MX2010010140A - Barrena de perforacion de soporte adiamantado lubricado. - Google Patents

Abstract

Un método para lubricar un sistema de soporte adiamantado de una herramienta de fondo de perforación para pozos implica distribuir un lubricante de poliol para la reducción de fricción entre las dos superficies adiamantadas. El lubricante forma una película superficial de fricción reducida sobre el diamante. El lubricante de poliol puede mezclarse con agua. El lubricante de poliol puede contener etilenglicol, glicerol, o una combinación con agua.

Description

BARRENA DE PERFORACION DE SOPORTE ADIAMANTADO LUBRICADO DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención se relaciona en general con un sistema de soporte adiamantado en una barrena cónica para roca con rodillos para perforación de pozos y, de manera más particular, con un lubricante en tal sistema de soporte.

Debido a su agresiva acción cortante y rápidos índices de penetración, se han utilizado ampliamente barrenas cónicas para roca con rodillos para operaciones de perforación de petróleo, gas y geotérmicas. Al perforar pozos de sondeo en formaciones de tierra a través del método giratorio, las barrenas de perforación de tierra emplean ¡por lo general cuando menos una cortadora cónica con rodillos, montada de manera giratoria en las mismas . La barren se asegura al extremo inferior de una sarta de perforación que gira desde la superficie, o la barrena gira por un motor: en el fondo de la perforación. Las cortadoras o conos se montan en el rodillo de la barrena y se deslizan sobre la parte inferior del pozo de sondeo, conforme gira la sarta > de perforación, con lo que se engancha y desintegra el material de la formación de tierra. Las cortadoras con rodillos cuentan con dientes que se impulsan para penetrar y escoplear con gubia la parte inferior del pozo de sondeo según el pfeso desde la sarta de perforación.

Conforme las cortadoras giran y se deslizan ai lo largo de la parte inferior del pozo de sondeo, las cortadoras, y los árboles sobre los que están montadas de manera giratoria, se someten a grandes cargas estáticas provenientes del peso de la sarta de perforación en la barrena, y las cortadoras encuentran a su paso grandes cargas transitorias o de choque conforme giran y se deslizan a lo largo de la superficie accidentada de la parte inferior del pozo de sondeo. Por lo tanto, la mayoría de las veces, las barrenas para roca se proporcionan con chumaceras formadas con precisión y superficies de soporte endurecidas, tal como a través de carburación o recubrimiento, o se proporcionan con incrustaciones metálicas resistentes al desgaste. [ Por lo general, las barrenas para roca se proporcionan con sistemas de lubricación para incrementar; la vida útil de perforación de la barrena. Normalmente, estos sistemas de lubricación se sellan para evitar la pérdida de lubricante y para impedir la contaminación de los soportes a i I causa de materiales extraños, tales como partículas abrasivas que se encuentran en el pozo de sondeo. Un compensador ; de presión dentro del sistema de lubricación minimiza ; el diferencial de presión a través del sello, de modo que la presión del lubricante sea igual a o ligeramente mayor que la presión hidrostática en el espacio anular entre la barren^ y la pared lateral del pozo de sondeo. Como ejemplos de sistemas sellados de lubricante, véanse las Patentes Norteamericanas Nos. 3,397,928; 3,476,195; y 4,061,376.

A pesar de estos avances en la tecnología de soportes y lubricación, aún se buscan mejoras p&ra incrementar el rendimiento de los sistemas de soporte; piara así incrementar la vida útil de la barrena de perforación. Por ejemplo, se ha propuesto el uso de diamante policristalino (PCD) , para incrementar la resistencia al desgaste de superficies de soporte en herramientas del fondo de la perforación. La Patente Norteamericana No. 6,068,,07p y 4,738,322, entre otras, ilustran cómo este tipo de miembro; de I PCD puede utilizarse como una superficie de soporte en una barrena cónica para roca con rodillos.

La deposición química de vapor (CVD) es un método para colocar una capa de diamante en la superficie de soporte de un árbol o la superficie de soporte de una cortadora de una barrena para roca. A diferencia de las superficies de |PCD formadas con altas temperaturas y altas presiones, las películas de diamante de CVD pueden formarse con una variedad de diferentes geometrías y acabados superficiales. ; En lugar de un recubrimiento de diamante puro, puede aplicarse un recubrimiento de carbono similar al diamante (DLC) a la superficie de un miembro de soporte utilizando procesos de deposición física de vapor (PVD) después de que se ha endurecido y atemperado. Una superficie de DLC es un recubrimiento de carbono con una mezcla ¡ de enlaces sp3 y sp2 entre los átomos de carbono y puede estar recubierta con uno o más elementos de aleación tales como silicio, boro, nitruro de boro, y uno o más elementos metálicos refractarios, tales como tantalio, titanio, tungsteno, niobio o zirconio. La denominación sp3 se refiere al enlace de carbono tetraédrico en diamante, mientras que la denominación sp2 es el tipo de enlace en grafito. Como el DLC tiene cierto porcentaje de ambos, su dureza es menor que! la del diamante y entre el diamante y el grafito.

Los lubricantes utilizados en los sistemas ' de soporte adiamantado de tales barrenas para roca són 1 un elemento crucial para la vida útil de la barrena para roca. Por lo tanto, las operaciones de perforación habituales ocurren en un ambiente abrasivo de lodo de perforación y partículas de roca, que se encuentran a miles de metros (pies) del ingeniero o supervisor, quien, por lo general, no tiene el beneficio de manómetros de petróleo o sensores' de temperatura en las superficies de soporte a lubricar;. Por consiguiente, existe una necesidad para desarrollar fluidos funcionales capaces de servir como composiciones lubricantes para sistemas de soporte adiamantados en ambientes ; de temperatura y presión extremas. Tal lubricante no. debe arruinarse en las condiciones encontradas de temperatura y presión, no debe genera presiones internas sustanciales en' la barrena, debe permitir el flujo a través de los pasajes a las superficies a lubricar.

La falla del sistema de lubricación ; resulta rápidamente en la falla de la barrena para roca como un todo . Cuando la barrena para roca se desgasta o falla conforme se perfora el pozo de sondeo, es necesario retirar la sarta de perforación para remplazar la barrena. La cantidad de tiempo requerido para realizar un viaje redondo para remplazar una barrena en esencia se pierde a causa de las operaciones ; de perforación. Este tiempo puede convertirse en una porción significativa del tiempo total para completar un pozo, en particular, conforme las profundidades del pozo de incrementan cada vez más. La vida útil de varias superficies de soporte adiamantadas es una consideración crucial a la luz de la gran inversión de tiempo y dinero para retirad y remplazar toda la sarta de perforación debido a una falla| de soporte. Un lubricante de soporte adiamantado exitoso debe tener una vida útil más prolongada que otros elementos de' la barrena para roca, de modo que las fallas prematuras de los soportes no limiten la perforación de manera innecesaria.

Una variedad de composiciones lubricantes se ¡ ha empleado en barrenas para roca estándar, que no cuentan Con sistemas de soporte adiamantado. Tales composiciones grasosas comprenden típicamente una alta viscosidad, aceite ; de petróleo refinado o aceite mineral que proporciona la lubricación básica de la composición y puede constituir dé ½ a 3/4 de la composición grasosa total. Normalmente, el hidrocarburo refinado o aceite mineral se espesa con un jabón metálico o jabón complejo metálico, normalmente, los métales se seleccionan de aluminio, bario, calcio, litio, sodio o estroncio. Las grasas complejas espesas se conocen bien en la técnica y se mencionan, por ejemplo, en Encyclopedia , of Chemical Technology, Kirk-Othmer, Segunda Edición, A. Standen, Editor, Interscience Publishers, John Wiley ¡and Sons, Inc., Nueva York, N.Y., 1967, páginas 582-587. Véase también Modern Lubricating Greases, de C. J. Boner, Scientific Publications (GB) Limited, Capítulo 4. La Patente Norteamericana No. 3,935,114, otorgada al cesionario de la presente invención, muestra el uso de bisulfuro de molibdeno y trióxido de antimonio en una grasa lubricante para una chumacera utilizada en una barrena de perforación. La Patente Norteamericana No. 5,015,401, emitida el 14 de mayo de 1991, y otorgada al cesionario de la presente invención muestra grasa para un soporte de barrena para roca que incluye ¡una base fluida de petróleo refinado o aceite de hidrocarburos que se espesa con un jabón de metal alcalino o complejo de jabón metálico y que contiene como lubricantes sólidos bisulfuro de molibdeno y fluoruro de calcio en polvos.; De manera similar, la Patente Norteamericana 6,056,072, emitida el 2 de mayo de 2000 y otorgada al cesionario de la presente invención se enfoca en una composición grasosa adecuada para su uso en soportes de barrena para roca que pueden formularse con una base de fluido sintético y puede espesarse con sistemas espesantes específicos para producir una grasa ¡que en particular es efectiva para las configuraciones de soporte de baja velocidad y cargas elevadas de los soportes de barrena para roca tipo gorrón y elementos con rodillos.

A pesar del éxito de estos lubricantes en sistemas de soporte estándar, estos lubricantes no parecen ser suficientemente efectivos cuando se utilizan en combinación con un sistema de soporte que utiliza superficies adiamantadas. Se ha descubierto que cuando dos superficies adiamantadas sin lubricar se pulen y embonan bien entre ¡sí, el coeficiente de fricción es relativamente elevado, en comparación con el coeficiente de fricción en un sistema de soporte lubricado estándar. Sin un lubricante, es probable que ocurra el sobrecalentamiento del soporte y desgaste prematuro, ya que el diamante se convierte de nuevo í en grafito por encima de ciertas temperaturas que se conocen bien en, la técnica. Por lo tanto, existe la necesidad de1 un lubricante de soporte adiamantado que tenga propiedades ] de lubricación superiores y que pueda emplearse para lubricar las superficies de soporte adiamantadas de barrenas utilizadas para perforar atmósferas subterráneas abrasivas. i También existe la necesidad de que tal lubricante de soporte adiamantado muestre características de bajo desgaste que puedan utilizarse en soportes de barrena para roca para proporcionar una vida útil sin desgaste prolongada y mayor capacidad de transporte de carga y que al mismo tiempo proteja las superficies de soporte adiamantadas corltra desgaste o falla prematuros.

Se sabe que los líquidos de poliol tales como el glicerol se utilizan como lubricantes, pero no en sistemas de lubricación de soporte de barrena de perforación. Un liquido de poliol se define como un compuesto orgánico que tiene aomo mínimo dos grupos hidroxilo. Estos líquidos se considerarían lubricantes inferiores en un sistema de soporte convencional de barrena cónica para roca con rodillos, debidos a [las propiedades superiores de los lubricantes anteriores conocidas en la técnica.

El lubricante utilizado en el sistema ¡ de lubricación sellado comprende un poliol o combinación' de polioles tales como etilenglicol (1,2 etandiol) y glicerol (1,2,3 propantriol) . Además, el lubricante utilizado en1 el sistema de lubricación sellado también puede comprender uno o más polioles en combinación con agua. De manera similar,- se pueden utilizar polioles de diferentes pesos moleculares, dependiendo de las propiedades deseadas del lubricante. [ BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en corte de una barrena de perforación que tiene un sistema de lubricante de acuerdo con la invención.

La Figura 2 es una vista en corte ampliada de ;una porción en el sistema de soporte de la Figura 1. ; La Figura 3 es una gráfica de una serie de pruebas que indican la fricción entre superficies adiamantadas de PCD sobre cargas crecientes con diferentes lubricantes y ' en comparación con un soporte estándar no adiamantado. ¡ .

Con referencia a la Figura 1, la barrena cónica para roca con rodillos tiene un cuerpo 11 de barrena con por lo menos uno y normalmente tres pernos 13 de soporte dependientes. Un cono o cortadora 15 se montan de manera giratoria en cada perno 13 de soporte. El cono 15 tiene ¡una I pluralidad de hileras de elementos 17 de corte, que pueden ser compactos de carburo de tungsteno presionados sobre agujeros correspondientes o dientes maquinados de manera integral en el cono 15. El cono 15 tiene una cavidad interna que contiene un soporte 19 cónico que se acopla de man,era deslizante con un soporte 21 de pernos de soporte. El cono 15 se retiene en el perno 13 de soporte mediante una pluralidad de bolas 23 de traba ubicadas en muescas correspondientes; en i el perno 13 de soporte y la cavidad del cono 15.

Los soportes 19, 21 se suministran con un lubricante 25 desde un depósito de lubricante y un compensador 29 de presión. Los pasajes 27 de lubricantes se extienden desde el compensador 29 de presión hasta los soportes 19, 21. Un ensamble 31 de sellado se dispone adyacente a la base del perno 13 de soporte para sellar el lubricante 25 en el interior y los desechos fuera de 'los soportes 19, 21. El ensamble 31 de sellado puede ser de [una variedad de tipos.

Cada uno de los soportes 19, 21 contiene una capa adiamantada. El término "adiamantada" se refiere a capas súper duras de diamante o un material similar al diamante, formado de cualquier manera, que incluye deposición de vapor, tal como mediante CVD (deposición química de vapor) , PVD (deposición física de vapor) o por procesos a alta temperatura y alta presión, que forman PCD (diamante policristalino) . El diamante puede formarse directamente en el perno 13 de soporte y la cavidad del cono 15, o puede formarse en componentes de carburo, que se fijan después en el perno 13 de soporte y el cono 15.

Con referencia a la Figura 2, en una modalidad,: el material adiamantado para el soporte 19 cónico comprende almohadillas 33 separadas montadas en rebajos poco profundos separados circunferencialmente alrededor del diámetro interior de un manguito de metal duro, que a su vez se monta en la cavidad del cono 15 para girar con el cono 15. Cada almohadilla 33 comprende un sustrato de carburo con una capa adiamantada formada sobre el mismo. Las almohadillas < 33 pueden remplazarse con un anillo continuo. El material adiamantado para el soporte 21 de pernos de soporte comprende una pluralidad de almohadillas 35 ubicadas en rebajos poco profundos formados en el lado inferior del perno 13 , de soporte .

Si el material adiamantado es PCD, éste se formaría en condiciones a alta temperatura y alta presión en las cuales el material adiamantado es termodinámicamente estable. Por ejemplo, una capa de PCD adecuada para soportes 19, 21 cónicos y con pernos de soporte puede generarse al formar un contenedor de metal refractario o puede conformarse según la forma deseada y luego llenar el recipiente con polvo 1 de diamante al que se ha añadido una pequeña cantidád de material metálico (por lo general, cobalto, níquel o hierbo). El polvo puede cubrirse con un filo de carburo cementado o sustrato. El contenedor se sella después para prevenir cualquier contaminación. A continuación, el recipiente sellado se rodea con un material transmisor de presión, que por lo general es sal, nitruro de boro, grafito o material similar. Este ensamble se carga después en una celda a alta presión y temperatura. La celda se comprime hasta alcanzar la presión deseada y luego se suministra calor mediante un calentador de resistencia eléctrica con tubos de grafito. ¡ Las temperaturas superiores a 1350°C y ,las presiones superiores a 50 kilobares son comunes. En estas condiciones, el metal añadido se funde y actúa como uná fiase líquida reactiva para mejorar la síntesis del material adiamantado. Después de unos cuantos minutos, las condiciones se reducen a temperatura y presión ambiente. El miembro de PCD se separa después de la celda y puede terminarse con ¡las dimensiones finales a través de triturado o moldeado.

Si el material adiamantado se forma mediante un proceso de CVD, en un método, una capa independiente de película adiamantada se forma mediante CVD, el cual es* un i proceso convencional. Esto puede lograrse al formar una capa de película adiamantada en un sustrato, tal como carburo, de tungsteno, y luego extraer la película adiamantada del sustrato. De manera alternativa, la película adiamantada puede permanecer en el sustrato. La película adiamantada! se monta en el lado inferior del perno 13 de soporte y/o en la cavidad del cono 15 por medio de soldadura o soldadura fuerte. Las películas adiamantadas de CVD pueden formarse con una variedad de diferentes geometrías y acabados superficiales.

En lugar de un recubrimiento de diamante puro, un recubrimiento similar al diamante (DLC) puede aplicarse a la superficie de un miembro de soporte de acero, tal como manguitos para colocar en el perno 13 de soporte o en i la cavidad del cono 15, después de que los manguitos , se endurecen y atemperan. El DLC es un recubrimiento de carbono de PVD con una mezcla de enlaces de sp3 y sp2 entre los átomos de carbono y puede cubrirse con uno o más elementos de aleación, tal como silicio, boro, nitruro de boro, y uno o más elementos metálicos refractarios, tal como tantalio, titanio, tungsteno, niobio, o zirconio. La denominación sp3 se refiere al enlace tetraédrico de carbono en diamante, mientras que la denominación sp2 es el tipo de enlace en grafito. Debido a que el DLC tiene cierto porcentaje de ambos, su dureza es menor que la del diamante y entre el diamante y el grafito. j El lubricante 25 comprende un liquido de poliol o una combinación de líquidos de poliol mezclados con agua o en la ausencia de agua. El poliol consiste en un hidrocarburo, de cadena con grupos hidroxilo unido a los átomos de carbono tales como glicerol o etilenglicol .

Se han realizado pruebas de laboratorio para demostrar que un lubricante de poliol produce una reducción inesperadamente drástica en la fricción cuando se utiliza en combinación con superficies adiamantadas, en particular, superficies de PCD. La Figura 3 es una gráfica de una se|rie de pruebas realizadas para indicar fricción entre dos muestras de prueba de PCD en contacto giratorio deslizante entre sí, con una carga creciente. Un menor consume de energía indica un menor coeficiente de fricción. Los soporjtes de acero estándar, que no tienen materiales adiamantados, muestran el coeficiente de fricción más bajo cuando ; se utilizan con un lubricante convencional sin poliol, como se indica en la curva A. El soporte de acero estándar tenía incrustaciones de Estelita en una superficie de soporté y -un recubrimiento de plata en la otra. Un soporte dé PCD lubricado con una mezcla de 50% de agua y 50% de etilengli,col en volumen (prueba B) o con una mezcla de 50% de glicerol y 50% de agua en volumen (prueba C) da como resultado :una fricción de soporte significativamente menor y, por lo tarjto, menor temperatura del soporte en comparación con lo que: se obtiene utilizando soportes de PCD lubricadas con agua (prueba D) , aceite mineral (prueba E) , 80% de polialquilenglicol con 20% de agua en volumen (prueba F) , o la grasa de soporte estándar (prueba G) . La prueba H ilus!tra una prueba que utiliza 100% de glicerol, y la Prueba I utiliza 100% de etilenglicol . Además, son factibles diferentes mezclas con agua y con combinaciones de poliole$.

En la modalidad preferida, el sistema I de lubricación resulta en un coeficiente de fricción menor que .02 entre las dos superficies adiamantadas dentro del sistema de soporte adiamantado con cargas y velocidades elevadas. Ésta es una mejora notable en los coeficientes de fricción obtenidos cuando se utiliza ya sea agua o aceite domo lubricante entre dos superficies adiamantadas en ambientes, de carga y velocidad elevadas. Se cree que esta reducción drástica en la fricción con la presente invención ocurre debido a la formación de una película superficial mejorada en la superficie adiamantada con estos fluidos de poliol. Aunque la fricción no es tan baja como con un soporte de acero lubricado con grasa, el soporte de PCD ofrece una vida útil del soporte más prolongada debido al menor grado de desgaste.

Aunque la invención se ha descrito en sólo una modalidad, debe ser aparente para aquéllos con experiencia en la técnica que la misma no está limitada, sino qúe 1 es susceptible a varios cambios sin alejarse del alcance de> la invención. i

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un método para lubricar un sistema de soporte adiamantado de una herramienta del fondo de la perforaaión caracterizado porque comprende: distribuir un lubricante de poliol para reducir la fricción entre dos superficies adiamantadas en un sistema de soporte adiamantado sellado de una herramienta para pozos.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la herramienta para pozos comprende una barrena de perforación de tierra.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el lubricante de poliol se mezcla con agua .

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el lubricante de poliol consiste] en esencia de etilenglicol , glicerol, o una combinación de los mismos.

5. Una herramienta de fondo de perforación caracterizada porque comprende: 1 una sección de cabezal; un árbol de soporte que se extiende desde ; la sección de cabezal; j una región externa del árbol de soporte que tiene una superficie de contacto adiamantada; una cortadora montada de manera giratoria en : el árbol de soporte ; una región interna de la cortadora que tiene una superficie de contacto adiamantada, la región interna de la cortadora se encuentra en una relación deslizante con la región externa del árbol de soporte; y un sistema de lubricación sellado para la reducaión de fricción entre la región externa del árbol de soporté y la región interna de la cortadora, el sistema de lubricadión sellado comprende: ; un lubricante que comprende un compuesto orgánico que tiene un mínimo de dos grupos hidroxilo; un ensamble de sellado para retener el lubricante en el sistema de lubricación; y un compensador de presión para reducir la presión diferencial entre el lubricante de poliol y el fluido! de perforación en el exterior de la herramienta de perforación.

6. La herramienta de perforación de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el lubricante' se mezcla con agua.

7. La herramienta de perforación de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el lubricajte consiste en esencia de etilenglicol , glicerol o, juna combinación de los mismos.

8. Una herramienta de fondo de la perforación para pozos caracterizada porque comprende: herramienta de fondo de la perforación para pozos un sistema de soporte sellado; una superficie de soporte giratoria que tiene una superficie de contacto adiamantada; una superficie de soporte fija que tiene superficies de contacto adiamantadas en acoplamiento deslizante con la superficie de soporte giratoria; y un lubricante de poliol para la reducción de fricción, en donde el lubricante de poliol consiste en esencia de etilenglicol , glicerol, o una combinación de los mismos .

9. La herramienta de perforación de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el lubricante de poliol se mezcla con agua.