vibraciones de la sarta
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Vibraciones en la Sarta
de Perforacin
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Que Es Vibracin? Es una Oscilacinomovimientode vaivndentro de uncuerpo La Vibracin es provocada por fuerzas de Excitacinexternas actuando sobre el cuerpo para hacerlo mover Para la sarta de Perforacin (elcuerpo), las Fuerzas de
excitacin incluyen:La interaccin mecha-roca, el peso sobre la mecha(WOB) y la rotacin (RPM) Bombas de Lodo (pulsos circulatorios) Motores [Energa a la mecha y torque reactivo
(opuesto) a la sarta] Movimiento de la sarta (rebotes con la pared del hoyo)
Estas vibraciones pueden amplificarse y, en casos severos,causar dao a la mecha y a los componentes del BHA
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1. Dao a la mecha ..(cortadores/insertos rotos, calibre)
2. Desgaste Prematuro..(acorta la vida de la mecha)
3. Reduce la tasa de penetracin..(rendimiento pobre)
4. Dao al BHA.......(roturas, fugas)
5. Fallas de MWD/LWD..(daos por vibracin, no hay seal)
6. Dao a la Sarta...... (latigueo, impactos contra el hoyo)
7. Desgaste a la tubera. (abrasin - contacto con el hoyo)
Problemas causados por VibracinIncontrolada
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Problemas causados por VibracinIncontrolada (cont.)
8. Incremento de torque de la sarta..(baja la eficiencia, elcontacto con el hoyo reduce el torque de perforacion)
9. Hoyo agrandado....(la mecha perfora un hoyo ms grande
que su dimetro)
10. Prdida de control direccional...(los estabilizadores pierdencontacto con el hoyo agrandado)
11. Pobre calidad del hoyo..(hoyo espiralado, geometra de relojde arena, los estabilizadores se cuelgan)
12. MayoresCostos de perforacin!!!
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Tipos de Movimiento de una Onda
Una onda longitudinal es una onda en la cual laspartculas delmediose mueven en direccin paralela alsentido del movimiento de la onda. Cuando la energa setransporta de izquierda a derecha, las partculas delmedio se desplazarn en ese sentido. Este tipo de ondaes anlogo a una onda de compresin y est asociada alas Vibraciones Axiales
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Una onda transversal es una onda en la cual las
partculas del medio se mueven en direccinperpendicular al sentido de la onda. Cuando la energase transporta de izquierda a derecha, las partculas delmedio se desplazarn hacia arriba y hacia abajo. Este
tipo de onda es anlogo a las ondas de corte (shear) yest asociada a las Vibraciones Laterales
Tipos de Movimiento de una Onda
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Propiedades del Movimiento Armnico Simple
La Interferencia de Ondas es el fenmeno que sepresenta cuando dos ondas se encuentran mientras viajanen el mismo medio. La interferencia de ondas provocaque el medio se deforme como resultado del efecto netode las ondas individuales sobre las partculas del medio
Interferencia Constructiva:las ondas presentandesplazamiento en lamisma direccin
Interferencia Destructiva:las ondas presentandesplazamiento endirecciones opuestas
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Una Onda Estacionariaes un patrn vibracional creado dentro
del medio cuando la frecuencia vibratoria de la fuente continaemitiendo ondas desde un extremo del medio reforzando laincidencia de ondas en el medio de tal manera que el medio da laapariencia de no presentar movimiento. Tales patrones soncreados solamente dentro del medio a especificas frecuencias devibracin. Estas frecuencias son conocidas como FrecuenciasArmnicas o, simplemente,Armonas
A - Amplitud de la onda,
tambien llamadaAnti-Nodo
B - Nodo(Sin Displazamiento)
Propiedades del Movimiento Armnico Simple
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Todos los materiales tiene una frecuencia o frecuencias a lascuales tienden a vibrar cuando son golpeados o, de algunamanera, perturbados. Esto es conocido como la frecuencianatural del objeto. Si la amplitud de las vibraciones essuficientemente grande y la frecuencia natural del material
esta dentro del rango audible humano, entonces el objetoemite ondas snicas que pueden ser escuchadas
El proceso de friccin (stick-slip) es
suficiente para que las molculas de unacopa de vidrio entren en vibracin a sufrecuencia natural
Propiedades del Movimiento Armnico Simple
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Un objeto vibrando a la misma frecuencia naturalde unsegundo objeto induce a ste a vibrar. Esto se conocecomo Resonancia. Cualquiera que sea el sistemavibracional, si se presenta resonancia, el resultado es una
vibracin de gran magnitud
Propiedades del Movimiento Armnico Simple
Una cabilla metlica vibrando induce al aire a su alrededora vibrar y ocurre resonancia
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Frecuencia = Velocidad/Longitud de OndaLas propiedades del material que afectan la frecuencia son:
Inercia- la densidad del medio - Mientras ms grande lainercia, mas lenta la onda. Una onda de sonido viajar
mas rpido en un material menos denso que en unmaterial ms denso
Elasticidad - Gobierna la interaccin entre las partculasdel medio. Los slidos tienen ms interaccin entre laspartculas que los lquidos, los que, a su vez, tienen ms
interaccin que los gases. Las ondas longitudinales viajanms rpido en slidos que en lquidos y gases. Ancuando la inercia es muy pequea en los gases, laelasticidad tiene mucho mayor influencia sobre la velocidadde la onda
Factores que Afectan lasFrecuencias Naturales
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La sarta de perforacin es un sistema muy complejo. Existenpor lo menos 9 frecuencias naturalespresentes en una sartatpica:
Cuando una frecuencia de excitacin externa alcanza alguna deestas 9 frecuencias naturales, el componente entra enResonancia,acumula energa y sufre deformaciones productode las grandes cargas adicionales que actan sobre l
Frecuencias Naturales enSartas de Perforacin
Tubera de Perf.
HeavyWeight
Drill Collars
COMPONENTE
Axial
Lateral
Torsional
VIBRACION
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Medida de la Vibracin
Las vibracionesocurren y se repiten enespacios de tiempofijos. La vibracin se
puede medir entrminos de ciclos (oeventos) por segundo(Hertz)
Rotando a 180 rpm:180 rpm/60 seg = 3 rpm/seg (ciclos/segundo)o 3 Hz3 Hz es la Frecuencia de la mecha rotando a 180 rpm
Frequency of RPM in the Time Domain
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
Time - sec
Am
plitude
60 rpm
180 rpm
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Movimiento Armnico
Primary Vibration with Harmonics
-4
-3
-2
-1
01
2
3
4
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Time - seconds
Amplitude
Main Vib - 1hz
2x Harmonic - 2hz
3x Harmonic - 3hz
La Vibracin Primaria tendr un Movimiento Armnicoa una
frecuencia mltiplo de la vibracin original con Amplitud menor
Vibracin Primariaa 1 Hz (un ciclo completo/seg)2x Armnicoa 2 Hz = 2 x 1 Hz (2 ciclos completos/seg)3x Armnicoa 3 Hz = 3 x 1 Hz (3 ciclos completos/seg)
Los Nodos, o puntos estticos, ocurren a los 0.5, 1.0, 1.5 y 2 segundos. ElMovimiento Armnico Primario y los dems se interceptan en la Amplitud cero
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Frecuencia Dominante de la VibracinPrimary Frequency with Harmonics
-0.50
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 1 2 3 4 5 6
Frequency - hz
Amplitude
Amplitude
Adicionalmente a suMovimiento Armnico, laVibracin se puede mediren trminos de laFrecuencia a la cual ocurre Frecuencia Dominante
Vibracion Primaria a 1 Hz.
2x Armnico a 2 Hz3x Armnico a 3 Hz4x Armnico a 4 HzTpicamente laAmplitudde la vibracin armnicadisminuye a medida que aumenta la frecuencia
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Nodos de Vibracin
Nodo
Movimiento
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
Nodo
1 Nodo
Movimiento Ilimitado
2 Nodos
Movimiento Limitado
3 Nodos
Movimiento Restringido
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La mecha y el buje del cuadrante (kelly bushing)actan como nodos o puntos de cero desplazamientoen la Sarta de Perforacin
Severos Modos de vibraciones puedenpresentarse pozo abajo pero no sondetectados en superficie debido a que elBuje del cuadarnte es un Nodo
Los Estabilizadores(convencionales y de rodillos)actan como nodosforzadosde cerodesplazamiento vibratorio
Nodos de Vibracin
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AXIAL- paralela o a lo largo del eje de la Sarta dePerforacin (Movimiento hacia arriba y hacia abajo):
Rebote de la Mecha Martilleo Estiramiento y compresin de la tubera
LATERAL- perpendicular al eje de la Sarta (Movimientode lado a lado): Rebote de la tubera con la pared del hoyo Mecha/BHA girando fuera de centro (whirl) Movimiento de los codos de las herramientas direct.
TORSIONAL- rotacin con altas fuerzas de arrastre(torque) y resbalado cclico en la Sarta:
Frenado/Resbalado de la mecha y estabilizadores Torque en reversa de motores/turbinas Torque acumulado de la tubera
Tipos de Vibraciones
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Cuando otros tipos o modos de vibraciones seempalman a la Vibracin Primaria ocurre unacoplamiento. Las vibraciones secunadarias puedenser inducidas por la primaria o ser creadas por otrasfuerzas de excitacion externas
Los Acoplamientos de Vibraciones ms comunes son:
Axial+Lateral
Lateral+AxialTorsional+Axial+Lateral
Acoplamiento de Vibraciones
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Vibraciones AxialesLa situacin extrema cuando la sarta vibra en el modo Axial eselZapateo de la mecha. La mecha pierde contacto
momentneo con el fondo del hoyo rebotando contra elmismo.
El rebote de la mecha es usualmente asociado con las mechastricnicas porque su mecanismo de perforacin es encompresin usando la carga axial (WOB). La compresibilidadde la roca crea una resistencia (reaccin Newton) que produceuna onda axial que viaja de regreso a lo largo de la Sarta.
Cuando estas vibracionesaxialesalcanzan la frecuencianaturalde los Drill Collars, el sistema entra en resonancia yresulta una vibracin del modo axial y la mecha se levantacclicamente del fondo.
LaResonancia de la Sartapuede ser el resultado de otrasfrecuencias de excitacin, como las bombas de lodo,perforadores automticos, etc.
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1) Dao a la Mecha Dientes/Cortadores astillados o rotos Dao a cojinetes/sellos debido a impactos cclicos Fallas prematuras/Desgaste acelerado
2) Fallas delBHA/MWD Falla por fatiga de la tubera/conexiones Prdida de la seal del MWD
3) Rendimiento de la Perforacin/Costos Operador Pobre rendimiento. Ineficiente mecanismo deperforacin. Desgaste acelerado de la mecha Viajes adicionales para cambio de mecha Prdida de Tiempo/Gasto en pescas
Vibraciones AxialesEste modo de Vibracin produce:
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Detectando la Vibracin Axial1) Con el Registro del taladro (Geolograph)
Cambios rpidos del peso sobre el gancho Cambios rpidos en el Torque de Perforacin Cambios rpidos en las RPM
2) Visual/Audible Rpidos movimientos verticales de la tuberaVibraciones en el TopDrive El cable del malacate latigueando Sonidos de Alta frecuencia emitidos por la tubera
3) Detectores/Sensores de Vibracin Sensores del MWD Detectores/medidores montados en Superficie
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Vibracin Axial - Remedios
1) Cambiela(s) frecuencia(s) de las fuerzas de Excitacin:
Aumente las RPM- esto crea un desarreglo entre la frecuenciade la mecha y la frecuencia natural de la tubera Reduzca el WOB- el Punto Neutrose mueve ms bajo en elBHA. Esto cambia la longitud de la frecuencia natural de algunoselementos del BHA (de compresin a tensin)
Cambie el Caudal de las Bombas- mueve la frecuencia de lasbombas lejos de la frecuencia natural del BHA
2) Cambie el Diseo del BHA Cambie la longitud de los componentes del BHA- es el aspectoque ms afecta la frecuencia natural
Agregue unAmortiguador (Shock-Sub, Thruster) o Motor deFondo- esto desacopla las vibraciones de la mecha de las del BHAy viceversa
3) Empiece de Nuevo- re-establezca un nuevo patrn de fondo conla mecha
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Vibracin Lateral - Whirl
Son inducidas por impactos laterales a la mecha, al BHAy/o a la tubera de perforacin. En su condicionextrema (remolino o Whirl), la mecha y/o el BHAempiezan a rotar alrededor de un punto diferente alcentro geomtrico del componente. El whirl esta ms
asociado con las mechas PDCpero tambin se presentaen mechas de conos
Las mechas en whirlforman un patrn de fondolobulado y perforan ineficientemente debido a esa
inestable condicin dinmicaEl whirl del BHA puede comenzar con el pandeo de losDrill Collars debido a excesivo peso sobre la mecha o aimbalance de masa creando el movimiento descentrado
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Tipos o Modos de Whirl
Pared
del Hoyo
Tubera
Centro de
Rotacin
Direccin del
MovimientoWhirl hacia adelante- el
centro de rotacin se mueveen el sentido de rotacin delBHA
Whirl inverso- el centro de rotacin semueve en sentido contrario a la rotacin delBHA. Asociada con las mechas de conos y conexceso de WOB
Whirl intermitente- el centro derotacin cambia constantemente desentido. Frecuentemente es elresultado del acoplamiento convibracin torsional (Stick-Slip)
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1) Dao de la mecha Cortadores/dientes astillados o rotos Aletas y patn del calibre daados o rotos Corridas cortas/desgaste acelerado
2) Fallas del BHA/MWD Fallas por Fatiga del BHA debido a esfuerzos de pandeo Prdida de la seal del MWD - falla de los sensoreselectrnicos, vulnerables a los impactos laterales
3) Rendimiento/Costos de Operacin Rendimiento Pobre - ineficiente mecnica de perforacin,hoyo agrandado y lobulado, desgaste acelerado de la mecha Viajes adicionales por mechas o problemas con el MWD
Vibraciones LateralesEste modo de Vibracin produce:
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Vibraciones Laterales
Patrn de rotacin
normal
Mecha PDC rotando
en whirl
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Detectando la Vibracion Lateral1) Casi Imposible de ver en la superficie
Casi nunca alcanza la superficie, amortiguada por la pared del
hoyo. No hay sonido ni movimiento en la mesa rotaria
2) Herramientas de Deteccin de Fondo Solo se pueden detectar con sensores de fondo La tecnologa actual no puede diferenciar entre whirl de la
mecha y el del BHA, o si es hacia adelante, inverso o intermitente3) Respuesta no-lineal al aumento de lasRPM - agravando la condicin
del whirl. Los cortadores no llegan a morder la roca, cayendo laROP
4) Fallas delMWD- estas herramientas son vulnerables a los impactoslaterales. Normalmente son diseadas para absorver vibracionesaxiales
5) Desgaste de la Mecha- cortadores astillados/rotos/delaminados,desgaste desigual del calibre, desgaste anormal detrs de las aletas
en las mechas PDC y desgaste en las patas en las mechas de conos
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1) Comience de Nuevo
Re-establezca el patrn de fondo del hoyo, usando bajaRPMy aumentando el WOB.
2) Cambie los parmetrospara prevenir el whirl El whirl puede ser inducidocon las intercalaciones duras,
especialmente en pozos muy inclinados - reduzca las RPM,aumente el WOBcon anticipacin El exceso de WOB puede pandear el BHA e iniciar un whirlinvertido
3) Use una Mecha ms Estable
4) Incremente la estabilizacin del BHA- agregue estabilizadoresy drill collars ms pesados para restringir la tendencia al whirl
Vibracin Lateral - Remedios
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Son creadas por fuerzas rotacionales almacenadas en la
mecha, el BHA y la tubera de perforacin. En sucondicin ms extrema, llamada Stick-Slip, la mechay/o los estabilizadores muerden la pared del hoyo yreducen la rotacin del componente a casi cero. Elmismo mecanismo contina supliendo energa de
rotacin que es acumulada en forma de torque en lasarta. Eventualmente el torque almacenado excede lafuerza de agarre y el componente (mecha y/oestabilizador) se libera con una alta aceleracin,disipando el torque almacenado. El Stick-Slip es ms
asociado a lasmechasPDC debido a que su mecanismode perforacin por cizallamiento utiliza energa torsional,pero tambin puede presentarse en mechas de conos,estabilizadores y en latubera de perforacin en pozosdesviados
Vibraciones Torsionales
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Movimiento Axial
(Rebote Vertical)
Causa cargas y
descargas sobre los
cortadores.
Puede adicionar
Vibracin Torsional
Vibraciones Torsionales
Las vibraciones torsionales pueden ser
iniciadas por vibraciones axiales
M i i t A i
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Movimiento Armnico enVibraciones Torsionales
Rotary Spee ds During Stick-Slip
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
10 15 20 25 30 35
Time (sec)
RPM Surface RPM
Bit RPM
Durante la vibracin torsionalla mecha y el BHA puedenllegar a acelerar desde cero
hasta 10 veces la rotacin desuperficie
Stick-Slip es una resonanciatorsional en la sarta de
perforacin.Acoplada a vibraciones lateralespuedefcilmente excitar whirl en el BHA (hacia adelante,invertido o intermitente)
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Medida de la Vibracin Torsional
Este modo de vibracin se presenta ms frecuentementecon mechas PDC grandes y/o desbalanceadas, con BHAspoco estabilizados y cuando se perfora con bajas RPM
Como la frecuencia del Stick-Slip es tan pequea (
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1) Dao de la Mecha Daos por Impactos - dientes/cortadores rotos o perdidos Falla total/catastrfica de la mecha PDC [aleta(s) rota(s)] Corridas cortas/desgaste acelerado
2) Fallas del BHA Tubera con sobre-torque, fugas en conexiones (washouts) Fallas por fatiga, roturas por torsin (twist-offs)
3) Rendimineto/Costos Operacionales Rendimiento pobre - mecnica de perforacin ineficiente,desgaste acelerado de la mecha Viajes adicionales por mechas o por fallas de la sarta Prdida de tiempo/dinero en operaciones de pesca, desvos
(sidetracks)
Vibraciones TorsionalesEste modo de Vibracin produce:
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1) Medidores/instrumentosde medicin de Torque
Detectores de torque de alta velocidad Medidores del diferencial de torque (High Delta Torque) Fluctuaciones de torque (Max/Min) medidas en lapsospre-determinados (ej.: cada 2 segundos)
Ruido - zumbido audible del TopDrive o del malacate,repitindose en lapsos iguales (tubera acumulando torque)
2) RPM en la Superficielas variaciones en las RPM corresponden con la tendencia
del torque hoyo abajo
3) Herramientas detectoras devibraciones de fondo detectan e identifican la vibracin torsional
Detectando la Vibracion Torsional
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Vibracin Torsional - Remedios
1) Incremente las RPM Cambia la frecuencia de la excitacin generada por larotacin
2) Reduzca el WOB reduce la profundidad de corte del PDC, disminuyendo el
torque de perforacin. (Nota: esto reducir la ROP)
3) Tipo de Lodo y aditivos Los lodos a base de aceite lubrican mejor que los baseagua, reduciendo las fricciones y el stick-slip
Aditivos, jabones, etc. se usan para reducir la friccin4) Estabilizadors con aletas de Rodillosen el BHA
ofrecen menor torque que los estabilizadores convencionalesy casi la misma estabilizacin
ib i i l di
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5) Sistemas Soft-Torque- reducen la potencia delTopDrive cuando se detectastick-slip
6) Corra un Motor de Fondo
mas estabilidad con la fuente de rotacin ms cercade la mecha
7) Corra una Mecha de Conos las mechas de conos generan mucho menos torque y,
por lo tanto, reducen las vibraciones torsionales
8) Mejore la Limpieza del Hoyo El Alto Torque puede resultar de deficiente transportede los ripios generados
Vibracin Torsional - Remedios(cont.)