🛠️ La sarta de perforación es el conjunto de tuberías y herramientas que conecta la superficie con la barrena en operaciones de perforación. Su integridad estructural es crítica para el éxito del pozo. Las fallas en la sarta pueden provocar pérdidas de tiempo, costos elevados, riesgos de seguridad y hasta abandono del pozo.
🔍 Tipos comunes de fallas
- Falla por fatiga: Ocurre cuando el metal se somete a ciclos repetidos de carga y descarga, especialmente en zonas de curvatura como los doglegs. Las grietas por fatiga suelen iniciarse en la superficie y propagarse hacia el interior del tubo.
- Falla por torsión: Se produce cuando el torque excede la resistencia del material, generando fracturas helicoidales. Es común en operaciones de pesca o cuando la sarta se atasca.
- Falla por tracción: Resulta de esfuerzos excesivos de tensión, como al intentar liberar una sarta atrapada. Puede causar elongación plástica o ruptura completa.
- Falla por compresión: Menos común, pero puede ocurrir en zonas de alta presión donde la sarta se comprime axialmente, generando pandeo o colapso.
- Falla por corrosión: La exposición prolongada a fluidos corrosivos (como H₂S o CO₂) puede debilitar el acero, especialmente si no se usan inhibidores adecuados o si hay defectos en el recubrimiento.
- Falla por desgaste: El roce continuo con la pared del pozo, especialmente en secciones desviadas, puede erosionar el cuerpo del tubo, reduciendo su resistencia.
⚠️ Causas principales
- Diseño inadecuado de la sarta: Selección incorrecta de materiales, conexiones o espesores.
- Manejo deficiente: Golpes, caídas o torsiones durante el armado y desarmado.
- Condiciones operativas extremas: Altas presiones, temperaturas, doglegs severos, o pozos horizontales.
- Errores humanos: Falta de monitoreo, sobrecarga mecánica, o decisiones incorrectas en situaciones críticas.
🧪 Métodos de diagnóstico
- Análisis de fallas metalúrgicas: Incluye inspección visual, pruebas de dureza, análisis de grietas y metalografía.
- Registros de torque y peso: Ayudan a identificar sobrecargas o comportamientos anómalos.
- Inspección no destructiva (END): Técnicas como ultrasonido, partículas magnéticas o corrientes de Foucault permiten detectar defectos internos o superficiales.
🛡️ Prevención y mitigación
- Diseño robusto: Usar tubos con mayor resistencia en zonas críticas, conexiones reforzadas y materiales resistentes a la corrosión.
- Monitoreo en tiempo real: Supervisar parámetros como torque, peso sobre la barrena, presión y vibraciones.
- Buenas prácticas operativas: Evitar sobrecargas, mantener la sarta centrada, y aplicar técnicas de perforación adecuadas.
- Mantenimiento e inspección periódica: Revisión de componentes antes y después de cada corrida.
"Drill String Failure Causes & Solutions"
El artículo se centra en la crucial necesidad de determinar la causa de una falla en la sarta de perforación (como una fisura o una rotura por torsión, conocida como twist-off) para poder prevenir futuras incidencias. Se cubren más de una docena de mecanismos de falla, siendo la fatiga del tubo de la tubería de perforación y la fatiga de las conexiones del ensamblaje de fondo de pozo (BHA) las responsables de aproximadamente el 80% de todas las fallas.
1. Fallas por Fatiga
La fatiga es un daño causado por ciclos repetidos de tensión o esfuerzo, incluso a niveles muy inferiores a la resistencia a la tracción del material (a veces tan solo el 20% del límite elástico).
* Causas: Ocurre principalmente cuando la sarta de perforación gira mientras está doblada, pandeada (buckled) o por la vibración constante durante la perforación.
* Naturaleza del Daño: Es un proceso gradual y acumulativo. Comienza con una alteración microscópica y progresa hasta formar una pequeña grieta, que se expande con los ciclos de esfuerzo.
* "Washouts" (Fisuras/Erosiones): Con la excepción de las fugas en las conexiones, las fisuras son el resultado primario de las grietas por fatiga. Cuando una grieta penetra la pared del tubo de la tubería o la caja del collar de perforación, el fluido de perforación se filtra y erosiona el material, formando un agujero conocido como washout.
* Detección y Prevención: El daño por fatiga es difícil de detectar tempranamente, ya que entre el 50% y el 90% de la vida útil de fatiga se consume antes de que aparezca una grieta visible. La prevención requiere una vigilancia constante, centrándose en el control de las condiciones que inducen el esfuerzo cíclico.
2. Fallas por Tensión (Tensile Failures)
Estas fallas ocurren cuando la carga de tracción excede la capacidad del componente más débil de la sarta, que generalmente es una tubería de perforación en la sección superior del pozo.
* Ubicación y Apariencia: Típicamente, ocurren en la tubería de perforación. La superficie de la fractura suele ser dentada ("jagged"), orientada a 45° respecto al eje de la tubería, y la tubería presentará una reducción de diámetro justo al lado de la fractura (fenómeno conocido como "cuello de botella" o necking down).
* Prevención: Es relativamente simple:
* Seleccionar tuberías con capacidad suficiente para las cargas previstas, más un margen de sobre-tiro (overpull) y un factor de diseño.
* Implementar un sistema de marcado (como ranuras o marcas en el pin) para identificar el peso y el grado del acero, previniendo la mezcla de grados.
* Asegurar la correcta calibración del indicador de peso del equipo de perforación para no exceder la carga de tracción permitida.
3. Fallas por Torsión (Torsion Failures)
Los tool joints (uniones de la tubería) estándar API son aproximadamente un 80% tan fuertes en torsión como el tubo al que están unidos. Por ello, las fallas por torsión casi siempre ocurren en los tool joints.
* Apariencia Inicial:
* Un "pin estirado" (stretched pin): Un pin con la rosca alargada.
* Una "caja abocinada" (belled box): Una caja con deformación radial.
* Fallas Extremas: En casos severos, la caja puede abrirse longitudinalmente, o el pin puede romperse en la primera rosca enganchada cerca del hombro.
* Prevención:
* El diseño debe asegurar que el par de apriete (makeup torque) recomendado para la unión exceda el par de torsión máximo anticipado, permitiendo el desgaste de la caja.
* Verificar que las uniones no muestren signos de rendimiento por torsión previa (pins estirados o cajas hinchadas).
* Calibrar correctamente el dispositivo de aplicación de torque.
* Usar compuesto de tool joint API con el factor de fricción adecuado (0.95 a 1.05) y aplicar el par de apriete recomendado, evitando el exceso de par o el apriete adicional en el fondo del pozo (downhole makeup).
4. Fallas por Presión (Burst & Collapse)
El tubo de la tubería de perforación tiene límites de presión interna y externa que no deben excederse.
* Falla por Rotura (Burst): Es más probable que ocurra en la parte alta del pozo si la presión interna es excesiva.
* Falla por Colapso (Collapse): Es más probable que ocurra a gran profundidad, especialmente cuando la tubería ha sido evacuada (vacía) para pruebas de formación (drill stem testing). La capacidad de colapso debe ser reducida cuando hay tensión simultánea.
5. Caja Rajada (Split Box)
Se considera un tipo particular de falla por fatiga.
* Mecanismo: La flexión de la unión (como en un dogleg severo) crea una tensión circunferencial (hoop stress) en la caja, que intenta forzar el pin lateralmente. La rotación de la tubería cicla este esfuerzo, formando una grieta longitudinal por fatiga en la caja.
* Factores Aceleradores: Cualquier condición que aumente la tensión circunferencial acelera esta falla:
* Re-acoplamiento (Refacing): El re-acoplamiento de los hombros (pin o caja) desplaza los hombros de sus posiciones originales, lo que puede crear una tensión circunferencial indeseable en la caja.
* Marcas de Calor (Heat Checking): Fisuras longitudinales que aparecen cuando la caja rota y se presiona fuertemente contra la pared de la formación. Estas marcas son concentradoras de tensión y puntos de partida para las grietas.
* Doglegs Altos: Cualquier cambio de dirección lo suficientemente severo como para causar marcas de calor también es perjudicial para la vida de fatiga del tubo.
* Conexiones sobre-apretadas (Over-torqued): El hinchamiento de la caja (box swell) por un par excesivo significa que la caja ha sido estresada más allá de su límite elástico en la dirección circunferencial.
6. Fallas Relacionadas con la Soldadura
Se recomienda evitar, en lo posible, los componentes soldados en la sarta, a excepción de las uniones soldadas entre los tool joints y el tubo.
* El Problema: La mayoría de los componentes están hechos de aceros de alto carbono tratados térmicamente. La soldadura altera permanentemente estas propiedades a menos que el componente sea re-tratado térmicamente, lo cual es difícil en el campo. Las soldaduras y las zonas afectadas por el calor pueden volverse frágiles si el proceso de soldadura no es riguroso.
* Procedimiento Requerido: Si es esencial usar un componente soldado, se debe: diseñar un procedimiento de soldadura por un especialista; calificar el procedimiento (probando destructivamente la pieza de prueba); y asegurar que la soldadura de producción sea realizada solo por soldadores calificados que sigan el procedimiento exacto.
7. Agrietamiento por Tensión de Sulfuro (Sulfide Stress Cracking - SSC)
Ocurre en presencia de sulfuro de hidrógeno (H2S) y es una preocupación crítica para los materiales de alta resistencia.
* Mecanismo: El H2S reacciona con el hierro para crear hidrógeno atómico. Parte de este hidrógeno atómico difunde en el acero y se acumula en lugares de alta tensión (como inclusiones o límites de grano), causando el agrietamiento. Los equipos especializados, que a menudo usan materiales llevados al límite de resistencia, son particularmente susceptibles.
* Referencia Estándar: La norma NACE MR-01-75 es la referencia obligatoria para materiales resistentes a SSC en equipos de campos petrolíferos.
* Prevención - Dos Iniciativas Clave:
* Suprimir la Reacción entre el Acero y el H2S (Reducir el Hidrógeno Libre):
* Perforar sobre-balance para limitar el influjo de fluidos amargos de la formación.
* Usar secuestrantes de (H2S) en el lodo de perforación.
* Utilizar fluido de perforación a base de aceite (OBM) para recubrir el acero y retardar la reacción de corrosión.
* Mantener un pH elevado (mínimo de 10, según NACE) en el lodo cáustico para que los iones hidroxilo reaccionen con el hidrógeno libre.
* Reducir la Susceptibilidad al SSC (Mejorar la Resistencia del Acero):
* Usar tubería de Grado G o inferior si puede soportar las cargas (el material más simple es menos propenso a fallar).
* Usar material templado y revenido (Quenched and Tempered - Q&T), que es más resistente al SSC que el normalizado y revenido (N&T).
* Verificar los materiales de equipos especializados contra la norma NACE MR-01-75, exigiendo informes detallados al fabricante.
8. Agrietamiento por Corrosión bajo Tensión (Stress Corrosion Cracking - SCC)
Es un mecanismo de falla ambiental que afecta principalmente a los componentes de la sarta de perforación hechos de acero inoxidable (no magnético). Los aceros de bajo carbono (tubería y collares API) no suelen corroerse en la mayoría de los entornos de perforación.
* Mecanismo: Es un proceso complejo que se cree promovido por celdas de corrosión galvánica entre los límites de grano en piezas que experimentan simultáneamente tensión de tracción. Esta combinación de tensión y corrosión forma y extiende rápidamente grietas intergranulares.
* Susceptibilidad: Generalmente, cuanto mayor es la resistencia a la tracción de un acero, más susceptible es al SCC.
* Prevención: Se basa en el uso de aceros inoxidables que no son susceptibles al ataque. Los aceros inoxidables ferríticos, por ejemplo, son típicamente más resistentes a la corrosión que los austeníticos. Recientemente, los fabricantes han adoptado materiales más resistentes, lo que ha disminuido la incidencia de SCC.
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