El Punto Neutro en la Sarta de Perforación: Cálculos y Significado

En la industria de la perforación, el Punto Neutro es un concepto crítico para el diseño del Ensamblaje de Fondo (BHA). Se refiere a la zona de la sarta donde el estado de esfuerzo cambia de tensión a compresión.

1. ¿Qué es el Punto Neutro?

Durante la perforación, la parte superior de la sarta siempre está bajo tensión debido a su propio peso suspendido desde el gancho. Sin embargo, para perforar, debemos aplicar peso sobre la barrena (Weight on Bit - WOB). Ese peso "consumido" por la barrena crea una fuerza de compresión en la sección inferior de la sarta.

Por encima del Punto Neutro: La sarta está bajo tensión.
En el Punto Neutro: No hay fuerzas axiales (tensión o compresión neta es cero).
Por debajo del Punto Neutro: La sarta está bajo compresión.

2. ¿Por qué es crítico localizarlo?

La ubicación del Punto Neutro es vital por dos razones principales:

Prevención de Fallas por Fatiga: La tubería de perforación (Drill Pipe) es delgada y no está diseñada para trabajar bajo compresión. Si el punto neutro sube hasta la tubería de perforación, esta se pandeará (buckling), lo que causará una fatiga acelerada y roturas prematuras.
Ubicación de Herramientas: Ciertas herramientas, como los martillos (jars), nunca deben colocarse en el punto neutro, ya que las vibraciones y el cambio constante de esfuerzos pueden causar disparos accidentales o daños mecánicos.

3. Fórmulas de Cálculo

Existen dos tipos de puntos neutros según lo que se esté analizando: el de tensión/compresión axial y el de pandeo (buckling). El más común en el campo es el punto neutro de esfuerzos axiales.

A. Cálculo de la Longitud de Portamechas (Drill Collars) necesarios

Para asegurar que el punto neutro se mantenga dentro de los portamechas (que son rígidos y soportan compresión), usamos la siguiente fórmula:

L_{dc} = \frac{WOB}{W_{dc} \times BF \times f}

Donde:

$L_{dc}$ : Longitud requerida de portamechas (pies o metros).
$WOB$ : Peso sobre la barrena planeado (lb o kg).
$W_{dc}$ : Peso de los portamechas en el aire (lb/ft o kg/m).
$BF$ : Factor de flotación (Buoyancy Factor).
$f$ : Factor de seguridad (usualmente 0.85 a 0.90). Esto asegura que el punto neutro esté un 10% o 15% por debajo de la parte superior de los portamechas.

B. Ubicación Exacta del Punto Neutro ( $NP$ )

Si ya tienes una sarta armada y quieres saber dónde está el punto neutro desde el fondo hacia arriba:

NP = \frac{WOB}{W_{comp} \times BF}

(Donde $W_{comp}$ es el peso por pie del componente que está en esa zona).

4. Factores que Afectan el Punto Neutro

1. Peso sobre la Barrena (WOB)

A medida que el perforador aplica más WOB, el punto neutro sube en la sarta. Si se excede el peso calculado, el punto neutro puede salir de los portamechas y entrar en la tubería de perforación, aumentando el riesgo de falla.

2. Densidad del Lodo (Mud Weight)

Al aumentar la densidad del lodo, el Factor de Flotación ( $BF$ ) disminuye (hay más empuje hacia arriba). Esto hace que el peso efectivo de los portamechas disminuya, provocando que el punto neutro suba.

3. Inclinación del Pozo

En pozos direccionales o horizontales, el cálculo es más complejo porque parte del peso de la sarta se apoya en la pared lateral del pozo. El componente de peso que genera compresión se reduce por el coseno del ángulo de inclinación:

W_{efectivo} = W \times \cos(\theta)

5. El Concepto de Pandeo (Buckling)

Es importante notar que el punto neutro de "pandeo" no siempre coincide con el de tensión axial. En presencia de alta presión interna (presión de bombeo), una tubería puede estar técnicamente en tensión pero aun así sufrir pandeo. Esto se conoce como el Punto Neutro de Woods, el cual considera los efectos de la presión del fluido (Efecto Pistón).

6. Recomendaciones Operativas

Mantener el Punto Neutro en el BHA: Siempre diseñe su sarta para que el punto neutro esté en los portamechas (Drill Collars) o en la tubería de pared pesada (HWDP).
Uso de HWDP: La tubería de pared pesada (Heavy Weight Drill Pipe) se utiliza a menudo como una "zona de transición" para absorber las fluctuaciones del punto neutro y evitar que lleguen a la tubería de perforación convencional.
Factor de Seguridad: Nunca diseñe para un factor de seguridad de 1.0. Las vibraciones del fondo (bit bounce) pueden hacer que el punto neutro oscile violentamente; un factor de 0.85 es el estándar de la industria.

Resumen para el Perforador

Si notas un aumento repentino en las fallas de la tubería de perforación cerca del BHA, es muy probable que tu WOB sea demasiado alto para la configuración actual de portamechas, forzando al punto neutro a subir hacia la tubería delgada.

FUENTES

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