Métodos de Cálculo del Peso de los Porta-mechas (Drill Collars)

El cálculo del peso de los porta-mechas no es problemático de ejecutar. Básicamente, existen dos métodos para tales cálculos. En este artículo, discutiremos ambos métodos y sus diferencias.

Método del Factor de Flotabilidad y Método del Área de Presión

1. Método del Factor de Flotabilidad (Buoyancy Factor Method)

Objetivo y Suposiciones: Antes de profundizar en los métodos de cálculo, considere lo siguiente: Este método asegura que el pandeo (buckling) se limite a los porta-mechas y que no ocurra pandeo en la tubería de perforación de alto peso (HWDP) o en la tubería de perforación (DP) por encima de los porta-mechas.

La longitud requerida de los porta-mechas para proporcionar el peso deseado sobre la barrena (WOB) se puede calcular de la siguiente manera:

Fórmula de longitud de porta-mechas:

$$L=\frac{WOB\times SF}{BF\times Wc\times \cos (I)}$$

Donde:

• WOB: Peso deseado sobre la barrena (lb).

• SF: Factor de seguridad (normalmente 1.1 - 1.15).

• BF: Factor de flotabilidad.

• Wc: Peso del porta-mechas en el aire (lb/ft).

• I: Ángulo máximo del pozo en el BHA (grados).

Este método no considera las fuerzas hidráulicas que actúan en el extremo inferior de los porta-mechas ni en las áreas de los hombros (uniones) entre los porta-mechas y la tubería de perforación pesada (HWDP). Debe entender que la longitud calculada por esta ecuación no es suficiente para proporcionar todo el peso deseado sobre la barrena; por lo tanto, el resto del peso será proporcionado por la HWDP o DP que está justo encima.

Pandeo de la Tubería y Punto Neutro

El pandeo de la tubería de perforación es un problema que debe evitarse en todo momento, ya que induce tensiones que causan fatiga prematura y fallas.

Lubinski definió el Punto Neutro de Pandeo como el punto en la sarta por debajo del cual la tubería se pandea (bajo compresión) o tiende a pandearse, y por encima del cual (aunque también bajo compresión) no ocurrirá pandeo. Se calcula con la siguiente ecuación: No ocurrirá pandeo por encima de los porta-mechas siempre que el peso sobre la barrena (WOB) no exceda el peso flotado de los porta-mechas.

Punto Neutro de Tensión Axial

A veces es necesario localizar el punto neutro de tensión axial. Para determinarlo, se deben considerar todas las fuerzas que actúan sobre el BHA, incluidas las fuerzas hidrostáticas. Las fuerzas hidráulicas resultan de la presión del lodo y se calculan multiplicando la presión por el área de la sección respectiva.

Cálculos de Tensión Axial en HWDP: Para determinar las tensiones axiales en la HWDP sobre los porta-mechas, se utiliza un diagrama de cuerpo libre donde:

• F1: Fuerza hidráulica en el área transversal entre el porta-mechas y la HWDP.

• F2: Fuerza hidráulica en el fondo del porta-mechas.

• WOB: Reacción hacia arriba de la formación.

La fuerza de tensión ($FT$) en un punto se determina mediante el equilibrio estático:

$$FT=L_H{W}_H+L_C{W}_C+P_1(A_2-A_1)-P_2{A}_2-WOB$$

(Si el resultado es negativo, la fuerza es de compresión).

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Conclusión del Método del Factor de Flotabilidad

El número de porta-mechas calculado por este método es insuficiente para proporcionar todo el WOB. Parte del peso lo proporciona la HWDP o DP directamente superior. Por esta razón, la tubería superior estará en compresión pero no pandeada. Esto es aceptable siempre que no se exceda el WOB usado en los cálculos. Si se requiere más peso real, se debe aumentar el número de porta-mechas para evitar que la tubería de perforación se pandee.

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2. Método del Área de Presión (Pressure Area Method)

Este método considera todas las fuerzas que actúan sobre el BHA, incluidas las fuerzas hidráulicas detalladas. El cálculo de la longitud requerida de porta-mechas bajo este método suele dar un resultado casi el doble que el método del Factor de Flotabilidad.

Diferencia clave: En el Método del Área de Presión, solo los porta-mechas están en compresión, mientras que la HWDP permanece en tensión. Aunque el punto neutro de pandeo es el mismo en ambos casos, este método requiere mucha más herramienta.

Desventajas del Método del Área de Presión:

1. Costo: Requiere más porta-mechas, lo que aumenta los costos de transporte, inspección y manejo.

2. Sobretensión (Overpull): Al añadir más porta-mechas, se reduce el margen de sobretensión disponible.

3. Fatiga: Aumenta el peso total de la sarta y la tensión axial en toda la tubería, lo que acelera el ataque por fatiga y reduce la vida útil de la tubería de perforación.

Comparación Final

Cualquiera de los dos métodos puede usarse. Sin embargo, el Método del Factor de Flotabilidad es más común porque permite que la HWDP trabaje en compresión (sin pandearse), lo cual es seguro y más eficiente económicamente que añadir el exceso de porta-mechas que exige el Método del Área de Presión.

 

MAS INFORMACION

https://www.drillingmanual.com/the-buoyancy-factor-method/

 

Tabla de Contenidos

• Método del factor de flotabilidad
  • Número Y Longitudes De Los Cálculos Del Cuello Del Ejercicio Objetivo Y Supuestos
  • Pandeo de la tubería de perforación y punto neutro
  • El punto neutro de tensión axial de la cadena de perforación
  • Tensiones Axiales En El Tubo De Perforación De Peso Pesado HWDP Cálculos
  • Método de Área de presión de cálculo de cuello de taladro Conclusión
• Método De Área De Presión Para El Cálculo Del Collar De Perforación
• Cálculos de peso de los collares de perforación | Método del factor de flotabilidad vs Método del área de presión
  • Comparación
  • Sin embargo, el método de área de presión tiene las siguientes desventajas:

 

El cálculo del peso de los Drill Collars (DC) es un paso fundamental en el diseño de la sarta, ya que estos componentes son los encargados de proporcionar la fuerza necesaria hacia abajo (Peso sobre la Barrena o WOB) para triturar la roca, manteniendo al mismo tiempo la tubería de perforación en tensión.

1. El Propósito de los Drill Collars 🏗️🔩

A diferencia de la tubería de perforación (Drill Pipe), que es delgada y flexible, los Drill Collars son tubos de paredes muy gruesas y pesados. Su función principal es:

 * Proporcionar WOB: Sin este peso, la barrena simplemente giraría sobre la roca sin cortarla.

 * Evitar el Pandeo (Buckling): Al ser rígidos, resisten la compresión. El diseño busca que el Punto Neutro (donde la sarta no está ni en tensión ni en compresión) siempre caiga dentro de los Drill Collars o el Heavy Weight, nunca en el Drill Pipe.

2. El Factor de Flotación (Buoyancy Factor) 🌊⚖️

Antes de calcular el peso, debemos entender que la sarta "pesa menos" dentro del pozo debido al principio de Arquímedes. El lodo de perforación ejerce una fuerza hacia arriba que reduce el peso efectivo.

Para calcularlo se usa la fórmula:

BF = 1 - (Densidad Lodo / Densidad Acero)

(Donde la densidad del acero es aproximadamente 65.5 ppg o 7.85 g/cm³).

3. Cálculo de la Longitud Requerida de Drill Collars 📏📐

Para determinar cuántos metros de Drill Collar necesitamos para aplicar un peso X sobre la barrena, se utiliza la siguiente lógica descriptiva:

 * Definir el WOB máximo: Se decide cuánto peso se planea aplicar a la barrena según la dureza de la formación.

 * Factor de Seguridad: Normalmente se añade un 15% a 25% de peso extra. Esto asegura que, incluso con vibraciones o rebotes, el punto neutro permanezca dentro de los componentes pesados.

 * Ajuste por Inclinación: En pozos direccionales, solo una parte del peso actúa verticalmente. Se debe multiplicar por el coseno del ángulo de inclinación (\cos \theta).

La fórmula general sería:

Longitud_{DC} = ({WOB_{max} * {Factor de Seguridad}) ÷ ({Peso_lineal_DC} * BF * {cos @})

4. Consideraciones Técnicas Adicionales 🔍🛡️

 * Diámetro Exterior (OD): Un Drill Collar muy ancho mejora la rigidez pero dificulta la circulación del lodo y aumenta el riesgo de pegue por presión diferencial en zonas permeables.

 * Espiralados vs. Lisos: En muchos diseños se prefieren los Spiral Drill Collars. Estas ranuras en la superficie reducen el área de contacto con la pared del pozo en un 40%, disminuyendo drásticamente la probabilidad de que la tubería se quede pegada al lodo (stuck pipe). 🌀

 * Inspección de Conexiones: Debido a que soportan la mayor parte del esfuerzo de compresión y torque en el fondo, las conexiones de los DC son propensas a fallas por fatiga. El diseño debe contemplar siempre el uso de Ranuras de Alivio de Tensión.

Resumen para el campo: Siempre diseña tu sección de Drill Collars para que el peso disponible (ajustado por flotación e inclinación) sea significativamente mayor al peso que pretendes poner sobre la barrena. ¡La seguridad de tu Drill Pipe depende de ello! 👷‍♂️💎

¿Te gustaría que hagamos un ejercicio práctico con valores numéricos para ver cómo cambia la longitud necesaria según la densidad del lodo?

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