Gua para elDiseo de Sartas de Perforacin CONTENIDO 1.Objetivo 2.Introduccin 3.Conceptos generales 4.Metodologa prctica de diseo 4.1. Recopilacin de la informacin 4.2. Seleccin del aparejo de fondo 4.3. Diseo de la tubera de trabajo 4.4. Criterios de estabilizacin de la sarta de perforacin 5.Recomendaciones 6.Referencias 7.Nomenclatura Esteguadediseotienecomoobjetivoproporcionarloscriteriosbsicosparaeldiseode sartasdeperforacin,aplicandounametodologaprcticaquecontemplalosprincipales esfuerzos a los que se somete una sarta durante la perforacin de un pozo.Gua de Diseo 2 Gerencia de Ingeniera 1. OBJETIVO Estetrabajotienecomoobjetivo proporcionarloscriteriosbsicosparael diseodesartasdeperforacin,aplicando una metodologa prctica que contempla los principalesesfuerzosalosquesesomete una sarta durante la perforacin de un pozo. Inicialmente,seresumenlosconceptos bsicosqueeldiseadordebeconsiderar, posteriormentesedescribelametodologa paraseleccionarlosprincipales componentesdelasarta(aparejodefondo ytuberadetrabajo)yfinalmentese describenloscriteriosprcticosparala estabilizacin de sartas. Cabe mencionar que esta gua no pretende queeldiseadorprescindadelusode softwaretcnico,sinoqueloempleecon criterio. 2. INTRODUCCIN En el proceso de perforacin de un pozo, la sartaeselcomponentedelequipode perforacin que ms se somete a esfuerzos (tensin,compresin,presininternay externa,doblez,fatiga,torsin,abrasin, erosinycorrosin).Laaccin independienteocombinadadedichos esfuerzospuedecausarproblemasdurante laperforacin,talescomo: desprendimientos,pegadurasporpresin diferencial,altosarrastresyfugasenlos elementostubulares.Porsupuesto,estos problemassoncausadealtoscostosy prdidasdetiempodeperforacin. Consecuentemente, un adecuado diseo de lasartaesfundamentalparaelxitodela perforacin. Por supuesto, debe tomarse en cuentaqueunsobrediseo,queexija componentesconresistenciasmayores (tuberas con mayor dimetro en el cuerpo y junta),tambinincrementaelcostodela perforacinyponeenriesgolaintegridad de las tuberas de revestimiento. 3. CONCEPTOS GENERALES Elprincipiofundamentalquedebe respetarsealdisearunasartade perforacinesquelosesfuerzosaquese someten sus componentes tubulares deben sersiempreinferioresalasresistenciasde dichoscomponentes(especificadosen tablasporelfabricante),sindeformarse permanentementeoalcanzarsulmite elstico (Figura 1). Cuando el lmite elstico deuncomponentetubularserebasa,ste sufreunadeformacinpermanentey, consecuentemente,unadrsticareduccin ensucapacidadderesistencia. Desafortunadamente,enlamayoradelos casos esta deformacin es difcil de detectar visualmente.Porlotanto,elcontinuar usandoesteelementodeformadoocasiona los problemas comunes de pesca o fugas. Unadecuadodiseodelasartade perforacin permite reducir costos y tiempos de perforacin a travs de: 1.Optimizarelnmerodelastrabarrenas, tubera pesada y tubera de trabajo. 2.Reducirelriesgodedesprendimientoo rupturadeloscomponentesdelasarta de perforacin. 3.Reducirlaposibilidaddepegaduraspor presin diferencial. 4.Mantener un control sobre la verticalidad oinclinacindelpozodesdeeliniciode laperforaciny,porlotanto,reducir arrastres por tortuosidad del agujero. LmiteRuptura EsfuerzoDeformacinelstico LmitePlsticoLmiteRuptura EsfuerzoDeformacinelstico LmitePlsticoFigura 1. Lmite elstico y plstico. Sartas de Perforacin Gerencia de Ingeniera3 4.METODOLOGAPRCTICADE DISEO Lametodologapropuestaenestaguase conformabsicamentedelossiguientes puntos: 4.1.Recopilacin de informacin. 4.2.Seleccin del aparejo de fondo. 4.3.Diseo de la tubera de trabajo. 4.4.Criteriosdeestabilizacindela sarta de perforacin. 4.1. Recopilacin de informacin La informacin necesaria para el proceso de diseoyseleccindelasartasepuede resumir en los siguientes puntos: Profundidad total. Trayectoria y ngulo mximo.Peso sobre barrena requerido. Densidades de lodo.Factores de diseo para el peso sobre barrena. Factor de diseo a la tensin. Mximo margen de jaln Inventario de tubulares y herramientas Tabla de especificaciones de tuberas. Comoseindicamsadelante,algunos clculosdeldiseodesartassebasanen experienciasycondicionesesperadas durantelaperforacin.Porlotanto,es necesarioestudiarlospozosdecorrelacin paradeterminarvariablescomo:posibles arrastres,posiblespegadurasporpresin diferencial e hidrulica. 4.2. Seleccin del aparejo de fondo Eldiseodelasartadeperforacinse realiza de abajo hacia arriba, por lo que una vezquesecuentaconlainformacin,se iniciaelprocesodediseoseleccionando los lastrabarrenas y la tubera pesada.

4.2.1.Definirlaconfiguracindel ensamble de fondo. Existentrestiposdeconfiguracionesde ensamblesdefondo(Figura2),loscuales permitenmantenerelpuntoneutro(punto enlasartadeperforacindondelos esfuerzos de tensin y compresin son igual acero)pordebajodelaseccindela tuberadetrabajo.Laseleccindeltipode configuracinsehaceenfuncindela severidad de las condiciones de operacin a lasqueestarsometidalasartade perforacin,determinadaenpozosde correlacin. Tipo1.Eslaconfiguracinmssimpley est compuesta por lastrabarrenas y tubera detrabajo.Elpesosobrelabarrenase aplicaconloslastrabarrenasyelpunto neutro es localizado en los lastrabarrenas. Tipo2.Estaconfiguracinutilizatubera pesadaporarribadeloslastrabarrenas, comotransicinentrelastrabarrenasy tuberadetrabajo.Enestearreglo,elpeso sobrebarrenatambinseaplicaconlos lastrabarrenasyelpuntoneutroes localizadodentrodelalongituddelos mismos. Tipo3.Estaconfiguracinutiliza lastrabarrenasnicamenteparalograrel controldireccional,mantenerlaverticalidad del pozo o reducir la vibracin de la sarta de perforacin.Elpesosobrelabarrenase aplicaconloslastrabarrenasylatubera pesada,yelpuntoneutroselocalizaenla tuberapesada.Estaconfiguracinpermite manejar el aparejo de fondo en forma rpida y sencilla, reduce la posibilidad de pegadura porpresindiferencialyfallasenlas Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3Punto neutroTuberapesadaTuberade trabajoLastrabarrenasTipo 1 Tipo 2 Tipo 3Punto neutroTuberapesadaTuberade trabajoLastrabarrenasFigura 2. Configuraciones de ensambles de fondo. Gua de Diseo 4Gerencia de Ingeniera conexionesdeloslastrabarrenas.Enla perforacindireccionalmoderna,este arreglo es el ms recomendado1. 4.2.2Determinareldimetrodelos lastrabarrenas. Cuandolasposibilidadesdepegaduraspor presindiferencialseanmnimas,la experienciaestablecequeeldimetrode loslastrabarrenasdebeserelmximo permisible, de acuerdo con la geometra del pozoyeldimetrodelabarrena2.Esto permitirunmejorcontroldireccional, menorlongituddelensambledefondo, menorprobabilidaddepegaduraspor presindiferencialymenormargende movimientolateral(menoresfuerzode pandeoyfatigadelasconexiones).La siguienteecuacinprctica3proporciona unaideadeldimetromnimode lastrabarrena MLBd(pg) requerido. ( ) 1 * 2b eCTR MLBd d d = Donde eCTRd eseldimetroexteriordel copledelaTR(pg)y bd eseldimetrode la barrena en pulgadas. 4.2.3Calcularlalongituddelos lastrabarrenassegnlaconfiguracin definida. Cuandoelpesosobrelabarrenaes proporcionadonicamenteporlos lastrabarrenas(arreglostipo1y2),la longitudmnimadelastrabarrenasse calcula de la siguiente manera: 4.2.3.1.Calcularelfactordeflotacin FF(adimensional), con la siguiente ecuacin: ( ) 2 856 . 71 =lodoFF 4.2.3.2.Calcularlalongitudmnimade lastrabarrenas LBL (m)conlasiguiente ecuacin: ( ) 3 cos * ** * 4 . 671F LBd SBLBF PF PL = Donde lodo esladensidaddellodo (gr/cm3),SBpes el mximo peso requerido por la barrena en toneladas, dFes un factor dediseoparaasegurarqueelpunto neutroseubiquepordebajodelacimade loslastrabarrenas.Estefactordediseo varaentre1.1y1.2,siendo1.15elvalor mscomn4. LBP eselpesodelos lastrabarrenasenelaire(lbs/pie)y esel ngulodelpozoconrespectoalavertical en grados. Cuandoelpesodelabarrenaes proporcionadoporloslastrabarrenasypor la tubera pesada (arreglo tipo 3), el nmero delastrabarrenasdebeserelmnimo necesarioparacontrolarladesviacindel pozo. 4.2.4.Determinarelcambiodedimetro adecuado entre secciones de la sarta. Enlapractica,paraseleccionarlos dimetrosdetuberaspesadaydetrabajo queminimicenlosesfuerzosdetransicin porcambiodedimetro,secalculala relacinderigidez RR (adimensional)entre laseccininferiorysuperior,dadaporla siguiente ecuacin ( ) 4 superior sec4 4inferior sec4 4cinei ecinei eRdd ddd dR = Deacuerdoconlaexperiencia2,para perforacinsomeraoconbajaprobabilidad de falla, RRdebe ser menor de 5.5. Por otro lado,paraperforacinencondicionesms severasoconmayorprobabilidaddefalla RRdebe mantenerse menor de 3.5. Sartas de Perforacin Gerencia de Ingeniera5 4.2.5Calcularlalongituddelatubera pesada segn la configuracin definida. Cuandolatuberapesadaseutiliza nicamenteparareducirlosnivelesde esfuerzoenlazonadetransicinentrelos lastrabarrenasylatuberadetrabajo (arreglo2),elnmerodetramosde tubera pesadaseseleccionadeacuerdoconlas condiciones de trabajo y la experiencia. Una prctica de campo recomendada por la API4 esusardenueveadieztramosdetubera pesada. Porotrolado,cuandolatuberapesadase utilizaparareducirlosnivelesdeesfuerzo enlazonadetransicin,entrelos lastrabarrenasylatuberadetrabajo,y adicionalmenteparaproporcionarpesoala barrena(arreglo3),lamnimalongitudde tuberapesada TPL (m)secalculaconla siguiente ecuacin: ( ) 5 *-cos * ** * 4 . 671TPLB LBF TPd SBTPPL PF PF PL=Donde TPPes el peso de la tubera pesada en el aire (lbs/pie). 4.3. Diseo de la Tubera de Trabajo Despusdecalculareldimetroynmero detramosdelastrabarrenasydetubera pesada,seprocedeadisearlatuberade perforacin,procesoenelcualserevisan lascondicionesmscrticasalasqueser sometidalatuberaysecomparanconsu resistencia especificada en tablas. 4.3.1.Calcularlamximatensin permisibleylatensindetrabajopara cada seccin de tubera. Paradisearlatuberadetrabajobajoel criteriodelatensin,esnecesario considerar los siguientes factores (Figura 3): a)resistenciaalatensindelatubera TRproporcionada en tablas por el fabricante; b) factor de diseo a la tensin dTF , el cual se establecedeacuerdoconlamxima tensinpermisible TPM alaqueestar expuestalatubera;c)tensindetrabajo TT ,alaqueestarexpuestalatubera durante operaciones normales, y d) margen dejaln JM otensinmximaalaque podrsometerselatubera,sinrebasarla mximatensinpermisibleestablecidapor laresistenciaalatensindelatuberayel factor de diseo. 4.3.1.1Lamximatensinpermisible TPM(toneladas)secalculaconlasiguiente ecuacin: ( ) 6 10 54 . 44dTTTPFRM= Donde TR estenlibras,como normalmente se reporta en tablas, y dTFes adimensional.Losvalorestpicosdelfactor dediseoalatensin dTF varanenel rango de 1.0 a 1.152. El valor de este factor sedefineconsiderandolaseveridaddelas condicionesdeperforacindepozosde correlacinylascondicionesoclasificacin de la tubera en funcin de su desgaste. 4.3.1.2Establecerelmargendejaln JM (toneladas).Lasprcticasoperativas establecenqueparaseleccionarelmargen dejalnesnecesarioconsiderar principalmentelassiguientesvariables:1) posibilidadesdeatrapamiento,2)posibles arrastresdurantelaperforacin,y3)efecto decuas.Laprimeravariableseestablece deacuerdoconlaexperienciaylas condicionesdeperforacinesperadas.El arrastresepuedeobtenerdepozosde correlacinoestimarconlasiguiente ecuacin emprica.5

( ) 7seno 10 17 . 44Seccin Seccin F SeccinL P F A = Donde SeccinA(toneladas) es el arrastre por seccin, SeccinP (lbs/pie)eselpesoenel airedeltubulardelasecciny SeccinL (m) es la longitud del tubular de la seccin. Paraestimarelarrastre totaldelasartade perforacin, se calculan los arrastres de las seccionescomprendidasentrelabarrenay Gua de Diseo 6Gerencia de Ingeniera elpuntodedesviacin(KOP),usandola ecuacin (7), y se suman los mismos. Adicionalmente,elefectodecuasresulta sertambinunbuenindicadorpara establecer el margen de jaln. Elesfuerzodetensin TE quese causaal aplicarlascuas,resultaenunesfuerzo compresivo CE alrededordelreadeltubo dondetrabajanlascuas.Esteesfuerzo compresivoreducelaresistenciaala tensin de la tubera. La relacin del esfuerzo de tensin sobre el esfuerzocompresivo( )C TE E ,conocida como constante de efecto de cuas, permite determinarlareduccinenresistenciaala tensindelatuberaporefectodecuas. LaTabla1muestralosvaloresdeesta constanteparalastuberasmsusadasen perforacin2,considerandolongitudesde cuas de 12 y 16 pulgadas. Porlotanto,elmargendejalnmnimo debesermayoralarrastrecalculadoy satisfacer la siguiente ecuacin: ( ) [ ] ( ) 8 1 >C T TP jE E M M Satisfaciendolaecuacin8,segarantiza quelatensindetrabajoafectadaporlas cuassiempreseamenoralamxima tensin permisible, es decir: ( ) ( ) 9TP C T TM E E T < Enlaprctica,losvalorestpicosdel margendejalnvarande25a70 toneladas4. 4.3.1.3Determinarlatensindetrabajo TT(toneladas)decadaunadelassecciones de tubera de trabajo. La tensin de trabajo alacualestarexpuestalatuberaen condicionesnormalesesigualalamxima tensinpermisiblemenoselmargende jaln, y se calcula de la siguiente manera:

( ) 10 J TP TM M T = 4.3.2Calcularlamximalongituddelas seccionesdetuberadetrabajo (gradoy peso).Elprincipioparacalcularlaslongitudes, grados y pesos de las secciones de tubera detrabajoesmantenerdurantetodoel proceso de perforacin, y a lo largo de toda lasartadetrabajo,latensindelamisma menoroigualalamximatensin permisible (Figura 3). Bajoesteprincipio,ydeacuerdoconel arreglo de lasarta de trabajo seleccionado, latuberademenorresistenciasecoloca inmediatamente arriba de los lastrabarrenas otuberapesada.Lamximalongitudde Se considera una tuber a de3-1/2 gr ado de15.5lbm/pieclase 1(nueva),unfactordediseoala tensinde1.05 ydeacuerdo conelefectodecuas,elmargendejalnmnimoesde54 toneladas, considerando una longitud de cuas de 12 pulgadas. Resist encia ala tensin de l a tuber a = 146. 54 ton146.5 139.6 85.6Tensin (Tonel adas)Factor de diseoa la tensindTFMxima tensin permisibleMargende jalonjMTensin de trabaj oSe considera una tuber a de3-1/2 gr ado de15.5lbm/pieclase 1(nueva),unfactordediseoala tensinde1.05 ydeacuerdo conelefectodecuas,elmargendejalnmnimoesde54 toneladas, considerando una longitud de cuas de 12 pulgadas. Resist encia ala tensin de l a tuber a = 146. 54 ton146.5 139.6 85.6Tensin (Tonel adas)Factor de diseoa la tensindTFFactor de diseoa la tensindTFMxima tensin permisibleMargende jalonjMTensin de trabaj oFigura 3. Cargas de tensin en la tubera de trabajo. Tabla 1. Constante de efecto de cuasSartas de Perforacin Gerencia de Ingeniera7 estaprimeraseccindetuberadetrabajo estlimitadaporlatensindetrabajo ( ) 1 SEC TT determinadapreviamente,yse calcula con la siguiente ecuacin: ( )( )( )( )( ) 11 10 49 . 110 49 . 1133 11SEC TTTP TP LB LBFSEC TSEC TTPL P L PFTL+ = Silalongituddelaprimeraseccinnoes suficienteparalaprofundidadtotaldel pozo,lalongitudmximadelasegunda seccinsecalculaconlasiguiente ecuacin:

( )( ) ( )( )( )( ) 1210 49 . 1231 22F SEC TTSEC T SEC TSEC TTF PT TL= Si, adicionalmente, es necesaria una tercera seccin de tubera de trabajo, la longitud de sta se calcula con la siguiente ecuacin: ( )( ) ( )( )( )( ) 13 10 49 . 1332 33F SEC TTSEC T SEC TSEC TTF PT TL= Donde ( ) 1 SEC TTP , ( ) 2 SEC TTP y ( ) 3 SEC TTP esel pesodelatuberadetrabajoenlbs/piede lasseccionesuno,dosytres, respectivamente. 4.3.3Determinarlacapacidadde presin interna y colapso de la tubera de trabajo.Lapremisaenestepuntoescompararlas condicionesmscrticasalasquese someterlatubera(adicionandounfactor de seguridad) contra su resistencia. Cabe mencionar que la falla de la tubera de perforacin, ya sea por presin interna o de colapso,esunasituacinquedifcilmente seda.Sinembargo,esnecesario considerarlaeneldiseodelasarta,por situacionescrticasquepudieran presentarse. 4.3.3.1 Presininterna.Lasartade perforacinestsujetaaunapresin internadecedenciacuandolapresin internaejercidaesmayorquelapresin externa.Estadiferencialdepresinse puedepresentar,porejemplo,cuandose inducenpresionesenlasuperficiepara algncontroldebroteenelpozooalguna operacin de cementacin forzada. Lacondicinquedebecumplirseparael diseo es: ( ) 14dpI I pIF p R > Donde pIR eslaresistenciaalapresin interna de la tubera que se va a utilizar, Ipeslamximapresininternadetrabajo esperada, y dpIFes el factor de diseo a la presin interna (adimensional). 4.3.3.2Presindecolapso.Fallaspor presindecolapsopuedenpresentarse cuandoserealizanpruebasdeformacin durantelaperforacinusandolasartade perforacin(pruebaDST,drillstemtest),o cuandosegenerapocapresinporel interiordelatubera,comoenelcasode operacionesdeperforacinconaire, espuma o niebla. Enestecaso,lacondicinquedebe cumplirseparaeldiseoporpresinde colapso es: ( ) 15 dpC C pCF p R > Donde pCRes la resistencia a la presin de colapsodelatuberaquesevaautilizar, Cp eslamximapresindecolapsode trabajoesperada,y dpCF eselfactorde diseoalapresindecolapso (adimensional). Losvaloresderesistenciaalcolapsoyala presininternadelastuberasde perforacinseencuentranenTablasdelAPI 4, as como en catlogos de fabricantes.Losfactoresdediseoalapresininterna dpIFy colapso dpCFoscilan entre 1.1 y 1.5. Gua de Diseo 8Gerencia de Ingeniera Sinembargo,1.3eselvalormsutilizado para ambos. 4.4. Criterios de estabilizacin de la sarta de perforacin. ComoseilustraenlaFigura4,los ensamblesdefondodelassartasde perforacinoriginanfuerzasenlabarrena quevarandeacuerdoconlascondiciones deoperacin(pesosobrebarrena)yalas caractersticasdelaformacin.Durantela perforacinestasfuerzasgobiernanel ngulodeinclinacindelpozo.Para mantenerbajocontrolestasfuerzas generadasenlabarrena,y consecuentementelainclinacindelpozo, se utilizan las fuerzas laterales ejercidas por los estabilizadores al hacer contacto con las paredes del agujero o TR.Porlotanto,lamanipulacindelaposicin yelnmerodeestabilizadores(puntosde tangenciaocontacto)esfundamentalpara un buen control del ngulo del pozo. Losalgoritmosquepermitencalcularlas longitudesdelabarrenaalpuntode tangencia(Figura4)ylasfuerzaslaterales questosoriginanenlabarrena,son complejos.Sinembargo,losprincipiosque gobiernanelcomportamientodeun ensamble de fondo liso (sin estabilizadores) proporcionanlasbasesparadeterminarla posicin y nmero de estabilizadores. Enestaguaprcticadediseose presentanestosprincipiosbsicosyse resumenlosresultadosdealgoritmosms complejos que toman en cuenta fenmenos dinmicos. Cabe decir que estos algoritmos, complementadosconlaexperiencia,han generado reglas prcticas para estabilizar la sartadeperforacin,deacuerdoconel ngulo de inclinacin requerido. 4.4.1Principiosdeestabilizacinde aparejos de fondo. ComoseilustraenlasFiguras4(b)y5, cuando se aplica peso sobre la barrena SBP , seoriginandosfuerzasenlamisma barrena:unafuerzanegativaodepndulo, causadaporlagravedad,yunafuerza positivaodepandeo,causadaporelpeso sobre la barrena, y la consecuente deflexin de los lastrabarrenas. La resultante de estas fuerzas laterales depende de la longitud del puntodetangencia TL (distanciadela barrenaalprimerpuntodondeelensamble defondo,porflambeo,hacecontactocon las paredes del agujero o TR). La tendencia de la barrena a incrementar el ngulodelpozodependedelafuerzade pandeo, mientras que la tendencia a reducir el ngulo depende de la fuerza de pndulo. Porotrolado,latendenciaamantenerel nguloocurrecuandoambasfuerzasse neutralizan. Finalmente, si se tiene un buen control de la longitud del punto de tangencia conlaposicinadecuadadelos estabilizadores en el ensamble de fondo, se tendrtambinunbuencontroldelngulo del pozo. Lafuerzaresultanteenlabarrena BF(toneladas),causadaporlasfuerzasde pandeoypndulo,cuandoseaplicapeso sobrebarrena,sepuededeterminarconla siguiente ecuacin6: ( )( ) 1610 45 . 7 0254 . 0 sin 10 45 . 744TT F LB SBT F LB BLcon L F P PL F P F + = Punto de tangenciaSin peso sobre barrenaMenor fuerzade pnduloNueva direccin de la barrenaFuerza depandeo > 0Punto de tangenciaDireccin de la Bna.Mxima fuerza de pnduloCon peso sobre barrenaLTLTLT =(a)(b)Punto de tangenciaSin peso sobre barrenaMenor fuerzade pnduloNueva direccin de la barrenaFuerza depandeo > 0Punto de tangenciaDireccin de la Bna.Mxima fuerza de pnduloCon peso sobre barrenaLTLTLT =(a)(b)Longitud de la barrena al primer punto de tangenciaFigura 4. Fuerzas laterales en la barrena y componentes del ensamble de fondo. Sartas de Perforacin Gerencia de Ingeniera9 Donde TL (m)eslalongituddelabarrena al primer punto de tangencia (Figura 4) y(pulgadas)eselclaroentreelagujeroyel dimetroexteriordellastrabarrena, calculado como sigue: ( ) ( ) 170.5 d deLB b = Comopuedeobservarse,laecuacin16 tiene dos incgnitas: la fuerza resultante en la barrena BFy la longitud de la barrena al primer punto de tangencia TL . Para calcular estasdosvariables,serecomiendael siguiente procedimiento, el cual se ilustra en la Figura 6. 1.Suponerlalongituddelabarrenaal primerpuntodetangencia TL (m),parael pesosobrebarrena SBP (toneladas) requerido.Deacuerdoconlaexperiencia, se sugiere un valor inicial de 10 m. 2.Determinar,entablas,elpesoenelaire de los lastrabarrenas LBP(lbs/pie). 3. Calcular el factor de flotacin FF , usando la ecuacin 2. 4. Calcular la carga compresiva de los lastra barrenas CLBC (toneladas)conlasiguiente ecuacin: Figura 6 Diagrama para determinar el Punto de Tangencia. ( ) 18sin 10 45 . 74T F LB SB CLBL F P P C = 5.Determinarlarigidezdelos lastrabarrenas LBR (lbs-pg2)conla siguiente ecuacin: ( ) ( ) 19 10 424 . 14 4 6iLB eLB LBd d R = 6.Calcularlavariableu(adimensional)con la siguiente ecuacin: ( ) 20 9245 . 0=LBCLBTRCL u 7.CalcularlafuncintrascendentalX (adimensional) con la siguiente expresin: ( )( ) 21tan 33uu uX=Fuerza de pnduloFuerza de pandeoLTF(+)F(-)SBP( )TT F LB SBPandeoLL F P PF cos 10 45 . 7 0254 . 04 = sen L F P FT F LB Pndulo410 45 . 7 =Direccin de la Bna.Fuerza de pnduloFuerza de pandeoLTF(+)F(-)SBP( )TT F LB SBPandeoLL F P PF cos 10 45 . 7 0254 . 04 = sen L F P FT F LB Pndulo410 45 . 7 =Direccin de la Bna.Punto detangencia Figura 5. Fuerzas de pandeo y pndulo. PLB (tablas),Factor Flotacin (FF),Carga Compresiva (CCLB),Rigidez RLB5 . 0924=LBCLBTRCL u3) (tan 3uu uX=SuponerLongitud PT (LT1)INICIOLT1 =LT2SIFINLongitud PT (LT2),25 . 04210 2 . 1 =X sen F Pl RLF LBLBT Fuerza ResultanteFFBBLTi-1=(LT1 +LT2)/2NOFFBB,,LLTTPLB (tablas),Factor Flotacin (FF),Carga Compresiva (CCLB),Rigidez RLB5 . 0924=LBCLBTRCL u3) (tan 3uu uX=SuponerLongitud PT (LT1)INICIOLT1 =LT2SIFINLongitud PT (LT2),25 . 04210 2 . 1 =X sen F Pl RLF LBLBT Fuerza ResultanteFFBBLTi-1=(LT1 +LT2)/2 LTi-1=(LT1 +LT2)/2NOFFBB,,LLTTGua de Diseo 10Gerencia de Ingeniera 8.Calcularelclaroentreelagujeroyel dimetroexteriordeloslastrabarrenas(pulgadas) con la ecuacin 17. 9.Calcularlalongituddelabarrenaal primerpuntodetangencia TL (m)conla siguiente ecuacin: ( )( ) 22 sin10 2 . 10.254=X F PRLF LBLBT

10.Sielvalorde TL ,calculadoenelpaso 9,esdiferentedelsupuestoenelpaso1, calcular un promedio de ambos valores con la siguiente ecuacin: ( ) ( )( ) 2322 1 PASO T PASO TTL LL+= 11.Tomarelvalorde TL ,calculadoenel paso10,comoelnuevovalorde TLsupuesto, y repetir los clculos hasta que el valorde TL calculadoenelpaso9sea aproximadamente igual al supuesto. 12.Calcularlafuerzaresultanteenla barrena BF entoneladasconlaecuacin 16. Esteprocesodeclculonospermite determinarlalongituddelabarrenaal primerpuntodetangenciaylafuerza resultanteenlabarrena.Silafuerza resultanteespositiva,elngulose incrementa;siesnegativa,elngulose reduce; y si es cero, el ngulo se mantiene. Comoseilustraesquemticamenteenla Figura7,unavezdeterminadalafuerza resultanteylalongituddelpuntode tangencia, la colocacin de un estabilizador aestenivelcambiarlaposicindeun subsecuentepuntodetangenciahaciauna posicinsuperior,ascomolasrespectivas fuerzaslateralesqueactanenlabarrena. Bajoesteprincipio,puedeobtenerseel nmeroyposicindeestabilizadorespara incrementar,reduciromantenerelngulo del pozo. 4.4.2Reglasprcticasparaestabilizarla sarta de perforacin. Comoresultadodemodeloscomplejos (3D)7, que consideran fuerzas de inclinacin ydireccionalenlabarrena,curvaturadel agujero,diferentesdimetrosdeagujeroy componentesdelensambledefondo, rotacindelasartaypuntosdetangencia entrebarrenayestabilizadoryentre estabilizadores, a continuacin se presentan algunasreglasprcticasparadeterminarel nmero y posicin de los estabilizadores1. 4.4.2.1Ensamblesdefondopara incrementarelngulodeinclinacin.La Figura8muestralosarreglosdeensamble defondocomnmenteusadospara incrementar el ngulo de inclinacin. Unensambledefondotpicopara incrementarelngulodelpozocuentacon unportabarrenaestabilizadoroun estabilizadora11.5mdelabarrena. Esteestabilizadorpermitequelaflexino pandeoquesufrenloslastrabarrenas colocadosarribadeesteprimer estabilizador,originadoporelpesosobre barrena,seconviertaenunafuerzalateral depandeo,lacualtiendeaincrementarel ngulo. Nuevo punto de tangenciaNueva fuerzade pnduloNueva fuerzade pandeoLT(1)LT(2)Direccin de la barrenaNuevo punto de tangenciaNueva fuerzade pnduloNueva fuerzade pandeoLT(1)LT(2)Direccin de la barrenaFigura 7. Cambio de punto de tangencia y fuerzas laterales que actan en la barrena. Sartas de Perforacin Gerencia de Ingeniera11 ComoseilustraenlaFigura8,lamejor respuestaparaincrementarelngulodel pozo se obtiene con los arreglos 5 y 6. Esto ocurreporquelaseparacinentrelosdos primerosestabilizadores(27m)permitela flexindeloslastrabarrenas(puntode contactootangenciaentreestabilizadores) incrementandolafuerzalateraldepandeo. Enagujerosconinclinacinmenora8,el arreglodefondonmero4proporciona mayor fuerza de pandeo o mayor respuesta a incrementar el ngulo que los arreglos 5 y 6.Sinembargo,paraagujeroscon inclinacionesmayoresde8lamayor respuestaparaincrementarelngulose obtieneconlosarreglos5y6.Estostres arreglosdeensambledefondo(4,5,y6) permitenincrementosdenguloentre2y 5/30 m. Los arreglos 2 y 3 permiten incrementos de ngulomedianos(1y3/30m).Porotro lado,elarreglo1esutilizadoparagenerar moderadosincrementosdengulo,detal maneraque,enocasiones,stesepuede utilizar para mantener el ngulo del pozo. Enlosarreglosdeensamblesdefondo utilizadosparaincrementarelngulode inclinacin,elaumentodelpesosobrela barrena,dependiendodeldimetrodel lastrabarrena,aumentaelritmode incremento de ngulo. A menor dimetro de lastrabarrena,relativoaldimetrodel agujero,mayorseresteritmode incremento,debidoaquehaymsespacio paralaflexinopandeodellastrabarrena, efecto que causa el incremento de la fuerza lateraldepandeo.Adicionalmente,cuando lainclinacindelagujeroaumenta,estos arreglostiendenamejorarsurespuestaa incrementarelngulodelpozo,debidoa que,porgravedad,loslastrabarrenas tiendenapegarsealapartebajadelas paredesdelagujero.Porlotanto,es necesariamenorflexindellastrabarrena paralograrpuntosdecontactoyaumentar las fuerzas laterales de pandeo. 4.4.2.2Ensamblesdefondoparareducirel ngulodeinclinacin.LaFigura9muestra losensamblesdefondocomnmente usadosparareducirelngulode inclinacin.Aestetipodearreglosseles conocecomoarreglostipopndulo,debido a que la fuerza lateral, de pndulo, ejercida porlagravedad,essuperioralafuerzade pandeo.ComosemuestraenlaFigura9, esteefectodepnduloselograeliminando elestabilizadorcolocadoarribadela barrenaeinstalandoelprimerestabilizador antesdelprimerpuntodetangenciapara evitar con esto los efectos de flexin en los lastrabarrenasquegeneranlasfuerzas laterales de pandeo.Respuest a mxima Respuest a mnima(4) (1)9-15 m9 m(2)17-23 m(3)17-23 m9 m(5)27 m(6)27 m9 mRespuest a mxima Respuest a mnima Respuest a mxima Respuest a mnima Respuest a mxima Respuest a mnima(4) (1)9-15 m9 m(1)9-15 m9 m(2)17-23 m(2)17-23 m(3)17-23 m9 m(3)17-23 m9 m(5)27 m(5)27 m(6)27 m9 m(6)27 m9 mRespuest a mxima Respuest a mnima Respuest a mxima Respuest a mnimaFigura 8. Ensambles de fondo para incrementar el ngulo de inclinacin. Respuest a mxima Respuest a mnima(1)9-18 m(2)9-18 m9 m(3)18-23 m(4)18-23 m9 m(5)23-27 m(6)23-27 m9 mRespuest a mxima Respuest a mnima Respuest a mxima Respuest a mnima(1)9-18 m(1)9-18 m(2)9-18 m9 m(2)9-18 m9 m(3)18-23 m(3)18-23 m(4)18-23 m9 m(4)18-23 m9 m(5)23-27 m(5)23-27 m(6)23-27 m9 m(6)23-27 m9 mFigura 9. Ensambles de fondo para reducir el ngulo de inclinacin. Gua de Diseo 12Gerencia de Ingeniera ComoseindicaenlaFigura9,losarreglos 5y6proporcionanlamejorrespuestapara reducir el ngulo de inclinacin del pozo. Enlosarreglosdeensamblesdefondo utilizadosparareducirelngulode inclinacin,cuandolainclinacinesalta,el nmerodepuntosdecontactoentrela barrenayelprimerestabilizadorse incrementacausandounareduccinenla fuerza de pndulo y, por lo tanto, una menor respuestaareducirelngulodelpozo. Luegoentonces,ladistanciadelabarrena al primer estabilizador debe reducirse, como se indica en los arreglos 1 al 4. Estosarreglostipopndulosonraramente usadosparaperforacindireccional.En general, son ms utilizados para controlar la desviacin del pozo. 4.4.2.3Ensamblesdefondoparamantener elngulodeinclinacin.Estosensambles defondosonconocidoscomosartas empacadas.LaFigura10muestralas sartasempacadascomnmenteempleadas paramantenerelngulodeinclinacin. Como se puede observar, en estos arreglos los estabilizadores se colocan de tal manera quelasfuerzaslateralesdepandeoy pnduloseneutralicen.Esteefecto generalmenteselogracolocandodos estabilizadorescercadelabarrena.El primeroinmediatamentearribadela barrenayelsegundoaunalongitudmenor o igual a 6 m. ComoseindicaenlaFigura10,los ensamblesdefondoempacados,en realidadtienenlafuncindeincrementaro reducirpaulatinamenteelngulode inclinacindelpozo,evitandouncambio repentinodengulo.Unacaractersticade estosensamblesdefondoesquela variacin de las fuerzas laterales de pandeo ypnduloconcambiosdepesosobre barrena deben ser nulos. Los arreglos 1 y 2, en la Figura 10, tienen la caractersticademantenerelngulode incremento. Por otro lado, los arreglos 4 y 5 tienen la tendencia a mantener la reduccin delngulodelpozo.Elarreglonmero3, parangulosdeinclinacinmenoresa10, mantiene el incremento de ngulo, mientras queainclinacionesmayoresde10 mantiene la reduccin de ngulo. 5. Recomendaciones 1.Ensituacionesdondelasartade perforacinestarsometidaa condicionesextremadamenteseveras, como pozos de alta inclinacin o de largo alcance,serecomiendadisearlasarta tomandoencuentaesfuerzos combinados(tensin/colapso, tensin/torsin, etc). 2.Duranteeldiseodeunasartade perforacin,serecomiendacontarcon tablasdeespecificacionesdetubera completas y actualizadas. 3.Existesoftwaretcnicocomo herramienta de clculo para el diseo de lasartadeperforacin,porloquese recomiendasuempleo,unavezquese comprendenlosconceptosycriterios vertidos en esta gua. 6. Referencias 1. BourgoyneJr.,A.T.,Chenevert,M.E., Millheim,K.K,yYoungJr.,F.S.: Tendencia a reducir nguloTendencia a incrementarngulo(1)9 m9 m9 m(2)1.5 -4.5 m9 m9 m(3)4-5 m9 m(4)4-5 m9 m9 m(5)9 m9 m5-6 mTendencia a reducir nguloTendencia a incrementarngulo(1)9 m9 m9 m(1)9 m9 m9 m(2)1.5 -4.5 m9 m9 m(2)1.5 -4.5 m9 m9 m(3)4-5 m9 m(3)4-5 m9 m4-5 m9 m(4)4-5 m9 m9 m(4)4-5 m9 m9 m(5)9 m9 m5-6 m(5)9 m9 m5-6 m9 m9 m5-6 mFigura 10. Ensambles de fondo para mantener el ngulo de inclinacin. Sartas de Perforacin Gerencia de Ingeniera13 AppliedDrillingEngineering;SPE Textbook Series. 2.THHillAssociates,Inc.StandardDS-1 DrillStemDesignandInspection,First Edition, 1992. 3.ProyectoPEMEX-IMP,Procedimientos paraelDiseodelaPerforacinde Pozos, 2a. Fase, julio, 2000. 4.AmericanPetroleumInstitute: RecommendedPracticesforDrillStem DesignandOperatingLimits.API RecommendedPractice7Gsixteenth edition, December 1, 1998. 5.MitchellEngineering:AdvancedOilWell DrillingEngineeringHandbook& Computer.Program10thEdition,1st Revision, July 1995. 6.Jiazhi,B:BottomholeAssembly ProblemsSolvedbyBeamColumn Theory;paperSPE10561presentedat the1982SPEInternationalMeetingon PetroleumEngineering,Beijing,March 19-22.7.Millheim,K.K.:DirectionalDrilling;Oil andGasJournal(eightpartseries) beginning Nov. 6, 1978 and ending Feb. 12, 1979. 7. Nomenclatura CLBC=Cargacompresivadelos lastrabarrenas (ton) MLBd=Dimetromnimode lastrabarrenas (pg) eCTRd=Dimetro exterior del cople de la TR en (pg) ed=Dimetro exterior de tubera (pg)id=Dimetro interior de tubera (pg) bd=Dimetro de la barrena (in) D=Profundidad (m) TE=Esfuerzo de tensin (lb/pg2) CE=Esfuerzo compresivo (lb/pg2)BF=Fuerzaresultanteenlabarrena BF(ton) dF=Factor de diseo (adimensional) dpIF =Factordediseoporpresin interna (adimensional) dpCF =Factor de diseo para la presin de colapso (adimensional) dTF=Factordediseoalatensin (adimensional) FF=Factordeflotacin (adimensional) LBL=Longitudmnimade lastrabarrenas(m) TPL=Mnimalongituddetubera pesada(m) TTL=Mximalongituddeunaseccin de tubera de trabajo (m) TL=Longituddelabarrenaalprimer punto de tangencia (m) =Claroentreelagujeroyel dimetroexteriordel lastrabarrena (pg) TPM=Mxima tensin permisible (ton) JM=Margen de jaln(ton) pID=Presininternadediseo (lb/pg2). pI=Presin interna (lb/pg2). pCD=Presindecolapsodediseo (lb/pg2) pC=Presin de colapso, (lb/pg2). SBp=Pesorequeridoporlabarrena (ton.) LBP=Peso de los lastrabarrenas en el aire (lbs/pie) TPP=Pesodelatuberapesadaenel aire(lbs/pie). RR=Relacinderigidez(adimensional) LBR=Rgidezdeloslastrabarrenas (lbs-pg2) TR=Resistenciaalatensindela tubera (ton) TT=Determinar la tensin de trabajo u=variable (adimensional) X=Funcintrascendental (adimensional) Letras griegas lodo=Densidad del lodo (gr/cm3) =ngulodelpozoconrespectoa la vertical (grados). Gua de Diseo 14Gerencia de Ingeniera