Ejemplo de Cálculos de Torque y Arrastre (Torque & Drag) en Perforación

Este artículo presenta un ejemplo práctico paso a paso para calcular las fuerzas de arrastre (drag) y el torque en una sarta de perforación, utilizando datos de un pozo direccional.

1. Ejemplo de Cálculos de Arrastre (Drag)

Datos del Pozo y la Sarta

• Lodo: Densidad = 12.0 ppg (libras por galón).

• Factor de Flotabilidad (BF): 0.817.

• Coeficiente de Fricción ($\mu$): 0.25 (tanto para el agujero abierto como para el revestido).

• Sarta de Perforación:

  • Tubería de perforación (Drill Pipe): 5” OD, 4.276” ID, peso nominal 19.5 lb/ft, peso ajustado 20.89 lb/ft.

  • Portamechas (Drill Collars): 7” OD, 2.25” ID, peso 117.42 lb/ft, longitud 400 ft.

Objetivos (Con la sarta en el fondo):

1. Calcular la tensión en superficie requerida para mover la sarta hacia arriba (Pick-up).

2. Calcular la fuerza de arrastre total al mover la sarta hacia arriba.

3. Calcular la carga del gancho (Hook Load) cuando la sarta está fuera del fondo y estática (sin movimiento).

Procedimiento de Cálculo

La sarta se divide en elementos (segmentos). Los cálculos se realizan desde el fondo hacia arriba.

Ejemplo para el Elemento #1 (Portamechas - Drill Collars):

• Inclinación: 5°.

• Peso en el aire: $400\text{ ft}\times 117.42\text{ lb/ft}=46,968\text{ lb}$.

• Peso flotado ($W$): $46,968\times 0.817=38,373\text{ lb}$.

• Fuerza Normal ($Fn$): $W\times \sin (\text{Inclinacioˊn})=38,373\times \sin (5^{\circ })=3,344\text{ lb}$.

• Fuerza de Fricción ($Ff$): $Fn\times \mu =3,344\times 0.25=836\text{ lb}$.

• Componente de Peso Axial: $W\times \cos (5^{\circ })=38,373\times 0.9962=38,227\text{ lb}$.

• Tensión al tope del elemento (Pick-up): Componente axial + Fricción = $38,227+836=39,063\text{ lb}$.

(Los cálculos continúan segmento por segmento para la tubería de perforación hasta llegar a la superficie).

Resultados del Arrastre:

• Tensión en superficie (Pick-up): 195,553 lb.

• Carga del gancho estática (Peso boyante total): 146,759 lb.

• Fuerza de arrastre total (Drag): Tensión Pick-up - Carga estática = 48,794 lb.

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2. Ejemplo de Cálculos de Torque

Datos adicionales:

• OD de la unión de la tubería (Tool Joint): 6.625 pulg (0.552 ft).

• Torque en la barrena (Bit Torque): 2,000 ft-lb.

Objetivos:

1. Calcular el torque en superficie requerido para rotar la sarta fuera del fondo (sin perforar).

2. Calcular el torque total durante la perforación (incluyendo el torque de la barrena).

Procedimiento de Cálculo

El torque se calcula sumando la fricción rotacional de cada segmento. La fórmula básica es:

$$Torque=Fn\times R\times \mu$$

Donde $R$ es el radio del componente en pies.

Ejemplo para el Elemento #1 (Portamechas):

• Fuerza Normal ($Fn$): 3,344 lb (calculada previamente).

• Radio ($R$): $3.5\text{ pulg}=0.2917\text{ ft}$.

• Torque del elemento: $3,344\times 0.2917\times 0.25=244\text{ ft-lb}$.

Ejemplo para un segmento de Tubería de Perforación (DP):

• Se utiliza el radio de la unión (Tool Joint) porque es el punto de contacto.

• Radio ($R$): $6.625/2=3.3125\text{ pulg}=0.276\text{ ft}$.

• Se calcula la $Fn$ para ese segmento y se multiplica por el radio y el coeficiente de fricción.

Resultados del Torque:

• Torque de fricción total de la sarta: 6,220 ft-lb.

• Torque rotando fuera del fondo (Off-bottom): 6,220 ft-lb.

• Torque de perforación (On-bottom): Torque de fricción + Torque de la barrena = $6,220+2,000=8,220\text{ ft-lb}$.

  
  
   

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Conclusiones del Artículo

1. Fuerza Normal: Es el factor crítico. En pozos de alta inclinación, la fuerza normal aumenta, lo que incrementa drásticamente tanto el arrastre como el torque.

2. Puntos de Contacto: En la tubería de perforación, se asume que el contacto principal ocurre en las uniones (tool joints), por lo que su diámetro exterior (OD) es fundamental para el cálculo del torque.

3. Importancia: Estos cálculos permiten predecir si el equipo de perforación (malacate y mesa rotaria/Top Drive) tiene la capacidad suficiente para manejar las cargas antes de iniciar la operación.

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MAS INFORMACION

https://www.drillingmanual.com/torque-and-drag-calculations-example/

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