Sistemas embebidos

ISSN: 1697-7912. Vol. 2, Núm. 1, Enero 2005, pp. 43-54

VIBRACIONES MECÁNICAS EN UNA SARTA DE
PERFORACIÓN: PROBLEMAS DE CONTROL ⋆
E.M. Navarro-López y R. Suárez

Programa de Investigación en Matemáticas Aplicadas y
Computación
Instituto Mexicano del Petróleo
Eje Central Lázaro Cárdenas, 152, ed. 2, planta baja, cub.1,
A.P. 14-805, 07730 México, D.F., México

Resumen: Este trabajoestudia desde el punto de vista dinámico las vibraciones mecánicas
que aparecen en una sarta de perforación convencional. En particular, se analizan las
oscilaciones autoexcitadas de atascamiento-deslizamiento provocadas por la fricción
existente entre la barrena y el pozo. Se tratan dos problemas. Por una parte, el modelado
del comportamiento torsional de la sarta, junto al modelado de lainteracción roca/barrena,
esta última es aproximada mediante una fricción seca. Por otra parte, se interpretan
algunos objetivos de perforación como problemas de control, básicamente: obtener una
velocidad constante en la superficie y reducir el fenómeno de atascamiento-deslizamiento
de la barrena. Copyright ©2004 CEA-IFAC
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Palabras clave: aplicaciones del control, fricción seca, oscilacionesautoexcitadas, ciclos
límite.

1. INTRODUCCIÓN
Las vibraciones son inevitables en una perforación.
Sin embargo, el grado de severidad de las mismas
y sus consecuencias sobre el proceso de perforación
dependen del diseño de la parte inferior de la sarta
(aparejo de fondo), de la formación perforada, y, en
gran medida, de la elección de los parámetros de
perforación, sobre todo, el peso en labarrena (WOB)
y la velocidad rotacional de la sarta y de la barrena.
La aplicación de técnicas de análisis dinámico y de
control en un sistema de perforación puede llevar a
conclusiones que permitan la propuesta de estrategias
y recomendaciones de operación para el perforador,
⋆ Autor de contacto: Eva María Navarro-López. Tel. +52
55 9175 6770. Fax +52 55 9175 6277. Dirección e-mail:enavarro@imp.mx.

Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial

así como recomendaciones de diseño de la sarta y del
aparejo de fondo con el fin de reducir los efectos de
las vibraciones.
Las vibraciones mecánicas que aparecen en una sarta
de perforación se clasifican en: vibraciones axiales o
longitudinales, torsionales y laterales, dependiendo de
la dirección en que sepresentan (ver Fig. 1). Asociado a cada tipo de vibración se tiene una serie de
fenómenos: (i) rebote (“bit bouncing”, en inglés), la
barrena de forma periódica da saltos en el fondo del
pozo, incluso puede llegar a soltarse; (ii) fenómeno
de atascamiento-deslizamiento (“stick-slip”), mientras que la sarta gira a una velocidad constante, la velocidad de la barrena varía de cero hasta seis veces lavelocidad medida en la superficie, normalmente, este
fenómeno lleva consigo importantes variaciones de
pares de torsión (ver Fig. 2); (iii) fenómeno de remolino (“whirl”), causado porque el centro de gravedad de
la sarta no coincide con su eje geométrico de rotación,
esto tiene como consecuencia que la trayectoria del

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Vibraciones Mecánicas en una Sarta de Perforación: Problemas deControl

Dinámica de la barrena
Vibración

Movimiento

Lateral

Remolino
'b
ç

'b
ç

0

Torsional

t

Atascamientodeslizamiento
barrena

Axial
Saltos periódicos

Figura 1. Vibraciones mecánicas en una sarta de perforación. Consecuencias de las mismas.

centro geométrico de la parte inferior de la sarta no
sea circular y se produzcan choques de la sarta con las
paredesdel pozo.
Este artículo se centra en las vibraciones torsionales
causa del fenómeno de atascamiento-deslizamiento.
Estas vibraciones están originadas, principalmente,
por el contacto barrena/roca. La frecuencia de aparición de estas vibraciones se puede reducir mediante
técnicas de control. Las vibraciones laterales y axiales,
por su parte, requieren otro tipo de soluciones, más
orientadas...