Qué es un collar de perforación?

Qué es un collar de perforación?

El collar de perforación se ubica en la parte inferior de la sarta de perforación y es el componente principal del conjunto inferior de la broca. Se trata de un tubo de acero sin costura de paredes gruesas, de alta resistencia y peso pesado, ubicado en la parte inferior de la sarta de perforación y por encima de la broca. Sus principales características son un gran espesor de pared (generalmente de 45 a 75 mm, equivalente a 4 a 8 veces el espesor de pared de la tubería de perforación), gran gravedad y rigidez. Para facilitar la perforación, la superficie exterior de la rosca interna del collar de perforación puede procesarse con ranuras colgantes y ranuras de deslizamiento.

Funciones del collar de perforación:

(1) Aplicar presión de perforación a la broca.
Esta es la función más básica. El gran peso del collar de perforación proporciona la presión necesaria para que la broca rompa la roca hacia abajo. Sin el collar de perforación, la sarta de perforación es demasiado ligera y no se puede perforar eficazmente.

(2) Garantizar la resistencia necesaria en condiciones de compresión.

(3) Reduce la vibración, la oscilación y el salto de la broca, reduce los daños por fatiga y facilita su funcionamiento. 

El collar de perforación concentra la compleja tensión de flexión en la parte inferior, protegiendo la tubería de perforación relativamente débil en la parte superior y prolongando la vida útil de toda la sarta de perforación.

(4) Mantiene la trayectoria del pozo y controla su inclinación.
Gracias a su alta rigidez y peso, el collar de perforación puede superar eficazmente la fuerza de deflexión natural de la formación y, como un lastre, ayuda a que la sarta de perforación se mantenga vertical o perfore en el ángulo diseñado, evitando que el pozo se doble excesivamente.

Clasificación de los collares de perforación:

Según su función y estructura, los collares de perforación se dividen generalmente en tres tipos: collar de perforación integrales (collar de perforación lisos), collar de perforación espirales y collar de perforación no magnéticos.

(1) Los collares de perforación integrales son tubos redondos lisos de paredes gruesas con roscas de conexión mecanizadas en ambos extremos. Este es el modelo más básico.

(2) Los collarines de perforación espirales tienen tres ranuras espirales derechas mecanizadas en la superficie cilíndrica exterior del collarín redondo para reducir el área de contacto con la pared del pozo, lo que previene eficazmente el atascamiento por diferencial de presión. El fluido de perforación también facilita el paso, siendo actualmente el tipo más utilizado.

(3) Los collarines de perforación no magnéticos se utilizan principalmente para la monitorización durante la perforación petrolera. Su estructura es la misma que la de los collarines de perforación integrales. Están fabricados con materiales no magnéticos especiales (como aleación de monel y acero inoxidable), forjados tras un riguroso análisis de composición química. El material ha sido sometido a pruebas de propiedades mecánicas para garantizar que su dureza, tenacidad, resistencia al impacto y resistencia a la corrosión cumplan con los estándares. Presenta una baja permeabilidad magnética y buena maquinabilidad.

Materiales del collarín de perforación:

Los collarines de perforación deben soportar altas presiones, torque, esfuerzos de flexión y corrosión de los fluidos del pozo, por lo que los requisitos de los materiales son extremadamente altos. Se dividen principalmente en las siguientes dos categorías:

1. Collar de perforación de acero convencionales

Estándares de materiales:
Normalmente, se utilizan aceros aleados especificados en la norma API SPEC 7-1 del Instituto Americano del Petróleo. Este es el tipo más común y ampliamente utilizado.

Calidades de acero comunes:
Acero 4140: Este es el material más común, un acero de aleación de cromo-molibdeno. Presenta alta resistencia, buena tenacidad y excelente resistencia a la fatiga, además de ser muy rentable.
Acero 4145H: Basado en el 4140, presenta un mayor contenido de carbono y manganeso para una mayor resistencia y se utiliza comúnmente para fabricar collar de perforación de mayor tamaño.

Tratamiento térmico: Estos aceros requieren un tratamiento térmico de revenido (templado seguido de revenido a alta temperatura) para lograr propiedades mecánicas uniformes y la dureza suficiente para resistir el desgaste y la corrosión en el fondo del pozo.

2. Collarines de Perforación No Magnéticos

Se utilizan para alojar instrumentos de medición durante la perforación. Se deben utilizar materiales no magnéticos para evitar interferencias con las lecturas del magnetómetro.

Tipos de Materiales:
Monel: Una aleación de níquel-cobre, el primer material no magnético utilizado, ofrece una excelente resistencia a la corrosión, pero es muy costoso.
Acero Inoxidable: El acero inoxidable austenítico, como el Cr-Ni-Mn-N, es actualmente el material no magnético más popular para collarines de perforación. Ofrece excelentes propiedades no magnéticas, suficiente resistencia y un menor costo que el monel.
Aleaciones Compuestas No Magnéticas: Algunos fabricantes también han desarrollado aleaciones compuestas no magnéticas especializadas con alto contenido de níquel-cromo.

Tamaños Comunes de Collarines de Perforación:

El tamaño del collarín de perforación se determina principalmente por su diámetro exterior e interior (pozo de agua), y su selección debe coincidir con el tamaño del pozo.

1. Rango de Diámetro Exterior

Los diámetros exteriores de los collarines de perforación varían ampliamente para adaptarse a diversas necesidades, desde pozos pequeños hasta grandes. 

Los diámetros exteriores comunes van desde 3-1/8 pulgadas hasta 12-1/4 pulgadas.

Tamaños más utilizados: 6-1/4" (158,8 mm), 6-1/2" (165,1 mm), 7" (177,8 mm), 8" (203,2 mm), 9" (228,6 mm) y 9-1/2" (241,3 mm).

Principio de Selección: El diámetro exterior del collarín de perforación debe ser similar, pero menor, al diámetro interior del entubado anterior y al tamaño de la broca utilizada. Normalmente es de 1/4" a 1/2" menor que el diámetro de la broca para garantizar un desplazamiento suave y proporcionar una vía de retorno adecuada para el fluido de perforación. Haga clic aquí para ver una tabla de tamaños y pesos de collarines de perforación.
 
2. Diámetro Interior
El diámetro interior de un collarín de perforación es mucho menor que su diámetro exterior, lo que contribuye a su elevado peso. Características: El diámetro interior suele ser pequeño y uniforme para garantizar la resistencia estructural.
Propósito: Un diámetro interior menor aumenta el caudal del fluido de perforación dentro del collar de perforación, lo que facilita el transporte de los recortes y también aumenta la presión de bombeo.

3. Longitud
Un collar de perforación suele tener una longitud aproximada de 9,1 metros (30 pies) o 9,5 metros (31 pies). En la práctica, se conectan varios collar de perforación para formar una "sarta de collar de perforación" y así cumplir con el peso y la rigidez totales requeridos.

4. Rosca de conexión

Normalmente de la serie NC o FH.

NC: Rosca numérica, un estándar mundialmente reconocido que ofrece mayor intercambiabilidad. 

FH: Rosca de paso completo, con conector hembra de mayor diámetro interior para facilitar la inserción de la herramienta.

Posiciones y combinaciones de trabajo del collar de perforación:

Los collares de perforación no se utilizan individualmente, sino que se conectan varios collar de perforación para formar una "sarta de collar de perforación". Se ubica en la parte inferior de la sarta de perforación:

Broca → Collar de perforación (varios a docenas) → Herramientas de perforación (como martillos, MWD) → Tubería de perforación

Un juego típico de collar de perforación puede pesar de decenas a cientos de toneladas, lo que proporciona suficiente peso sobre la broca (WOB) para la broca.

Aplicaciones típicas de los collares de perforación:

1. Todas las operaciones de perforación que requieren rotura mecánica de roca. - Proporciona WOB
2. Prevención de deflexión vertical del pozo y control direccional/horizontal del pozo. - Control de la trayectoria del pozo
3. Cualquier sección del pozo con tensiones y flexiones alternas. - Reducción de la fatiga y el daño de la tubería de perforación
4. Pozos que utilizan herramientas de medición durante la perforación (MWD) y registro durante la perforación (LWD). - Garantizar un entorno de trabajo seguro para las herramientas de fondo de pozo (sin interferencias magnéticas)
5. Perforación en formaciones escarpadas, fallas y otras formaciones fácilmente desviadas; perforación en formaciones duras y abrasivas. - Gestión de condiciones de trabajo complejas

Conclusión:

Los collares de perforación son una herramienta indispensable y robusta en las operaciones de perforación. Utilizan su propio peso para impulsar la broca y su rigidez para garantizar la calidad del pozo, lo que los convierte en un equipo fundamental para una perforación eficiente, segura y diseñada. El acero de aleación convencional 4140/4145H ofrece un equilibrio perfecto entre resistencia y rentabilidad, mientras que el acero inoxidable no magnético aborda la crucial cuestión de la medición en el fondo del pozo. La selección del tamaño se ajusta estrictamente al diseño estructural del pozo, lo que garantiza que el collar de perforación cumpla su función principal de proporcionar peso a la broca y estabilizar el pozo dentro del pozo especificado.

Read more: Difference between Drill Pipe and Drill Collar or Drill Pipe Connection Method