Vibraciones en la sarta de perforación

VIBRACIONES 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 trabajo estudia desde el punto de vista dinámico las vibraciones mecánicas aparecidas enuna sarta de perforación, principalmente, las oscilaciones autoexcitadas de atascamiento-deslizamiento provocadas por la fricción en la barrena. Se tratarán dos problemas. Por una parte, el modelado del comportamiento torsional de la sarta, junto al modelado de la interacción roca/barrena, esta última es aproximada mediante una fricción seca. Por otra parte, se interpretarán algunos objetivos deperforación como problemas de control, básicamente: obtener una velocidad constante en la superficie, reducir el fenómeno de atascamiento-deslizamiento y mantener condiciones óptimas de operación a pesar de variaciones en los parámetros de perforación. Copyright ©2004 IFAC Keywords: Control applications, Dry friction, Self-excited oscillation, Discontinuities.

1. INTRODUCCIÓN Las vibraciones soninevitables 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 (BHA), de la formación perforada, y, en gran medida, de la elección de los parámetros de perforación, sobre todo, del peso en la barrena (WOB) y de la velocidad rotacional de la sarta y de la barrena. Es por ello,que el objetivo final de la aplicación de técnicas de análisis dinámico y de control es la propuesta de estrategias y recomendaciones de operación para el perforador, así como recomendaciones de diseño de la sarta y de la BHA con el fin de reducir los efectos de las vibraciones.

Autor de contacto: Eva María Navarro-López. Tel. +52 55 9175 7235. Fax +52 55 9175 6277. Dirección e-mail:enavarro@imp.mx (E.M. Navarro-López), rsuarez@imp.mx (R. Suárez). Este trabajo ha sido apoyado parcialmente por el proyecto CONACYT, ref. 35989-A y el proyecto del IMP D.00222.02.002.

Las vibraciones mecánicas aparecidas en una sarta de perforación se clasifican dependiendo de la dirección en la que las mismas se presentan, por lo tanto, se hablará de: vibraciones axiales o longitudinales, torsionales ylaterales, ver Fig. 1. Asociado a cada tipo de vibración tendremos 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 atascamientodeslizamiento (“stick-slip”, en inglés), mientras que la sarta gira a una velocidad constante, la velocidad de la barrena varía de cero hasta seisveces la velocidad medida en la superficie, normalmente, este fenómeno lleva consigo importantes variaciones de pares de torsión (ver Fig. 2); (iii) fenómeno de remolino (“whirl”, en inglés), causado principalmente por el desbalance de la sarta, es decir, el centro de gravedad de la sarta no coincide con su eje geométrico de rotación, esto se traduce principalmente en que la trayectoria del centrogeométrico de la parte inferior de la sarta no

 

¡

Velocidades

Vibración Axial

Dinámica de la barrena Movimiento Rebote

AtascamientoAtascamientodeslizamiento deslizamiento

Vel. barrena

Lateral

Remolino

Esfuerzo de torsión

Torsional

Atascamientodeslizamiento

Vel. superficie

t (s)

Figura 1. Vibraciones mecánicas en una sarta de perforación. Efectos de lasmismas en las paredes del pozo (Besson et al., 2001). sea circular y se produzcan choques de la sarta con las paredes del pozo. Este artículo se centrará en las vibraciones torsionales causa del fenómeno de atascamiento-deslizamiento, y originadas por la fricción barrena/roca. Se han escogido dichas vibraciones para la aplicación de técnicas de control para su reducción. Los otros tipos de...