vibraciones de la sarta

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  • Vibraciones en la Sartade Perforacin

  • Que Es Vibracin?

    Es una Oscilacin o movimiento de vaivn dentro de un cuerpo La Vibracin es provocada por fuerzas de Excitacin externas actuando sobre el cuerpo para hacerlo mover Para la sarta de Perforacin (el cuerpo), 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

  • Problemas causados por Vibracin IncontroladaDao a la mecha ..(cortadores/insertos rotos, calibre)

    Desgaste Prematuro..(acorta la vida de la mecha)

    Reduce la tasa de penetracin..(rendimiento pobre)

    Dao al BHA.......(roturas, fugas)

    Fallas de MWD/LWD..(daos por vibracin, no hay seal)

    Dao a la Sarta...... (latigueo, impactos contra el hoyo)

    7. Desgaste a la tubera. (abrasin - contacto con el hoyo)

  • Problemas causados por Vibracin Incontrolada (cont.)Incremento de torque de la sarta..(baja la eficiencia, el contacto con el hoyo reduce el torque de perforacion)

    Hoyo agrandado....(la mecha perfora un hoyo ms grande que su dimetro)

    Prdida de control direccional...(los estabilizadores pierden contacto con el hoyo agrandado)

    Pobre calidad del hoyo..(hoyo espiralado, geometra de reloj de arena, los estabilizadores se cuelgan)

    12. Mayores Costos de perforacin!!!

  • Tipos de Movimiento de una OndaUna onda longitudinal es una onda en la cual las partculas del medio se mueven en direccin paralela al sentido del movimiento de la onda. Cuando la energa se transporta de izquierda a derecha, las partculas del medio se desplazarn en ese sentido. Este tipo de onda es anlogo a una onda de compresin y est asociada a las Vibraciones Axiales

  • Tipos de Movimiento de una OndaUna onda transversal es una onda en la cual las partculas del medio se mueven en direccin perpendicular al sentido de la onda. Cuando la energa se transporta de izquierda a derecha, las partculas del medio se desplazarn hacia arriba y hacia abajo. Este tipo de onda es anlogo a las ondas de corte (shear) y est asociada a las Vibraciones Laterales

  • Propiedades del Movimiento Armnico SimpleLa Interferencia de Ondas es el fenmeno que se presenta cuando dos ondas se encuentran mientras viajan en el mismo medio. La interferencia de ondas provoca que el medio se deforme como resultado del efecto neto de las ondas individuales sobre las partculas del medio Interferencia Constructiva: las ondas presentan desplazamiento en la misma direccinInterferencia Destructiva: las ondas presentan desplazamiento en direcciones opuestas

  • Propiedades del Movimiento Armnico SimpleUna Onda Estacionaria es un patrn vibracional creado dentro del medio cuando la frecuencia vibratoria de la fuente contina emitiendo ondas desde un extremo del medio reforzando la incidencia de ondas en el medio de tal manera que el medio da la apariencia de no presentar movimiento. Tales patrones son creados solamente dentro del medio a especificas frecuencias de vibracin. Estas frecuencias son conocidas como Frecuencias Armnicas o, simplemente, Armonas A - Amplitud de la onda, tambien llamada Anti-Nodo

    B - Nodo (Sin Displazamiento)

  • Propiedades del Movimiento Armnico SimpleTodos los materiales tiene una frecuencia o frecuencias a las cuales tienden a vibrar cuando son golpeados o, de alguna manera, perturbados. Esto es conocido como la frecuencia natural del objeto. Si la amplitud de las vibraciones es suficientemente grande y la frecuencia natural del material esta dentro del rango audible humano, entonces el objeto emite ondas snicas que pueden ser escuchadasEl proceso de friccin (stick-slip) es suficiente para que las molculas de una copa de vidrio entren en vibracin a su frecuencia natural

  • Propiedades del Movimiento Armnico SimpleUn objeto vibrando a la misma frecuencia natural de un segundo objeto induce a ste a vibrar. Esto se conoce como Resonancia. Cualquiera que sea el sistema vibracional, si se presenta resonancia, el resultado es una vibracin de gran magnitudUna cabilla metlica vibrando induce al aire a su alrededor a vibrar y ocurre resonancia

  • Frecuencia = Velocidad/Longitud de Onda Las propiedades del material que afectan la frecuencia son:Inercia - la densidad del medio - Mientras ms grande la inercia, mas lenta la onda. Una onda de sonido viajar mas rpido en un material menos denso que en un material ms denso Elasticidad - Gobierna la interaccin entre las partculas del medio. Los slidos tienen ms interaccin entre las partculas que los lquidos, los que, a su vez, tienen ms interaccin que los gases. Las ondas longitudinales viajan ms rpido en slidos que en lquidos y gases. An cuando la inercia es muy pequea en los gases, la elasticidad tiene mucho mayor influencia sobre la velocidad de la ondaFactores que Afectan las Frecuencias Naturales

  • La sarta de perforacin es un sistema muy complejo. Existen por lo menos 9 frecuencias naturales presentes en una sarta tpica:Cuando una frecuencia de excitacin externa alcanza alguna de estas 9 frecuencias naturales, el componente entra en Resonancia, acumula energa y sufre deformaciones producto de las grandes cargas adicionales que actan sobre lFrecuencias Naturales enSartas de Perforacin

  • Medida de la Vibracin Las vibraciones ocurren y se repiten en espacios de tiempo fijos. La vibracin se puede medir en trminos de ciclos (o eventos) por segundo (Hertz) Rotando a 180 rpm:

    180 rpm/60 seg = 3 rpm/seg (ciclos/segundo)o 3 Hz 3 Hz es la Frecuencia de la mecha rotando a 180 rpm

    Chart1

    00

    30.25

    00.5

    -30.75

    01

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    0.83330

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    1.16660

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    1.74972

    1.8330

    1.9163-2

    20

    60 rpm

    180 rpm

    Time - sec

    Amplitude

    Frequency of RPM in the Time Domain

    Sheet1

    Time-sec60 rpm180 rpmTime-secMain Vib - 1hzFrequencyAmplitude

    0.0000000Torsional Vibrations - RPM in Stick-Slip

    0.2530.2530.50

    0.5000.5013Time-secSurface RPMBit RPM

    0.75-30.75-31.50090

    1.00010223100

    1.2531.2532.50780

    1.5001.503113100

    1.75-31.75-33.501780

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    0.1700.250090

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    0.3300.5020

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    0.7521.12529310

    0.8301.2501110

    0.92-21.375-2120

    1.0001.50140

    1.0821.6252Bit Surface Undulation1510

    1.1701.75017310

    1.25-21.875-2DegreeHeight18330

    1.330200019310

    1.422001012110

    1.5000.08331202220

    1.58-20.16660303240

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    2905

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    3105

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    Sheet1

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    30.250.25

    00.50.5

    -30.750.75

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    -31.751.75

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    1.8331.8330

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    220

    Main Vib - 1hz

    2x Harmonic - 2hz

    3x Harmonic - 3hz

    Time - seconds

    Amplitude

    Primary Vibration with Harmonics

    Sheet2

    0

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    3

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    1

    0

    0.3

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    0.1

    Amplitude

    Frequency - hz

    Amplitude

    Primary Frequency with Harmonics

    Sheet3

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    1003

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    8330

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    29310

    3090

    Surface RPM

    Bit RPM

    Time (sec)

    RPM

    Rotary Speeds During Stick-Slip

    60 rpm

    180 rpm

    Time - sec

    Amplitude

    Frequency of RPM in the Time Domain

  • Movimiento ArmnicoLa Vibracin Primaria tendr un Movimiento Armnico a una frecuencia mltiplo de la vibracin original con Amplitud menorVibracin Primaria a 1 Hz (un ciclo completo/seg)2x Armnico a 2 Hz = 2 x 1 Hz (2 ciclos completos/seg)3x Armnico a 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. El Movimiento Armnico Primario y los dems se interceptan en la Amplitud cero

    Chart2

    000

    30.250.25

    00.50.5

    -30.750.75

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    -31.751.75

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    1.2501.25

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    1.62521.625

    1.7501.75

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    220

    Main Vib - 1hz

    2x Harmonic - 2hz

    3x Harmonic - 3hz

    Time - seconds

    Amplitude

    Primary Vibration with Harmonics

    Sheet1

    Time-sec60 rpm180 rpmTime-secMain Vib - 1hz

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    2001.875-2

    20

    00

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    1.9163-1

    20

    Sheet1

    Sheet2

    60 rpm

    180 rpm

    Time - seconds

    Amplitude

    Frequency of Rotary RPM in the Time Domain

    Sheet3

    Main Vib - 1hz

    2x Harmonic - 2hz

    3x Harmonic - 3hz

    Time - seconds

    Amplitude

    Primary Vibration with Harmonics

  • Frecuencia Dominante de la VibracinAdicionalmente a su Movimiento Armnico, la Vibracin se puede medir en trminos de la Frecuencia a la cual ocurre Frecuencia DominanteVibracion Primaria a 1 Hz.2x Armnico a 2 Hz3x Armnico a 3 Hz4x Armnico a 4 HzTpicamente la Amplitud de la vibracin armnica disminuye a medida que aumenta la frecuencia

    Chart1

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    2

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    Amplitude

    Frequency - hz

    Amplitude

    Primary Frequency with Harmonics

    Sheet1

    Time-sec60 rpm180 rpmTime-secMain Vib - 1hzFrequencyAmplitude

    0000000

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    1.74971

    1.8330

    1.9163-1

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    Sheet1

    Sheet2

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    60 rpm

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    Time - seconds

    Amplitude

    Frequency of Rotary RPM in the Time Domain

    Sheet3

    Main Vib - 1hz

    2x Harmonic - 2hz

    3x Harmonic - 3hz

    Time - seconds

    Amplitude

    Primary Vibration with Harmonics

    Amplitude

    Frequency - hz

    Amplitude

    Primary Frequency with Harmonics

  • Nodos de Vibracin

  • Nodos de VibracinLa mecha y el buje del cuadrante (kelly bushing) actan como nodos o puntos de cero desplazamiento en la Sarta de Perforacin

    Severos Modos de vibraciones pueden presentarse pozo abajo pero no son detectados en superficie debido a que el Buje del cuadarnte es un Nodo

    Los Estabilizadores (convencionales y de rodillos) actan como nodos forzados de cero desplazamiento vibratorio

  • Tipos de Vibraciones AXIAL - paralela o a lo largo del eje de la Sarta de Perforacin (Movimiento hacia arriba y hacia abajo): Rebote de la Mecha Martilleo Estiramiento y compresin de la tubera LATERAL - perpendicular al eje de la Sarta (Movimiento de 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

  • Acoplamiento de VibracionesCuando otros tipos o modos de vibraciones se empalman a la Vibracin Primaria ocurre un acoplamiento. Las vibraciones secunadarias pueden ser inducidas por la primaria o ser creadas por otras fuerzas de excitacion externas

    Los Acoplamientos de Vibraciones ms comunes son:

    Axial + Lateral Lateral + Axial Torsional + Axial + Lateral

  • Vibraciones AxialesLa situacin extrema cuando la sarta vibra en el modo Axial es el Zapateo de la mecha. La mecha pierde contacto momentneo con el fondo del hoyo rebotando contra el mismo.

    El rebote de la mecha es usualmente asociado con las mechas tricnicas porque su mecanismo de perforacin es en compresin usando la carga axial (WOB). La compresibilidad de la roca crea una resistencia (reaccin Newton) que produce una onda axial que viaja de regreso a lo largo de la Sarta.

    Cuando estas vibraciones axiales alcanzan la frecuencia natural de los Drill Collars, el sistema entra en resonancia y resulta una vibracin del modo axial y la mecha se levanta cclicamente del fondo.

    La Resonancia de la Sarta puede ser el resultado de otras frecuencias de excitacin, como las bombas de lodo, perforadores automticos, etc.

  • Vibraciones Axiales1) Dao a la Mecha Dientes/Cortadores astillados o rotos Dao a cojinetes/sellos debido a impactos cclicos Fallas prematuras/Desgaste acelerado

    2) Fallas del BHA/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 de perforacin. Desgaste acelerado de la mecha Viajes adicionales para cambio de mecha Prdida de Tiempo/Gasto en pescasEste modo de Vibracin produce:

  • 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 tubera Vibraciones 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

  • Vibracin Axial - Remedios1) Cambie la(s) frecuencia(s) de las fuerzas de Excitacin: Aumente las RPM - esto crea un desarreglo entre la frecuencia de la mecha y la frecuencia natural de la tubera Reduzca el WOB - el Punto Neutro se mueve ms bajo en el BHA. Esto cambia la longitud de la frecuencia natural de algunos elementos del BHA (de compresin a tensin) Cambie el Caudal de las Bombas - mueve la frecuencia de las bombas lejos de la frecuencia natural del BHA

    2) Cambie el Diseo del BHA Cambie la longitud de los componentes del BHA - es el aspecto que ms afecta la frecuencia natural Agregue un Amortiguador (Shock-Sub, Thruster) o Motor de Fondo - esto desacopla las vibraciones de la mecha de las del BHA y viceversa

    3) Empiece de Nuevo - re-establezca un nuevo patrn de fondo con la mecha

  • Vibracin Lateral - WhirlSon inducidas por impactos laterales a la mecha, al BHA y/o a la tubera de perforacin. En su condicion extrema (remolino o Whirl), la mecha y/o el BHA empiezan a rotar alrededor de un punto diferente al centro geomtrico del componente. El whirl esta ms asociado con las mechas PDC pero tambin se presenta en mechas de conos

    Las mechas en whirl forman un patrn de fondo lobulado y perforan ineficientemente debido a esa inestable condicin dinmica

    El whirl del BHA puede comenzar con el pandeo de los Drill Collars debido a excesivo peso sobre la mecha o a imbalance de masa creando el movimiento descentrado

  • Frecuencia de la Mecha en WhirlN = cantidad de aletas o de conos de la mecha (2 or 3)

    L = cantidad de lbulos del fondo creados por el whirl extremo = N+1 (cantidad de impactos por revolucion de la mecha)

    Frecuencia del Whirl = (RPMxL)/60seg/minEjemplo:5 aletas 180 rpmN = 5L = 6Frecuencia del Whirl= (180 x 6)/ 60 sec/min= 18 HzMovimiento Armnico Potencial:Whirl 2x= 36 hzWhirl 3x= 54 hzNota: No existen datos de campo que apoyen esta hiptesis!

  • Tipos o Modos de WhirlPareddel HoyoTuberaCentro deRotacinDireccin delMovimientoWhirl hacia adelante - el centro de rotacin se mueve en el sentido de rotacin del BHAWhirl inverso - el centro de rotacin se mueve en sentido contrario a la rotacin del BHA. Asociada con las mechas de conos y con exceso de WOBWhirl intermitente - el centro de rotacin cambia constantemente de sentido. Frecuentemente es el resultado del acoplamiento con vibracin torsional (Stick-Slip)

  • Vibraciones Laterales1) 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 sensores electrnicos, 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 MWDEste modo de Vibracin produce:

  • Vibraciones Laterales

  • Detectando la Vibracion Lateral1) Casi Imposible de ver en la superficieCasi nunca alcanza la superficie, amortiguada por la pared del hoyo. No hay sonido ni movimiento en la mesa rotaria Herramientas de Deteccin de Fondo Solo se pueden detectar con sensores de fondoLa tecnologa actual no puede diferenciar entre whirl de la mecha y el del BHA, o si es hacia adelante, inverso o intermitente

    Respuesta no-lineal al aumento de las RPM - agravando la condicin del whirl. Los cortadores no llegan a morder la roca, cayendo la ROP

    4) Fallas del MWD - estas herramientas son vulnerables a los impactos laterales. Normalmente son diseadas para absorver vibraciones axiales

    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

  • Vibracin Lateral - Remedios1) Comience de Nuevo Re-establezca el patrn de fondo del hoyo, usando baja RPM y aumentando el WOB.

    2) Cambie los parmetros para prevenir el whirl El whirl puede ser inducido con las intercalaciones duras, especialmente en pozos muy inclinados - reduzca las RPM, aumente el WOB con anticipacin El exceso de WOB puede pandear el BHA e iniciar un whirl invertido

    3) Use una Mecha ms Estable

    4) Incremente la estabilizacin del BHA - agregue estabilizadores y drill collars ms pesados para restringir la tendencia al whirl

  • Vibraciones TorsionalesSon creadas por fuerzas rotacionales almacenadas en la mecha, el BHA y la tubera de perforacin. En su condicin ms extrema, llamada Stick-Slip, la mecha y/o los estabilizadores muerden la pared del hoyo y reducen la rotacin del componente a casi cero. El mismo mecanismo contina supliendo energa de rotacin que es acumulada en forma de torque en la sarta. Eventualmente el torque almacenado excede la fuerza de agarre y el componente (mecha y/o estabilizador) se libera con una alta aceleracin, disipando el torque almacenado. El Stick-Slip es ms asociado a las mechas PDC debido a que su mecanismo de perforacin por cizallamiento utiliza energa torsional, pero tambin puede presentarse en mechas de conos, estabilizadores y en la tubera de perforacin en pozos desviados

  • Vibraciones TorsionalesLas vibraciones torsionales pueden seriniciadas por vibraciones axiales

  • Movimiento Armnico en Vibraciones TorsionalesStick-Slip es una resonancia torsional en la sarta de perforacin. Acoplada a vibraciones laterales puede fcilmente excitar whirl en el BHA (hacia adelante, invertido o intermitente)

  • Medida de la Vibracin TorsionalEste modo de vibracin se presenta ms frecuentemente con mechas PDC grandes y/o desbalanceadas, con BHAs poco estabilizados y cuando se perfora con bajas RPMComo la frecuencia del Stick-Slip es tan pequea (
  • Vibraciones Torsionales1) 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)Este modo de Vibracin produce:

  • Detectando la Vibracion Torsional1) Medidores/instrumentos de medicin de Torque Detectores de torque de alta velocidad Medidores del diferencial de torque (High Delta Torque) Fluctuaciones de torque (Max/Min) medidas en lapsos pre-determinados (ej.: cada 2 segundos) Ruido - zumbido audible del TopDrive o del malacate, repitindose en lapsos iguales (tubera acumulando torque)

    2) RPM en la Superficie las variaciones en las RPM corresponden con la tendencia del torque hoyo abajo

    3) Herramientas detectoras de vibraciones de fondo detectan e identifican la vibracin torsional

  • Vibracin Torsional - Remedios1) Incremente las RPM Cambia la frecuencia de la excitacin generada por la rotacin

    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 base agua, reduciendo las fricciones y el stick-slip Aditivos, jabones, etc. se usan para reducir la friccin

    4) Estabilizadors con aletas de Rodillos en el BHA ofrecen menor torque que los estabilizadores convencionales y casi la misma estabilizacin

  • Vibracin Torsional - Remedios(cont.)5)Sistemas Soft-Torque - reducen la potencia del TopDrive cuando se detecta stick-slip

    6) Corra un Motor de Fondo mas estabilidad con la fuente de rotacin ms cerca de 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 transporte de los ripios generados