1. TRICONOSLos triconos son las herramientas de corte localizado en el extremo inferior de las barras

de perforación y se utiliza para triturar o cortar las estructuras rocosas y permitir la

extracción del detritus durante el proceso de perforación de los pozos de producción.

A continuación se muestra un esquema de un tricono.

Ilustración 1. Esquema y partes de un tricono.

El tricono se basa en la combinación de dos acciones:

Incrustación: Los dientes o insertos del tricono penetran en la roca debido al

empuje sobre la boca. Este mecanismo equivale a la trituración de la roca.

Corte: Los fragmentos de roca se forman debido al movimiento lateral de desgarre

de los conos al girar sobre el fondo del pozo. La acción de corte sólo se produce

en rocas blandas, en otras formaciones se da una combinación de trituración y

cizalladura debido al movimiento del tricono.

1.2. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Y CRITERIOS DE DISEÑOLos elementos constitutivos de un tricono y, consecuentemente de diseño son:

los conos o estructura de corte.

los rodamientos o cojinetes.

el cuerpo del tricono.

1.2.1. Conos

Son tres conos que poseen los elementos de corte, posicionados de forma especial sobre

los cojinetes, que rotan sobre pernos y constituyen una parte fundamental del cuerpo del

tricono.

Para generar el efecto de corte, estos conos se diseñan en base a unos parámetros

especiales que se nombran a continuación:

Angulo del eje del cono: es el ángulo que forman los ejes de los conos con la

horizontal. Este ángulo determina el diámetro del cono dentado de acuerdo con el

diámetro del barreno. Si aumenta el ángulo el diámetro del cono debe disminuir y

recíprocamente.

El avance del tricono en el fondo del barreno lo regula en gran parte el tamaño y

forma de los conos, es decir el perfil del mismo.

Ilustración 2 . Angulo asociado al eje del cono.

Descentramiento: En el caso de rocas duras, este descentramiento es

prácticamente nulo, con lo que el arranque de la roca se efectúa por trituración al

sufrir los conos un movimiento de rodadura perfecta. En rocas blandas se tiende a

que el descentramiento sea mayor, obteniéndose así la rotura de la roca por

desgarre o ripiado, ya que los conos experimentan un movimiento de

deslizamiento junto con el de rotación. En rocas de tipo medio se combinan por

igual ambos efectos de rotación y deslizamiento, obteniendo el arranque de la roca

por trituración y desgarre.

Ilustración 3. Descentramiento en rocas blandas y duras.

Angulo del cono: El angulo del cono es inversamente proporcional al angulo del

eje del cono, de forma que cuando éste aumenta el angulo del cono debe

disminuir para evitar las interferencias entre los conos.

Ilustración 4. Angulo del cono en rocas blandas y duras.

Longitud de los dientes: En un tricono de dientes la longitud de éstos está

definida por la profundidad de la fresa en el cono. Si el tricono es de insertos, la

longitud vendrá dada por la parte visible de los botones de metal duro.

Espesor del cono: Se debe disponer de un espesor mínimo para asegurar la

resistencia estructural del cono. El espesor está determinado por el tamaño de los

cojinetes, por la profundidad de la fresa en los triconos de dientes y por la

profundidad de encastramiento en los de botones.

2.2.2. Cojinetes

Permite a los conos girar alrededor del cuerpo del tricono, Los tipos de rodamientos

empleados en los triconos son los siguientes:

Bolas y rodillos: la pista se posicionan de tal manera que puedan soportar

grandes cargas radiales, la pista de bolas mantiene el cono en funcionamiento y

soporta el empuje hacia el interior.

Ilustración 5. Cojinete de bolas y rodillo

Rodamientos planos a fricción: es un perno solido unido a la superficie interna

del cono que se convierte en el principal elemento del rodamiento que soporta la

carga radial.

Ilustración 6. Rodamiento de fricción

En los triconos de perforación de barrenos un porcentaje elevado de aire se desvía a

través de los cojinetes con objeto de refrigerar y limpiar los elementos del mismo. La

adición de aceite a la tubería de aire comprimido contribuye a mejorar la vida de los

cojinetes y, por tanto, disminuye el coste de perforación.

2.2.3. Cuerpo del tricono

El cuerpo del tricono se compone de tres partes idénticas denominado cabezal. Cada

cabeza contiene un cojinete integral sobre el que se inserta el cono y las toberas capaces

de dirigir el fluido de barrido hacia donde la limpieza sea más efectiva. Los triconos

actuales son de chorro (jet) que impulsan el aire entre los conos directamente al fondo del

barreno, debiendo suministrar los compresores el suficiente caudal y presión para limpiar

tanto el fondo del barreno como los conos.

Mediante soldadura controlada por ordenador se unen las tres cabezas en una unidad y

después se mecaniza la rosca donde se inserta la tubería. La rosca transmite al tricono

los esfuerzos de torsión y los axiales producidos por la perforadora a través de las

tuberías.

1.3. METALURGIA DE LOS MATERIALES DEL TRICONO

Uno de los éxitos conseguidos en la fabricación de los triconos ha sido el empleo de

aleaciones especiales diferentes para cada uno de los elementos que lo constituyen

(Tabla1).

Tabla 1.

ELEMENTOS DEL TRICONO PROPIEDADES REQUERIDAS TIPO DE ACERO

Cono Resistencia al impacto y a la

abrasión.

Carbono, manganeso, níquel y

molibdeno.

Cabezas Resistencia a la fatiga.

Alta resistencia al impacto.

Carbono, manganeso, cromo y

molibdeno.

Cojinetes de rodillos y bolas Alta resistencia al impacto. Carbono, manganeso, níquel,

cromo y molibdeno

Pasadores y buje guía Resistencia al desgaste Cromo, carbono, níquel,

manganeso y silicio

Botón de empuje Resistencia al desgaste Carbono, wolframio, cromo,

molibdeno y vanadio.

Superficie de cojinetes Resistencia al desgaste Cobalto, cromo, carbono,

wolframio y níquel.

Dientes Resistencia a la abrasión elevada Wolframio, carbono.

Insertos Resistencia a la abrasión elevada

Resistencia al impacto.

Wolframio, carbono y cobalto.

1.4. TIPOS DE TRICONOS

Existen dos tipos de triconos:

Dientes de acero: se fabrica a partir de piezas forjadas de aleación de acero con

níquel, molibdeno y cromo. Los triconos con dientes de acero son los más

económicos; cuando se usan apropiadamente pueden perforar por varias horas y

se diseñan para trabajar en formaciones blandas, medias y duras.

Dientes con insertos de carburo de tungsteno: en estos triconos se introducen

insertos duros de carburo de tungsteno aplicando presión en huecos perforados en

el cono de la broca. Su tiempo de vida útil es mayor ya que esta aleación es más

resistente al desgaste durante la perforación que el acero. Este tipo perfora desde

formaciones blandas, medias, hasta duras.

Triconos muy agresivas: Para rocas suaves con una resistencia a la

compresión de hasta 100MPa.

Triconos agresivas: Para rocas suaves con una resistencia a la compresión

de 75 – 125MPa.

Triconos medias: Para formaciones de roca media con resistencia a la

compresión de 100 – 310 MPa.

Triconos duros: Para roca dura con resistencia a la compresión de 200MPa.

Ilustración 7. Figura de la izquierda tricono con insertos, figura de la derecha tricono con dientes de

acero.

Existen cuatro tipos de triconos, que se diferencian en el diseño y tamaño de los insertos,

en el espaciamiento de los mismos y en la acción de corte.

A. B. C. D.

Ilustración 8. Clases Insertos de tungsteno

A. Inserto de carburo de tungsteno de diente largo.

B. Inserto de carburo de tungsteno en forma de diente.

C. Inserto de carburo de tungsteno de forma cónica.

D. Inserto de carburo de tungsteno de forma oval.

1.5. SELECCION DEL TIPO DE TRICONO

En la selección del tipo de tricono influyen fundamentalmente la resistencia a compresión

de la roca y su dureza. Normalmente, los usuarios envían muestras a las compañías

fabricantes de triconos para que asesoren sobre el tipo de boca a utilizar, velocidades de

penetración probables y duración en metros.

1.6. EFECTOS DE LOS PARAMETROS DE OPERACION SOBRE LOS TRICONOS

Las principales variables de operación en la perforación rotativa son, el empuje o peso

sobre la boca y la velocidad de rotación.

Efecto del peso sobre los cojinetes: La vida de un cojinete es inversamente

proporcional al cubo del peso ejercido sobre el mismo. Pero, como en los triconos

se emplean elementos de fricción que sufren desgastes y fatigas, esta relación no

es válida y se acepta que la duración de un cojinete es inversamente proporcional

al peso elevado a una potencia que varía entre 1,8 Y 2,8.

Efecto del peso sobre los elementos de corte: El peso excesivo produce la

rotura de los insertos y el desgaste de la estructura de corte en rocas duras. En

formaciones blandas y no abrasivas, la estructura de corte raramente limita la vida

del tricono y un empuje alto no dá lugar a daños, siempre que exista sufí- ciente

aire para limpiar el fondo del barreno.

Efecto de la velocidad de rotación sobre la vida de los cojinetes: La vida de

los cojinetes es inversamente proporcional a la velocidad de rotación.

Efecto de la velocidad de rotación sobre los elementos de corte: En

formaciones abrasivas el desgaste de los insertos aumenta con la velocidad de

rotación. En formaciones duras, una alta velocidad de rotación produce roturas de

los insertos por impacto.

1.7. SELECCION DE TOBERAS

Los triconos se diseñan para que una parte del aire, que aproximadamente es un 20%, se

aproveche para la refrigeración y limpieza de los cojinetes: El resto del aire pasa a través

de unas toberas, con el fin de limpiar los conos dentados y producir la turbulencia

necesaria para iniciar la elevación del detritus a través del espacio anular.

Estas toberas disponen de unos diafragmas, los cuales pueden cambiarse de posición

para obtener las condiciones adecuadas y conseguir una limpieza efectiva en el fondo del

barreno. También, pueden utilizarse toberas recambiables para el mismo fin.

1.8. EVALUACION DE LOS TRICONOS GASTADOS

Un trabajo importante en la utilización efectiva de los triconos lo constituye el análisis de

las bocas gastadas, ya que la identificación de las posibles causas ayuda a corregir los

errores de operación y mejorar la selección del tipo de tricono. Los fallos de las bocas se

producen generalmente debido a tres causas:

Fallos de los cojinetes.

Fallos de la estructura de corte

Fallos del faldón.

Tabla 2.

FALLAS EN LOS COJINETES

CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES

Velocidad de rotación excesiva Reducir la velocidad de rotación

Tipo de tricono adecuado Cambiar a otro tipo

Aire insuficiente para refrigerar cojinetes y el

varillaje,

Chequear el compresor

Bloqueo del paso del aire Chequear el conducto de aire

Empuje excesivo sobre el tricono Reducir el empuje

FALLAS DE LA ESTRUCTURA DE CORTE

Aire insuficiente para limpiar el centro del

barreno.

Aumentar el volumen de aire o disminuir avance.

Elección inadecuada del tricono. Cambiar al tipo siguiente.

Excesiva velocidad de rotación. Reducir la rotación.

FALLAS DEL FALDON

Aire insuficiente para la velocidad de

penetración

Aumentar el volumen de aire o disminuir avance.

Formaciones diaclasadas y abrasivas Programa para recrecer faldones.

Pandeo de la barra. Cambio de la barra.

Ilustración 9. Conos trabados, deslizamiento,

desgaste del cojinete.

Ilustración 10. Rotura de insertos.

Ilustración 11. Desgaste de faldón del tricono y desgaste de insertos .

1.9. CODIGO IADC (International Association of Drilling Contractors)

El código IADC es un sistema de

designación de los triconos con el que se

especifica el tipo de boca (de dientes o

insertos), la formación rocosa para la que

está previsto y algunos criterios de diseño

del mismo.

Tabla 3. Clasificaciones de triconos según código IADC.

La tabla permite seleccionar el tricono adecuado dependiendo las condiciones de trabajo, reduciendo de esta manera los desgastes prematuros en las herramientas de perforación.