La Relación de Resistencia a la Flexión (Bending Strength Ratio, BSR) es un parámetro fundamental en el diseño de la sarta de perforación, específicamente para los componentes del ensamblaje de fondo (BHA) como los portamechas (drill collars).
En términos generales, el BSR es la relación entre la rigidez relativa de la caja (box) y el pin (macho) para una conexión determinada. Su objetivo principal es equilibrar la resistencia de ambos componentes para maximizar la vida útil de la conexión frente a la fatiga.
1. Importancia del BSR en el Diseño de la Sarta
Al seleccionar conexiones para el BHA, especialmente las de mayor diámetro, el BSR es la consideración predominante. Si se elige una conexión donde el pin o la caja están desbalanceados entre sí, se incrementan los niveles de esfuerzo y se acelera la falla por fatiga en el miembro más débil:
BSR muy alto: Indica que la caja es mucho más fuerte/rígida que el pin. Esto suele derivar en fallas prematuras del pin (roturas o grietas por fatiga).
BSR muy bajo: Indica que el pin es más fuerte que la caja. Esto suele derivar en fallas de la caja (grietas en la base de la rosca o fallas por expansión).
2. Rangos Recomendados de BSR
Tradicionalmente, el valor objetivo de BSR es 2.50:1. Sin embargo, los rangos aceptables varían según el diámetro exterior (OD) de los portamechas y las condiciones de perforación. Los estándares (API RP 7G, DS-1, NS-2) sugieren los siguientes lineamientos generales:
Rangos Sugeridos según el Diámetro del Portamechas (Drill Collar)
Notas sobre los rangos:
Para diámetros grandes (> 8"): La experiencia de campo muestra que estas conexiones sufren predominantemente de fallas en la caja, incluso cerca del BSR "ideal" de 2.5. Por ello, se prefiere un BSR más alto (hasta 3.2) para dar mayor robustez a la caja.
Para diámetros pequeños (< 6"): Se aceptan valores de BSR más bajos (hasta 1.8) debido a que las limitaciones de espacio y pesca a menudo obligan a sacrificar algo de rigidez en la caja.
3. Definición Técnica y Fórmula
Técnicamente, el BSR se define como la relación del módulo de sección () de la caja de la conexión rotatoria con respecto al módulo de sección del pin, calculados en los puntos de mayor esfuerzo (última rosca engranada).
La fórmula simplificada (según API) considera:
Donde:
: Módulo de sección de la caja.
: Módulo de sección del pin.
Estos cálculos dependen directamente del diámetro exterior (OD) de la conexión, el diámetro interior (ID) y el diámetro de la raíz de la rosca.
4. Factores que Afectan el BSR en el Campo
Desgaste del Diámetro Exterior (OD): A medida que la caja se desgasta por la fricción contra la pared del pozo, su módulo de sección disminuye, lo que reduce automáticamente el BSR. Una conexión que inicialmente tenía un BSR balanceado de 2.5 puede bajar a 2.0 o menos con el uso, volviendo a la caja vulnerable a fallas.
Conexiones de Transición: Un punto crítico suele ser la conexión entre el portamechas superior y la tubería de pared pesada (Heavy Weight Drill Pipe - HWDP). Si no se usa un sustituto de transición (crossover) adecuado y hay una gran diferencia de diámetros, el BSR de esa unión puede ser excesivamente alto, provocando fallas por fatiga.
Características de Alivio de Esfuerzos: El uso de ranuras de alivio de esfuerzo (stress relief grooves) en el pin o el rectificado de la caja (boreback box) no cambia el BSR nominal, pero ayuda significativamente a reducir la concentración de esfuerzos y mejorar la resistencia a la fatiga.
5. Limitaciones del BSR
Es vital entender que el BSR es una guía aproximada basada en la experiencia y no un límite operativo estricto como lo es la capacidad de tensión de una tubería.
Mantenerse dentro de los rangos recomendados no garantiza que no habrá fallas por fatiga.
Exceder los rangos no significa necesariamente que la sarta fallará de inmediato, pero sí aumenta el riesgo estadístico de falla.
6. Conclusión para Operaciones
Para maximizar la vida útil del BHA, los ingenieros deben:
Seleccionar conexiones cuyo BSR esté lo más cerca posible de 2.5.
Monitorear el desgaste del OD de los portamechas y recalcular el BSR periódicamente.
En portamechas de gran tamaño, priorizar un BSR ligeramente más alto para proteger la caja, que es el componente más difícil y costoso de reparar en el campo.
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Fuentes
- Bending Stress Ration Ranges
- High & Low Bending Strength Ratio
- Bending Strength Ratio Calculator Spreadsheet
