Este artículo analiza en profundidad las vibraciones en la sarta de perforación, sus causas, consecuencias y estrategias para mitigarlas, ofreciendo una guía técnica esencial para mejorar el rendimiento en operaciones de perforación.
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🧠 Introducción: ¿Por qué importan las vibraciones en la sarta?
Las vibraciones en la sarta de perforación son un fenómeno común pero potencialmente destructivo en la industria del petróleo y gas. Aunque niveles bajos pueden ser inofensivos, cuando se intensifican pueden provocar desgaste prematuro de los equipos, fallas estructurales en la tubería, pérdida de energía en el barreno y disminución del control direccional. Por ello, reducir estas vibraciones es clave para optimizar el rendimiento y la economía de la perforación.
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⚠️ Consecuencias de las vibraciones severas
- Fatiga cíclica en tuberías, portamechas y ensamblajes de fondo (BHA), que puede derivar en roturas y operaciones de pesca.
- Agrandamiento del pozo y desgaste acelerado de la barrena.
- Fallas en herramientas de medición y dirección como MWD, sistemas rotatorios dirigibles y motores de lodo.
- Reducción del rendimiento de perforación, afectando la tasa de penetración y la eficiencia operativa.
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🔍 Causas fundamentales
Las vibraciones surgen por fuerzas de excitación generadas por múltiples factores: parámetros de perforación, interacción entre litología y barrena, rotación de la sarta, motores de fondo y bombeo de lodo. Cuando la frecuencia natural de la sarta coincide con la frecuencia de excitación, se produce resonancia, intensificando las vibraciones. Existen tres modos principales: axial, torsional y lateral, que pueden estar acoplados entre sí.
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↕️ Vibraciones axiales
Estas ocurren en dirección vertical. Un ejemplo clásico es el patrón de tres lóbulos que se forma al perforar chert con una barrena tricónica, causado por una fuerza ascendente que coincide con la frecuencia resonante axial. Este patrón refuerza la vibración, haciéndola persistente.
Indicadores:
- Movimiento vertical en la tubería.
- Fluctuaciones en peso sobre barrena (WOB), torque y RPM.
Impactos:
- Desgaste acelerado de la barrena.
- Fallas en MWD.
- Reducción de la tasa de penetración.
Soluciones:
- Ajustar la velocidad rotatoria.
- Usar propulsores o alargar el BHA.
- Modificar la tasa de bombeo manteniendo el caudal total.
- Evitar la resonancia mediante software especializado.
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🔁 Vibraciones torsionales y stick-slip
Al iniciar la rotación, la sarta se comporta como un resorte. Si la fricción estática supera el torque aplicado, el BHA permanece inmóvil hasta acumular suficiente energía, lo que genera aceleraciones repentinas y oscilaciones angulares extremas.
Stick-slip es una forma severa de vibración torsional donde la barrena alterna entre detenerse y acelerarse bruscamente.
Consecuencias:
- Daño a cortadores PDC.
- Fallas en sistemas rotatorios y herramientas de fondo.
- Desconexión involuntaria de la sarta.
Mitigación:
- Incrementar RPM gradualmente.
- Reducir WOB si persiste.
- Aumentar caudal de lodo.
- Usar sistemas de torque suave y lubricantes si se emplea lodo base agua.
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↔️ Vibraciones laterales y bit whirl
Son las más energéticas y difíciles de detectar desde superficie. Se producen cuando el BHA rota fuera del centro, generando movimientos como el whirl.
Tipos:
- Backward whirl: el más destructivo, con movimiento contrario a la rotación.
- Chaotic whirl: contacto intermitente con la pared del pozo.
- Forward whirl: movimiento sincronizado pero desequilibrado.
Efectos:
- Calidad deficiente del pozo (ledges, agujeros espiralados).
- Desgaste excéntrico de la barrena.
- Fallas en estabilizadores y herramientas MWD.
Detección:
- Frecuencias superiores a 10 Hz.
- Señales de acelerómetros en herramientas MWD.
- Observación de daños al sacar herramientas del pozo.
Acciones correctivas:
- Detener rotación y reiniciar con menor WOB y RPM.
- Ajustar bombeo de lodo.
- Usar lubricantes y evitar frecuencias resonantes.
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🔗 Acoplamiento de vibraciones
Las vibraciones pueden interactuar entre sí: presión de bombeo, pulsos de MWD o motores de fondo pueden generar combinaciones de vibraciones axiales, torsionales y laterales. En casos complejos, se recomienda considerar el uso de motores de fondo como solución general.
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Para más información consulta el artículo original https://www.drillingmanual.com/drill-string-vibrations/
