Un desafío común de perforación con cable es perforar los agujeros desviados en forma exitosa, sin agrietar o doblar permanentemente la sarta de perforación. La mayoría de los operadores entienden que cualquier desviación debe ocurrir en múltiples longitudes de barra y que cualquier porción de la desviación no debe inducir una carga de pliegue que exceda la capacidad de cualquier barra de perforación que esté pasando. Sin embargo, no se dispone de una calificación simple de desviación de la barra de perforación porque la capacidad restante en cada barra depende en gran medida de su posición en la sarta, las cargas de perforación aplicadas y la deformación. En definitiva, la capacidad de cualquier barra de perforación está determinada por dos limitaciones de su material de acero: el límite elástico de flexión del material del cuerpo central y el límite de fatiga del material del extremo macho.

Todos los aceros sufren fallas por fatiga (agrietamiento frágil, seguido rápidamente de separación) cuando se someten a cargas alternadas durante un período de tiempo suficiente (límite de fatiga), como doblar un clip de papel hacia adelante y hacia atrás hasta que se rompe. Considere que cuando una barra de perforación pasa por una desviación, se somete a una carga de curvatura alternada. Es decir, con cada rotación, el material se somete a tensión a través del exterior de la curva y compresión a través del interior. Además, la magnitud de la carga de flexión inducida aumenta con el tamaño de la barra de perforación y la rigidez de la parte central del cuerpo (aumenta con la resistencia a la flexión).

DATO DE INTERÉS: Deviations are not recommended for ‘P’ size applications. Only HRQ V-Wall or HXQ Pared W-Wall is recommended for deviations in ‘H’ size applications.

Una regla simple de ingeniería es que el límite de fatiga se puede evitar si se limitan las cargas alternadas a menos del 50% del límite elástico. Sin embargo, esta regla sólo debe aplicarse al acero que se descarga de otra forma, o bajo una precarga de compresión. Por ejemplo, mientras las barras cerca de la broca están siempre sometidas a compresión, las barras cercanas al taladro son sometidas a tensión de retroceso a medida que aumenta la profundidad (más aún en condiciones de pozo seco), lo que puede reducir la resistencia a la fatiga a menos del 25% de límite de elasticidad (dependiendo de la cantidad de retroceso, consulte la Figura 1 anterior).

Similarly, a further drop in fatigue strength occurs in the male end where additional tension is induced by the make-up torque required in each joint. This reduction is partially offset when heat treatment is applied to rod joints, boosting material strength. Boart Longyear’s RQ and XQ (launching soon) drill rod joints feature 175 % material strength (compared to midbody material) whereas competing rods typically offer 140 %.

DATO DE INTERÉS: Siga siempre las recomendaciones de torsión de enrosque para garantizar que las conexiones que pasan a través de una desviación permanezcan cerradas, a la vez que con ello se evita la tensión excesiva inducida en el extremo macho, para resistir las cargas alternadas de flexión.

An additional offset is available by utilizing flexible V-Wall and W-Wall (launching soon) midbodies. The reduction in midbody stiffness, approximately equal to the percentage weight reduction, reduces the bend load applied to the rod joints.

Dada la discusión anterior, una simple "regla empírica de desviación" contra fallas por fatiga es elegir la conexión de barra más resistente y la mitad de cuerpo más flexible, en el tamaño más pequeño posible, planificando que la extensión de la desviación quede repartida en tantas conexiones de barras como sea posible, y a una profundidad donde se requerirá la menor cantidad de fuerza de retroceso a través de la desviación para poder terminar la perforación del pozo.

Sin embargo, incluso las sartas de barras en orificios rectos sin desviaciones planificadas pueden sufrir ocasionalmente algunas fallas de fatiga en el extremo macho como resultado de la flexión de los cuerpos centrales a través de una respuesta de carga dinámica inesperada, como se explica a continuación.

La Figura 2 muestra una curva típica de carga (tensión) versus una curva de deformación para un material típico del cuerpo central de una barra de perforación. Todos los aceros volverán elásticamente a una forma relajada cuando reciban una carga por debajo del límite elástico (parte recta de la curva) pero se deformarán plásticamente o se doblarán cuando se reciban una carga superior. Una vez que la sarta se dobla en forma permanente, el torque necesario para girar la sarta aumenta significativamente debido a la carga lateral y la fricción contra el agujero y la carcasa, causando un desgaste intenso en la parte media de la misma y grietas en los extremos hembra (una superficie exterior delgada se debilita por el calentamiento producido por la fricción y el enfriamiento del fluido de perforación). Además, las cargas de flexión asociadas pueden provocar fallas de fatiga en el extremo macho, de forma similar a las cargas de flexión por desviación.

En el pasado, la tensión residual permanecía en el material que reducía el límite elástico, causado principalmente por el paso de enderezamiento final en el proceso tradicional estiramiento de tubos en frío. Como resultado, el límite elástico típico estaba muy por debajo del límite de elasticidad del material, como se muestra en la Figura 2. Hace varios años, Boart Longyear trabajó con algunos colaboradores de la industria de fabricación de tubos de Norteamérica para desarrollar una etapa de procesamiento térmico final que eliminaba las tensiones residuales y maximizaba el límite elástico Se desarrolló un equipo único de prueba de flexión de cuerpo completo, capaz de detectar algunas micro-tensiones en la deformación de la mitad del cuerpo bajo cargas de flexión alternadas y que ahora se utiliza para el control de calidad y para garantizar un rendimiento líder en el mercado. Sin embargo, esta mejora concreta no aborda completamente el problema de la respuesta de carga dinámica.

A lo largo de muchos años, las muestras de barras de perforación dobladas han sido devueltas desde terreno para su evaluación, es decir, tubos de diferente fabricación, con químicas y procesamientos distintos, etc. procesamiento, etc. Además de los resultados de los ensayos metalúrgicos estándar, las pruebas de flexión total siempre han confirmado que las propiedades del material de la barra de perforación no han sufrido modificación ni se han degradado (a menos que la barra haya sido sometida a un trabajo en frío mediante un manipulador de barras con forma de rodillo, lo que reduce el límite elástico). De hecho, algunos operadores vuelven a enderezar las barras usando métodos de enderezamiento conprensa (para una degradación mínima causada por el trabajo en frío) y suelen ser lo suficientemente afortunados como para evitar un segundo incidente de doblado, pero no siempre.

El escaneo láser 3D detallado de las barras deformadas muestra que cada una de ellas está realmente retorcida en una espiral parcial que se adapta a una forma helicoidal (sacacorchos), típicamente formando una vuelta completa sobre cuatro barras de tres metros de longitud, con una amplitud total que llena el espacio anular que normalmente se encuentra entre las barras y el orificio o la carcasa. Esta forma helicoidal puede ser visualmente confirmada por un patrón de desgaste intenso en uno de los lados, cuyo punto central se mueve un cuarto de vuelta en la circunferencia de un extremo al otro.

La deformación que se requiere para torcer una barra de esta forma es bastante pequeña, sólo alrededor de 0.015% de tensión. Como se ve en la Figura 2, esta deformación por torsión es una deformación significativamente menor con respecto de la deformación del 0,2% utilizada para determinar el límite elástico tradicional. Es decir, las barras de perforación dobladas permanentemente simplemente han cedido un poco debido a una sobrecarga justo por encima del límite elástico. Una vez doblada y retorcida de esta forma, la carga se transmite al orificio o la carcasa, lo que produce un aumento excesivo del par de torsión y la alimentación, lo que impide la perforación productiva, o causa el atascamiento de la sarta y una posible falla de la conexión de la barra.

Using Boart Longyear drilling expertise, this loading scenario was confirmed by recreating twisting incidents in separate Boart Longyear operations yards, with different rigs, in order to evaluate various “N” size test strings. Drilling with short test strings from the surface at a 45-degree decline into dry ground conditions, without flushing, ensures maximum drag with the rods in compression. Test strings have included new and used RQ rods (good condition), Q rods, and competing drill rods, including those claiming heat treatments for greater midbody strength. Prototype rods with midbody heat treatments were also tested, up to 140 % strength (similar to rod joints), which produced record-breaking results on the full-body bend test equipment. However, regardless of midbody material or heat-treated strength, any rod string can be easily driven into an uncontrolled dynamic load response. This generates drag and resistance to a point of overload (partly from the rig and partly from the inertia of the rod string) and deformation into a corkscrew shape which fills the hole and allows a sudden build of loads until the rig stalls or a rod joint fails.

DATO DE INTERÉS: Cuando la vibración de perforación es evidente, las grabaciones de video de los teléfonos inteligentes a menudo permiten la confirmación visual de una respuesta de carga dinámica y un giro helicoidal, que de otro modo no se percibe a simple vista.

Afortunadamente, la industria de la perforación de energía (petróleo y gas) también ha sufrido pandeo de la cadena, agrietamiento por calor, fallas por fatiga y doblez de la parte media de la carrocería como resultado de la respuesta de carga dinámica. Boart Longyear ha empleado la experiencia de varios consultores de ingeniería de petróleo y gas en los últimos años para desarrollar una comprensión completa de estos fenómenos, incluidos los siguientes elementos "dinámicos".

Primero, considere que todas las cadenas de varillas se vuelven inestables rápidamente. Las cuerdas de las varillas se pandearán elásticamente por su propio peso, y en realidad se "doblarán helicoidalmente" (forma de sacacorchos) bajo un peso significativamente menor dado el torque y la rotación (giro helicoidal). Sin embargo, normalmente hay suficiente rigidez en la forma abrochada para permitir la perforación sin un arrastre excesivo contra el orificio, y los cordones de varilla vuelven elásticamente a la línea recta una vez que se detiene la rotación, sin ninguna deformación.

Dependiendo del peso sobre la broca, aproximadamente las primeras 100 varillas están siempre en compresión y sujetas a pandeo, mientras que las varillas de arriba están amortiguadas con tensión de retroceso. Las tensiones máximas de carga de flexión y torsión están limitadas por la separación anular entre las varillas y el orificio o la carcasa. El encajamiento en profundidades significativas con varillas introduce un anillo más grande, permitiendo una deformación más estrecha del sacacorchos con tensiones significativamente mayores. Además, algunos operadores han utilizado varillas en V-Wall como tripas, lo que proporciona longitudes significativas con un anillo aún más grande, y luego informaron una mayor frecuencia de incidentes de torsión. Del mismo modo, las nuevas barras PHD W-Wall, NXQ y HXQ W-Wall (lanzamiento pronto) cuentan con una sección central de grosor de pared estándar que proporciona soporte a las cuerdas de varilla anidadas (cuando se usan como tripas) mientras proporciona una reducción de peso equivalente .

En segundo lugar, una vez abrochada en un sacacorchos elástico, la varilla actúa como un resorte helicoidal largo en el que cualquier cambio repentino en las cargas de perforación o arrastre del orificio se magnifica dinámicamente y se refleja en ondas, arriba y abajo de la varilla. Estos cambios de carga y arrastre pueden ocurrir en cualquier parte de la sarta de varillas, generalmente causada por cambios repentinos en las condiciones del terreno o en la desviación del pozo. Por ejemplo, las aplicaciones de perforación direccional inducen cargas de reacción contra el orificio, lo que proporciona puntos de alta presión de contacto donde pueden ocurrir condiciones de "deslizamiento" que luego inician una respuesta de carga dinámica.

En tercer lugar, como con cualquier sistema vibratorio o giratorio alargado, las cuerdas de varilla están sujetas a frecuencias de resonancia naturales o resonancia armónica, donde a velocidades de rotación críticas, pequeñas cargas de entrada (excitación) producen cargas de salida y deformaciones (resonancia) muy grandes. El cuadro de la Figura 3 demuestra cómo se pueden evitar las velocidades críticas para cualquier cadena de varillas con pequeños ajustes de velocidad a profundidades más bajas, pero esto se vuelve más difícil con el aumento de la profundidad. Por ejemplo, los resultados de adquisición de datos de experimentos de campo, representados en la Figura 4, muestran cómo la vibración torsional se redujo drásticamente con solo un pequeño ajuste en la velocidad.

En conclusión, todas las cadenas de varillas tienen, intrínsecamente, limitaciones en la capacidad de doblado y son sensibles a las desviaciones de los agujeros. Las desviaciones deben minimizarse y estar bien planificadas para evitar la respuesta de carga dinámica y la posible sobrecarga. La vibración se debe minimizar ajustando la velocidad de rotación para evitar la amplificación de la carga de las frecuencias naturales. Para aplicaciones exigentes, siempre seleccione una varilla de perforación con el material del cuerpo medio más capacitado y una conexión roscada con endurecimiento de la carcasa resistente al desgaste y endurecimiento directo de alta resistencia para resistir mejor las cargas de perforación y la respuesta de carga dinámica.