El WOB es la fuerza vertical aplicada a la barrena para romper la roca. El artículo profundiza en los límites y optimización:
Eficiencia de Perforación: El ROP (Tasa de Penetración) aumenta proporcionalmente con el WOB hasta un "punto de fundación" (founder point), tras el cual añadir más peso no ayuda y puede dañar la barrena.
Cálculo de Diseño: Para determinar la longitud de portamechas necesaria, se considera el WOB deseado, un factor de seguridad (típicamente 10-15% extra), el ángulo del pozo (seno/coseno del ángulo) y el factor de flotación.
Pandeo Crítico: Se debe calcular la carga de compresión máxima que puede soportar la tubería antes de sufrir pandeo helicoidal o sinusoidal, especialmente en pozos horizontales o de alto ángulo.
Aquí tienes una traducción técnica, detallada y completa del artículo sobre los Cálculos de Peso sobre la Barrena (WOB - Weight On Bit) del portal Drilling Manual.
Cálculos de Peso sobre la Barrena (WOB)
El Peso sobre la Barrena (WOB) es la cantidad de fuerza descendente aplicada por la sarta de perforación sobre la barrena. Es uno de los parámetros de perforación más críticos, junto con la velocidad de rotación (RPM) y la tasa de flujo del lodo, para optimizar la Tasa de Penetración (ROP).
1. La Importancia del WOB
El objetivo principal de aplicar WOB es triturar o cortar la roca de manera eficiente.
WOB Insuficiente: Resulta en una ROP baja y un desgaste innecesario de la barrena por "pulido" (flaking/polishing).
WOB Excesivo: Puede causar la rotura prematura de los dientes de la barrena, daños en los cojinetes, desviación no deseada del pozo y, lo más crítico, el pandeo (buckling) de la tubería de perforación.
2. ¿De dónde proviene el WOB?
Contrario a la creencia común, el peso no proviene de toda la sarta de perforación. El WOB debe ser proporcionado exclusivamente por los componentes de pared gruesa en la parte inferior: los Portamechas (Drill Collars) y la Tubería de Peso Pesado (HWDP). La tubería de perforación estándar (Drill Pipe) debe mantenerse siempre en tensión para evitar que se doble o falle por fatiga.
3. El Concepto del Punto Neutro
El punto neutro es la ubicación en la sarta de perforación donde las fuerzas cambian de compresión (abajo) a tensión (arriba).
Para un diseño seguro, el punto neutro debe ubicarse siempre dentro de los portamechas o el HWDP.
Nunca se debe permitir que el punto neutro suba hasta la tubería de perforación estándar.
4. Fórmulas Matemáticas para el Cálculo de WOB
Para determinar cuántos portamechas se necesitan para un WOB específico, se utiliza la siguiente metodología:
A. Factor de Flotación (BF)
Primero, debemos ajustar el peso del acero por el empuje del lodo:
(Donde MW es el peso del lodo en ppg).
B. Peso de los Portamechas Requerido (en el aire)
Para calcular el peso real que necesitamos en superficie antes de bajar la sarta:
: Peso máximo que se planea aplicar.
: Inclinación del pozo (en pozos verticales ).
: Factor de seguridad (normalmente se usa 0.85 o 0.90 para asegurar que el punto neutro esté un 10-15% por debajo del tope de los portamechas).
C. Longitud de Portamechas Necesaria
(Donde es el peso por pie del portamechas seleccionado).
5. El Fenómeno del "Foundering" (Punto de Inflexión)
El artículo describe un gráfico de ROP vs. WOB. Al aumentar el WOB, la velocidad de perforación sube linealmente hasta alcanzar el "Founder Point". En este punto:
Los dientes de la barrena se entierran completamente en la formación.
El espacio para la limpieza de recortes se satura.
Añadir más peso después de este punto resultará en una disminución de la ROP y posibles daños mecánicos.
6. Consideraciones en Pozos Direccionales
En pozos con alta inclinación, la fuerza de gravedad se divide. Solo una parte del peso del componente actúa hacia abajo (WOB), mientras que la otra presiona contra la pared del pozo (generando torque y arrastre). Por ello, en pozos horizontales se suele utilizar HWDP en lugar de portamechas para proporcionar peso, ya que los portamechas rígidos generarían demasiada fricción.
7. Recomendaciones Prácticas
Perforación de Prueba (Drill-off Test): Es un procedimiento de campo para hallar el WOB óptimo. Se aplica un peso alto, se bloquea el freno y se observa qué tan rápido cae el peso. El rango donde el peso cae más rápido indica el WOB más eficiente para esa formación específica.
Vibraciones: Si se detectan vibraciones severas (rebotar de la barrena), a menudo es necesario ajustar el WOB para cambiar la frecuencia armónica de la sarta.
