniería de perforación

Adaptabilidad de la formación y selección del tipo de broca PDC

• Formaciones blandas: Para formaciones blandas y plásticas, como la lodolita o la arenisca no consolidada, mi preferencia son las brocas de PDC con cortadores de PDC más grandes y diseños de cuchilla más agresivos. Como se puede imaginar, es como utilizar una pala afilada para excavar tierra blanda, lo que requiere un área de corte mayor y un espacio de evacuación de virutas más eficaz. Estas brocas suelen ser muy intrusivas y tienen una excelente capacidad de eliminación de virutas, lo que puede aumentar significativamente la velocidad de penetración (ROP), que es lo que más valoramos en las formaciones blandas.
• Formación semidura: Cuando se trata de formaciones de dureza media, como esquistos y areniscas compactas, la estrategia de selección será más equilibrada. No podemos perseguir ciegamente una alta velocidad de perforación a expensas de la vida útil de la broca, después de todo, los frecuentes viajes para sustituir la broca son laboriosos y requieren mucho tiempo. Yo preferiría una broca de PDC con un tamaño moderado y un diseño de cuchilla que combine invasividad y estabilidad. Este tipo de broca debe ser capaz de ofrecer suficiente resistencia al desgaste y, al mismo tiempo, garantizar una cierta velocidad de perforación. En pocas palabras, se trata de encontrar el mejor "postre" para que la velocidad de perforación y la vida útil alcancen un nivel satisfactorio.
• Formaciones duras y formaciones abrasivas: Para granito duro, cuarcita e incluso formaciones que contienen un gran número de minerales abrasivos, ésta es la prueba de las brocas de PDC. En este momento, lo que más valoro es la resistencia al desgaste y robustez de la broca. Elegiremos aquellas brocas con cortador PDC de alta resistencia al desgaste, y el diseño del cuerpo de la broca también debe ser extremadamente fuerte para soportar fuertes cargas de impacto y abrasión.

Optimización de los parámetros de trabajo de la broca PDC

Elegir la broca PDC adecuada es sólo la mitad del éxito. Lo que realmente deben tener en cuenta nuestros ingenieros es cómo utilizarla y dejar que despliegue todo su potencial. La presión de la broca, la velocidad, el par y los parámetros hidráulicos, cualquier mal ajuste afectará al efecto final.

• Peso sobre la broca (WOB): Un peso razonable sobre la broca es un requisito previo para el funcionamiento eficaz de las brocas PDC. Si el WOB es demasiado bajo, el cortador PDC no se puede incrustar eficazmente en la formación, lo que resulta en un mayor patinaje y desgaste, y la velocidad de perforación no se puede aumentar de forma natural. Si el peso sobre la broca es demasiado alto, puede provocar la sobrecarga del cortador de PDC e incluso dañar el cuerpo de la broca. También aumenta el riesgo de que la sarta de perforación se doble y se produzcan irregularidades en el agujero. Mi experiencia es encontrar un rango óptimo de WOB basado en la dureza de la formación, el tipo y tamaño de la broca, y la monitorización en tiempo real de la velocidad de perforación, el par y otros datos. En la práctica, aumento gradualmente el peso sobre la broca y observo la curva de elevación de la velocidad de perforación. Cuando la curva tienda a ser plana o empiecen a aparecer vibraciones anormales, sabré que se acerca el límite.
• Velocidad de rotación (RPM): La velocidad de rotación está estrechamente relacionada con la velocidad de perforación, la vibración y el desgaste de la broca PDC. En términos generales, el aumento de la velocidad de rotación puede aumentar la velocidad de perforación, pero una velocidad de rotación demasiado alta hará que la broca vibre violentamente, lo que no sólo afecta a la calidad de la perforación, sino que también acelera el desgaste e incluso el desprendimiento del cortador PDC. En la formación blanda, se puede aumentar adecuadamente la velocidad para aumentar la velocidad de perforación; mientras que en la formación dura, es necesario reducir la velocidad y aumentar el peso sobre la broca para obtener un efecto de corte estable. A menudo utilizo los datos de vibración proporcionados por las herramientas de fondo de pozo para guiar el ajuste de la velocidad, en la medida de lo posible para evitar la resonancia.
• Par de apriete: El par es un indicador importante para juzgar el estado de funcionamiento de la broca. Las fluctuaciones normales del par indican que la broca está cortando con eficacia. Si el par aumenta de repente, puede significar que la broca está bloqueada, que se acumulan recortes en el fondo del pozo o que la formación se endurece de repente; si el par disminuye de repente, puede ser que la broca salte y disminuya la eficacia del corte. Yo suelo fijar un límite superior e inferior de par, y una vez que se sale del rango, ajusto inmediatamente el peso sobre la broca o la velocidad. Es importante evitar que la broca se bloquee, ya que eso puede provocar daños en la sarta de perforación o incluso un accidente en el fondo del pozo.
• Parámetros hidráulicosEl rendimiento del lodo, la capacidad de la bomba y el tamaño del pozo de agua son fundamentales para la eficacia de la refrigeración y la extracción de virutas de las brocas PDC. El lodo debe tener una capacidad de transporte suficiente para extraer a tiempo los recortes del fondo del pozo. La capacidad de la bomba y el tamaño del orificio de agua determinan la potencia hidráulica en el fondo del pozo, lo que afecta directamente al efecto de refrigeración de la broca PDC y a la limpieza del fondo del pozo. Si la refrigeración no es buena, el cortador PDC se sobrecalentará y fallará; si el arranque de viruta no es suave, la viruta se triturará repetidamente en el fondo del pozo, provocando un mayor desgaste de la broca e incluso el "embolsamiento de lodo" de la broca. Suelo elegir la combinación de perforación y la capacidad de bombeo adecuadas según el diseño de la perforación y las condiciones de formación de la broca para garantizar que el fondo del pozo esté siempre limpio y fresco.
• El llamado "Postre de parámetro"es la mejor combinación de parámetros como la presión de la broca, la velocidad, el par y la capacidad de bombeo en condiciones de formación específicas. No es un valor fijo y se ajusta dinámicamente a medida que cambia la formación. Seguiré prestando atención a los parámetros de perforación en tiempo real, combinados con los datos de registro geológico, basándome en la experiencia para juzgar los cambios de la formación, y luego realizar pequeños ajustes graduales de los parámetros. Por ejemplo, si veo que la formación se endurece, aumento el peso de la broca y reduzco la velocidad; si la formación se reblandece, aumento la velocidad y reduzco ligeramente el peso de la broca. Esta capacidad de ajuste dinámico es la clave de una perforación eficaz.

Evaluación del rendimiento y análisis de fallos de la broca PDC

Después de que la broca entre en el pozo, ¿cómo funciona? ¿Cómo juzgar y resolver el problema? Para ello debemos disponer de un sistema de evaluación riguroso y un método de análisis de fallos.

• Indicadores clave de resultados: La velocidad de penetración (ROP) es sin duda el indicador más intuitivo, que está directamente relacionado con el ciclo de perforación y el coste. Sin embargo, además de la ROP, también debemos prestar atención a la vida útil de la broca (metraje total). Al fin y al cabo, la broca es rápida pero su vida útil es corta, y su sustitución frecuente no es rentable. La calidad de la perforación también es un indicador importante, y las perforaciones irregulares pueden causar problemas para la colocación de la tubería de revestimiento. Estos datos son nuestros criterios duros para evaluar el rendimiento de las brocas PDC.
• Modo de desgaste:
  • Abrasión: Este es el desgaste más común, y la superficie de trabajo del cortador PDC se aplana gradualmente. Por lo general, se debe a las altas propiedades abrasivas de la formación, o el desajuste de la presión de la broca y la velocidad de rotación que los dientes de corte muelen repetidamente la formación sin corte efectivo.
  • Crashing: El filo de la fresa PDC está astillado. Esto suele deberse a cargas de impacto excesivas (por ejemplo, rebote de la broca, encuentro con capas intermedias o nódulos duros), o a que el peso sobre la broca es demasiado elevado, lo que supera la resistencia al impacto del cortador de PDC.
  • Caída: Todo el cortador PDC se ha caído del cuerpo de la broca. Esto puede deberse a la débil soldadura de los dientes de corte, o a la deformación del cuerpo de la broca bajo cargas extremas, lo que provoca una concentración de tensiones en la raíz del cortador PDC y su caída.
  • Daño térmico: El rendimiento de la capa de PDC se degrada debido al sobrecalentamiento, que suele manifestarse en que el color de la capa de PDC se oscurece o incluso se agrieta. Esto se debe a una refrigeración insuficiente, una velocidad de perforación excesiva o una presión de perforación excesiva, lo que provoca la generación de calor por fricción, y el calor no puede disiparse a tiempo.
• Solución de problemas: Cuando sale la broca, siempre compruebo cuidadosamente si está desgastada. Si se comprueba que, en general, los dientes de corte están muy desgastados pero no astillados, puede significar que la resistencia al desgaste de la broca que utilizamos es insuficiente, o que es necesario ajustar los parámetros de perforación (especialmente la broca y la velocidad) para mejorar la eficacia del corte. Si hay muchos desplomes, es probable que la carga de impacto sea demasiado grande en la formación dura, o que se produzcan vibraciones graves, y es necesario ajustar los parámetros o sustituir la broca por otra con mayor resistencia al impacto. A través de estas "cicatrices", podemos invertir la situación real en el fondo del pozo, para mejorar la siguiente sección del programa de perforación.

Antes de perforar, compruebo cuidadosamente la integridad de los dientes de corte PDC, la calidad de la soldadura y si hay grietas en el cuerpo de la broca. Durante el proceso de perforación, se controlan continuamente los parámetros en tiempo real y se comparan con los datos históricos. Cuando se detectan tendencias anómalas, se interviene inmediatamente para cortar de raíz los problemas menores. Estas medidas, aparentemente triviales, pueden prolongar la vida útil de la broca y evitar pérdidas innecesarias.

Tanto si se trata de perforación a alta velocidad en formaciones blandas como de operación a largo plazo en rocas duras muy abrasivas, las brocas de PDC muestran una gran adaptabilidad y ventajas económicas. En el futuro, con un mayor desarrollo de la ingeniería de materiales, el análisis de simulación y la tecnología de perforación inteligente, el rendimiento de las brocas PDC seguirá optimizándose, avanzando hacia una mayor eficiencia, una vida útil más larga y una dirección adaptativa más inteligente.

En el sistema de la ingeniería de perforación moderna, la broca PDC no es sólo una herramienta, sino también una tecnología clave para impulsar la eficiencia y la innovación.