Cálculos de Torque y Arrastre (Torque and Drag)

 

Este artículo trata sobre las fuerzas de fricción que se oponen al movimiento de la tubería:

• Drag (Arrastre): Es la fuerza necesaria para subir o bajar la sarta. Se calcula comparando el peso estático (en el aire/flotado) con el peso medido en el gancho (hook load).

• Torque (Torsión): Es la resistencia a la rotación. Aumenta con la profundidad, la desviación del pozo y la falta de limpieza del hoyo.

• Importancia del Modelo: El uso de hojas de cálculo (Excel) permite modelar la "tortuosidad" del pozo y los doglegs. Un incremento inesperado en el torque suele indicar problemas de limpieza (acumulación de recortes) o inestabilidad de las paredes del pozo. El artículo enfatiza que un diseño pobre en estas áreas puede llevar a fallas por fatiga o a que la sarta quede atrapada.

Aquí tienes la traducción completa y detallada al español del artículo técnico sobre Cálculos de Torque y Arrastre (Torque and Drag) y su Hoja de Cálculo en Excel.

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Torque y Arrastre en Perforación: Cálculos y Hoja de Excel

El torque y el arrastre son factores críticos en el diseño de pozos, especialmente en pozos direccionales, horizontales y de alcance extendido (ERD). Este artículo detalla las definiciones, factores que los afectan y las ecuaciones fundamentales para su cálculo.

1. Definición de Arrastre (Drag)

El arrastre es la fuerza axial incremental necesaria para mover la sarta de perforación hacia arriba o hacia abajo en el pozo.

• Mecánica: Considere un objeto de peso $W$ sobre un plano horizontal. Para deslizarlo, se debe ejercer una fuerza ($F_t$) que venza la fricción ($F_f$). La magnitud es: $F_f=\mu \times W$, donde $\mu$ es el coeficiente de fricción.

• En el pozo: El arrastre ocurre debido al contacto físico entre la sarta de perforación y las paredes del pozo o el revestimiento (casing).

2. Definición de Torque

El torque es el momento o fuerza rotacional necesaria para hacer girar la sarta de perforación contra la fricción generada por el contacto con el pozo.

• Cálculo: Se define como la fuerza normal ($F_n$) multiplicada por el radio del componente ($r$) y el coeficiente de fricción ($\mu$).

• Fórmula: $Torque=F_n\times r\times \mu$

3. Factores que afectan el Torque y el Arrastre

Varios factores operativos y geológicos influyen en estas fuerzas:

• Punto de Inicio de Desviación (KOP): La profundidad y agresividad del KOP afectan la carga de contacto.

• Tortuosidad del pozo / Severidad de la Pata de Perro (DLS): Los cambios bruscos de dirección aumentan drásticamente la fricción.

• Lubricidad del Lodo: Los lodos base aceite (OBM) tienen coeficientes de fricción menores que los lodos base agua (WBM).

• Limpieza del Hoyo: La acumulación de recortes (cuttings bed) genera un arrastre "extra" no deseado.

• Inestabilidad del Hoyo: El hinchamiento de arcillas o el colapso de las paredes incrementan el contacto mecánico.

• Key Seating (Olleros): El desgaste de la pared del pozo por la rotación de la tubería crea surcos donde la sarta puede atascarse al intentar sacarla.

4. Cálculos de Arrastre (Drag Calculations)

Para calcular el arrastre, se considera el peso flotado (buoyancy) de la tubería ($W$):

1. El peso se divide en dos componentes:

   • Fuerza Normal ($F_n$): Actúa perpendicularmente a la pared del pozo.

   • Fuerza Axial ($F_x$): Actúa paralela al eje del pozo.

2. La fuerza de fricción resultante es el producto de la carga normal por el coeficiente de fricción.

3. Peso en el Gancho (Hook Load):

   • Hacia arriba (Pick-up): Peso de la sarta + Arrastre por fricción.

   • Hacia abajo (Slack-off): Peso de la sarta - Arrastre por fricción.

5. Cálculos de Torque (Torque Calculations)

El torque total en la superficie es la suma del torque requerido para vencer la fricción en cada sección de la sarta más el torque requerido por la barrena para cortar la formación.

• Se divide la sarta en elementos pequeños.

• Para cada elemento, se calcula el incremento de torque ($\Delta M$): $\Delta M=F_n\times R\times \mu$.

• El torque total en superficie es la sumatoria de todos los $\Delta M$ más el torque de la barrena ($BitTorque$).

6. Uso de la Hoja de Cálculo Excel

El artículo enfatiza que realizar estos cálculos manualmente es extremadamente laborioso debido a los cambios constantes de inclinación y dirección. La hoja de cálculo permite:

• Ingresar el perfil del pozo (Surveys).

• Definir la configuración de la sarta (BHA y Drill Pipe).

• Ajustar los coeficientes de fricción según el tipo de fluido.

• Predecir el Pandeo (Buckling): Identifica si la tubería sufrirá pandeo sinusoidal o helicoidal bajo cargas de compresión.

 

Aplicación Práctica: Monitoreo en Tiempo Real

El análisis de torque y arrastre se usa para detectar problemas antes de que ocurran. Si los valores medidos en la plataforma se desvían de los valores calculados por el modelo:

1. Aumento de Arrastre: Puede indicar mala limpieza del hoyo o inicio de una pegadura.

2. Aumento de Torque: Puede indicar inestabilidad de la formación o una barrena desgastada.

 

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