14 diseño de sartas de perforación y bha

Programa de Entrenamiento
Acelerado para Supervisores
DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA
Schlumberger Private
Diseño de Sartas de Perforación
Y de Herramientas de Fondo

REFERENCIAS
· API RP 7G Diseño de la Sarta de Perforación y Límites
de Operación
· API SPEC 7 Especificaciones para los Elementos de la
Perforación Rotaria
· API SPEC 5D Especificaciones para la Tubería de
Perforación
· SLB Manual de Diseño de la Sarta de Perforación
· TH Hill DS-1 Diseño de la Sarta de Perforación
· WCP Recomendaciones para Diseño de la Herramienta
de Fondo para Minimizar el Esfuerzo por Doblamiento.

• Objetivos:
Al finalizar esta sección USTED será capaz de describir:
1. Las funciones de la tubería de perforación, de los lastra barrena y de la
Herramienta de Fondo, BHA
2. Los Grados de acero para TP y las propiedades de resistencia
3. Los tipos de rosca y de acople para conectar la TP
4. El peso de los DC y el punto neutral
5. Los métodos de diseño de la Sarta de Perforación(para los esfuerzos de
doblamiento, torsión yTensión
6. El Margen de Sobre Tensión, MOP
7. Diseño de Sartas para pozos Horizontales
8. Calculos de Torque y Arrastre
9. Diseño de Sartas con el mínimo Torque y Arrastre
10. Problemas con la sarta (roturas, particiones en rotación y mecanismos de fatiga)
11. Métodos y Técnicas de Inspección

•• Funciones de la Sarta de Perforación
1. Transmitir rotación a la barrena
2. Transmitir y soportar cargas axiales
3. Transmitir y soportar cargas de torsión.
4. Colocar el peso sobre la barrena para perforar
5. Guiar y controlar la trayectoria del pozo
6. Permitir la circulación de fluidos para limpiar el
pozo y enfriar la barrena
DP
DC WOB
WOB
Drillstring Design
La sarta de perforación es el enlace mecánico que conecta
a la barrena de perforación que está en el fondo con el
sistema de impulsión rotario que está en la superficie.
La sarta de perforación sirve para las siguientes funciones:

Diseño de la Sarta de Perforación
REQUIERE DE DISEÑO MECÁNICO
REQUIERE DE DISEÑO DIRECCIONAL
1. Transmitir rotación a la barrena
2. Transmitir y soportar cargas axiales
3. Transmitir y soportar cargas de torsión
4. Colocar el peso sobre la barrena para perforar
5. Guiar y controlar la trayectoria del pozo
6. Permitir la circulación de fluidos para limpiar el pozo y
enfriar la barrena
REQUIERE DE DISEÑO HIDRÁULICO

Diseño Mecánico
· Se cubre al final
· Describe las limitaciones de la tubería de
perforación y de los collares a los esfuerzos de:
· Tensión
· Sobre-Tensión Permisible
· Estallido
· Colapso
· Torsión
· Pandeo

Diseño Direccional
· Es cubierto primero
· Describe la tendencia de la sarta de perforación a
causar la desviación del hoyo hacia una
predeterminada dirección

Diseño Hidráulico
· Describe la influencia que tiene la geometría
interna y externa de la sarta sobre las pérdidas
friccionales en un sistema circulante de fluidos
· Se discute en la sección sobre Mecánica de
Fluidos del curso
· El análisis recomienda el uso de TP de 5 ½” o
6-5/8” para pozos ultra profundos y la conexión
de la TP con la espiga hacia arriba para
mejorar la hidráulica en la perforación de
pozos someros

Estudio de la Sarta de Perforación
Funciones
Componentes Básicos:
1. Tubería de Perforación, DP
2. Lastra barrena, DC
Accesorios de la Sarta:
– Tubería de perfoación Pesada
– Estabilizadores
– Escariadores
– Equipo para control direccional

La Barra de Tranmisión Rotatoria (Kelly) /
Impulsador de Rotación en el Tope de la Sarta (Top Drive)
En rigor ni la Kelly ni el Top Drive
son componentes de la Sarta de
Perforación.
Sin embargo, ellos proporcionan uno
de los requerimientos esenciales
para la perforación al triturar las
rocas cual es la rotación.

La barra de transmisión rotatoria (Kelly)
Es el vínculo entre la mesa rotaria y la sarta de perforación
• Transmite rotación y peso sobre la barrena
• Soporta el peso de la sarta de perforación
• Conecta la unión giratoria (swivel) con el tramo
superior de la sarta de perforación
• Conduce el fulido de perforación desde la cabeza
giratoria hacia la sarta de perforación
La Kelly se fabrica en longitudes de 40 a 54 pies y con sección
transversal hexagonal (la más común), cuadrada o triangular.

Válvulas de la Kelly
Por lo general se instalan dos válvulas de seguridad
en la Kelly, una conectada a la rosca de caja en el
tope y otra a la rosca macho en su parte inferior.
Ambas válvulas se emplean para cortar el flujo a
través de la sarta en el evento de un influjo del pozo.
Son válvulas operadas manualmente

El Top Drive
Es basicamente una combinación de mesa rotaria y Kelly.
Está impulsado por un motor independiente y le imprime rotación
a la sarta de perforación a la cual está conectada en forma directa
sin necesidad de una kelly o de mesa rotaria It is powered by a
separate motor and transmits rotation to the drill string directly
without the need for a rotary table. Funciona como una Kelly con
impulso rotacional propio
Ventajas del Top Drive sobre el sistema de Kelly:
1. Permite circular mientras se repasa el hoyo hacia arriba
2. Se puede circular el pozo mientras se baja o se saca la
tubería en paradas (tramos dobles o triples)
3. El sistema de kelly sólo puede hacer lo anterior en tramos
sencillos; o sea de 30 pies

Drill pipe
GRADO
• El grado de la tubería de perforación describe la
resistencia mínima a la cedencia del material.
• En la mayoría de los diseños de sarta de perforación,
se opta por incrementar el grado del material (acero) en
lugar de aumentar el peso del tubular.

Grados de la Tubería de Perforación
Cedencia
Promedio
Cedencia
Grado Mínima
D or D-55 55,000 65,000
E or E-75 75,000 85,000
X or X-95 95,000 110,000
G or G-105 105,000 120,000
S or S-135 135,000 145,000

Clasificación de la Tubería de Perforación
Basada en la publicación API – R P7G
A diferencia de la tubería de revestimiento y la tubería de producción,
que normalmente se usan nuevas, la tubería de perforación
normalmente se utiliza ya usada. Por lo tanto tiene varias clases:
New: Sin desgaste. No ha sido usada antes
Premium: Desgaste uniforme y el espesor de pared remanente
es por lo menos un 80% del tubular nuevo.
Class 2: Tubería con un espesor de pared remanente de al
menos 65% con todo el desgaste sobre un lado con lo
que el área seccional es todavía premium
Class 3: Tubería con espesor de pared de al menos 55% con
el desgaste localizado sobre un lado.
Nota: El RP7G tiene diferente especificación…!!! (página 115)

Tubería de Perforación
Un tramo de DP es un ensamblaje de tres componentes:
• Un cuerpo tubular de acero con extremos lisos y
• Dos conexiones de acople fuerte - una en cada
extremo.
Los acoples en los extremos (Tool Joint) se unen al
cuerpo del tubo de dos maneras:
• Enroscados
• Soldados o embonados al tubo con arco
eléctrico en el horno
El acople inferior se conoce como Macho o Espiga
El acople superior se denomina Caja o Hembra.
La conexión entre dos tramos se logra al enroscar la espiga
dentro de la caja

Pesos de la Tubería de Perforación
Al referirse a los pesos de la tubería de perforación, hay tres que
son importantes:
Peso del tubular con Extremo Planos – Se refiere al peso por
pie del cuerpo del tubo, sin acoples.
Peso Nominal - Se refiere a una norma obsoleta. (Peso de un
tubo de Rango I con conexiones) actualmente se usa para
referirse a una clase de tubo de perforación.
Peso Aproximado – El peso promedio por pie del tubo y de las
conexiones de un tubo Rango II. Este peso aproximado es el
número que se debe usar en los cálculos de la carga del
gancho.

Peso Aproximado Ajustado
• El peso nominal es un número de referencia pero no exacto. Se
emplea para especificar el tubular, y se refiere tan sólo al cuerpo.
• El peso Ajustado incluye el cuerpo del tubo y el de los acoples
en los extremos. Es mayor que el peso nominal por tener,
• el peso extra de los acoples y
• metal adicional que se agrega en los extremos del tubo par
aumentar la rigidéz.
• El espesor adicional agregado en los extremos se denomina
“Refuerzo” y su función es reducir la frecuencia de fallas del
tubular en los puntos donde se une a los acoples.
• Los refuerzos a su vez puede ser de tres tipos: Refuerzo Interno
(IU), Refuerzo Exterior (EU) y Refuerzo Interno y Externo (IEU)

Cálculo de los Pesos Ajustados
= ´ +
Wt ft peso DP approx wt tool jo
/ . 29.4 . . int
´ +
Wt 29.4
Wt
DP Adjusted ToolJt Approx
L
ToolJtAdj
Wt ft
tool jo adjusted length
+
=
+
29.4
/
29.4 int

Cálculo de los Pesos Ajustados
Nom upset Wt
2 2 3 3
= ´ - + ´ -
Wt 0.222 L D d 0.167
D D
2
- ´ ´ -
+2.253´ -
= ….(3)
29.4
Wt TubeWt DP Adj = +
( ) ( )
( ) TE
Tool Jt Adj TE
d D D
0.501
L= combined length of pin and box (in) D= outside diameter of pin (in)
d= inside diameter of pin (in) DTE= diameter of box at elevator upset (in)
Datos de la Especif API 7 Fig 6 Tabla 7
….(1)
….(2)
Datos del API 5D
( ) ft
L D D
L TE
Tool Jt Adj 12
Datos de la Especif 7 Fig 6 Tabla 7

Ejemplo DP - 01
Calcular el peso ajustado aproximado del cuerpo
del tubo con acople incluído para una tubería de
perforación de 5 pulg. OD, 19.5 lbm/pie, grado E
con conexión NC50 y acople tipo IEU (con refuerzo
interno y externo) y dimensiones 6.375pulg. OD x
3.5 pulg. ID.

PASO 1: Drill Pipe adjusted weight of drillpipe
Nom upset Wt
upset weight
29.4
lbm
= plain end weight +
ft
8.6
1
p
_
5 4.276
4 2 3
Ejemplo DP - 01
29.4
Wt TubeWt DP Adj = +
De la Tabla 7 de la especificaciones para Tubería de Perforación ( API SPEC 5D):
• El peso del refuerzo en acople IEU para tubería de 5pulg. 19.5 lbm/ft es 8.6 lbs.
• El diámetro interno en el cuerpo del tubo, ID es 4.276pulg.
( )
lbm
ft
ft
in
in
29.4
489 .5
144
2
= 2 - 2 2 ´ ´ +
= 17.93 + 0.293 = 18.22 lbm / ft

Información del API RP7G

Información del API 5D

2 2 3 3
= ´ - + ´ -
Wt 0 .222 L D d 0 .167
D D
2
- ´ ´ -
Refiriéndose a la tabla API RP7G , el acople NC50, 6.375” OD, 3.5” ID para
una tubería con peso nominal 19.5 lbm/ft está disponible en Grado X-95
unicamente (ver columnas 4, 5 y 6 de la Tabla ).
L = 17 pulg, DTE = 5.125 pulg, D = 6.375 pulg, y d = 3.5 pulg
Peso Ajustado aproximado del acople:
= 0 2 2 2 ´ 1 7 ((6 3 7 5) - (3 5) ) 2 2 . . .
+ 0 1 6 7 ((6 3 7 5 ) - (5 1 2 5) ) 3 3 . . .
- 0 5 0 1 ´ (3 5) (6 3 7 5 - 5 1 2 5) 2 . . . .
= + -
107.15 20.79 7.67
=
120.27lb
Ejemplo DP – 01
Paso 2: Peso Ajustado del Acople
( ) ( )
( ) TE
Tool Jt Adj TE
d D D
0 .501

Ejemplo DP – 01
. . . =1.651 ft
18 22 29 4 120 26
´ +
Wt 29.4
Wt
DP Adjusted ToolJt Approx
L
ToolJtAdj
+
PASO 3: Longitud ajustada por los acoples
( )
=
L + ´ D - DTE 2 253
12
.
( )
=
17 + 2 253 ´ 6 375 - 5125
12
De aquí que el peso ajustado del cuerpo del tubo con
los acoples será:
=
´ +
. . .
+
1 . 651 29 .
4
29.4
= 20.89 lbm / ft
Wt ft
=
/
Que es el mismo valor al indicado en la Tabla 8 pag 12 del API – RP7G

API RP 7G
• Tabla 1-3 Datos de Tubería Nueva
• Tabla 4-5 Datos de Tubería Clase Premium
• Tabla 6-7 Datos de Tubería Clase 2
• Tabla 8 Datos de Acoples de tubería
• Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexión
• Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforación)
• Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste
• Fig 26-32 Datos de Rigidéz (BSR) de los DC

Acoples
Todas los acoples API tienen un punto de cedencia mínimo de
120,000 psi independientemente del grado de la tubería de
perforación en la que se usen (E, X, G, S) .
API fija la resistencia a la torsión del acople en 80 % de la
resistencia a la torsión del tubo: Esto equivale a una razón de
resistencia a la torsión de 0.8.
El torque para conectar se determina por el diámetro interno del
pin y el diámetro externo de la caja. El torque de conexión es
60 % de la capacidad de torsión del acople. La ecuación para
determinar la fuerza de conexión se puede obtener del
apéndice de API RPG7. ( Numeral A.8.2 ). Esta ecuación es
bastante compleja, así que API desarrolló una serie de tablas
para encontrar el torque de conexión recomendado para
cualquier conexión si se tiene el diámetro externo de la caja y
el diámetro interno del macho para la junta. Estas tablas se
pueden encontrar en API RP 7G ( Figuras 1 a 25 )

Ejemplo DP – 02
Usando las tablas 2 y 4 de API RP7G ¿cuál deberá ser el
torque de conexión de tubería de perforación Nueva y
Premium de 5” 19.5 ppf G105 y S135?
¿Cómo se comparan estos valores con los valores
reportados en la Tabla 10?

Ejemplo de Gráficas de Torque de Conexión

Ejemplo de Tablas de Torque de Conexión

Repita el Ejercicio 2 usando las Tablas
y Gráficas de Torque de Conexión

Conexiones en la Sarta de Perforación
Estilos y Formas de Rosca o Cuerda
a) NC
b) REG
FH
c) SST
d) IF
XH
PAC
OH
SH
DSL
e) H-90
0.038”
0.025”
0.057”
0.015”
0.025”
f) WEDGE
THREAD
V-038R
V-040
V-050
SST (PINS)
V-038R
(BOXES)
V-065
H-90
WEDGE
THREAD
Estilos
Formas

Conexiones en la Sarta de Perforación
El tamaño de una conexión rotatoria con hombro se refiere a su diámetro de paso en punto de
calibre a 5/8 de pulgada desde el hombro y se especifica NC (XY)
NC (Conexión Numerada)
Es el estilo de cuerda (rosca) más común en la tubería de perforación.
La rosca tiene una forma de V y se identifica por el diámetro de paso,
medido en un punto que está a 5/8 de pulgada desde el hombro.
El Número de Conexión es el diámetro del paso multiplicado por 10 y
truncado a los dos primeros dígitos = XY
5/8”
DIÁMETRO DE PASO DE PUNTO DE CALIBRE
XY

Si el diámetro de paso es 5.0417 pulgadas à Esta es una conexión NC50
Multiplique 5.0417 por 10 ® 50.417
Escoja los primeros dos dígitos ®50
Por lo tanto, la conexión numerada será: NC 50
Hay 17 NC’s en uso : desde la NC-10 (1-1/16”) hasta la NC-77 (7 ¾”)
Conexiones Numeradas
para Sarta de Perforación
Tamaños típicos de Conexión Numerada, NC:
NC 50 para acoples con diámetro externo de 6 ½” de la tubería de Perf. de 5”
NC 38 para acoples con 4 3/4” OD en tubería de perforación de 3 ½” .

NC 26 NC 31 NC 38 NC 40 NC46 NC50
IF 2-3/8 2-7/8 3-1/2 4 4-1/2
FH 4
XH 2-7/8 3-1/2 4-1/2 5
DSL 3-1/2 4-1/2 5-1/2
SH 2-7/8 3-1/2 4 4-1/2
Ejemplo de Conexiones Intercambiables
Int Flush
Full Hole
Extra
Hole
Dbl
Streamline
SLIM HOLE
Ext Flush
EF 4-1/2

Los Lastra Barrena, DC
Los Collares (ó Lastra barrenas) tienen las siguientes funciones
en la sarta de perforación:
• Protegen la Sarta de perforación de Doblamiento y la Torsión
• Controlan la dirección y la inclinación de los pozos.
• Para perforar pozos rectos y pozos verticales.
• Reducen las “patas de perro”, asientos de llave y salientes.
• Aseguran que la sarta de revestimiento sea bajada exitosamente
• Mejoran el desempeño de la barrena.
• Reducen la perforación irregular, tubería pegada y brincos.
• Como herramientas de pesca, para pruebas de formación y en
operaciones de terminación del pozo.

Lastra Barrena (DC)
DC Liso DC Espiralado
1. Los dos tipos de lastra barrena son
ampliamente utilizados.
2. En áreas con posibilidad de que ocurra
pega diferencial de la sarta se deben
emplear (DC) y tubería de perforación
pesada (HWDP) con superficie exterior
espiralada para reducir el área de
contacto con la formación.

Tamaños API de los Lastra Barrena

Tamaños API de los Lastra Barrena
OD ID Range Weight Range OD ID Range Weight Range
ppf ppf
2 7/8 1 - 1.5 16 - 19 6 1/4 1.5 - 3.5 72 - 98
3 1 - 1.5 18 - 21 6 1/2 1.5 - 3.5 80 - 107
3 1/8 1 - 1.5 20 - 22 6 3/4 1.5 - 3.5 89 - 116
3 1/4 1 - 1.5 22 - 26 7 1.5 - 4 84 - 125
3 1/2 1 - 1.5 27 - 30 7 1/4 1.5 - 4 93 - 134
3 3/4 1 - 1.5 32 - 35 7.5 1.5 - 4 102 - 144
4 1 - 2.25 29 - 40 7.75 1.5 - 4 112 - 154
4 1/8 1 - 2.25 32 - 43 8 1.5 - 4 122 - 165
4 1/4 1 - 2.25 35 - 46 8 1/4 1.5 - 4 133 - 176
4 1/2 1 - 2.25 41 - 51 8 1/2 1.5 - 4 150 - 187
4 3/4 1.5 - 2.5 44 - 54 9 1.5 - 4 174 - 210
5 1.5 - 2.5 50 - 61 9 1/2 1.5 - 4 198 - 234
5 1/4 1.5 - 2.5 57 - 68 9 3/4 1.5 - 4 211 - 248
5 1/2 1.5 - 2.8125 60 - 75 10 1.5 - 4 225 - 261
5 3/4 1.5 - 3.25 60 - 82 11 1.5 - 4 281 - 317
6 1.5 - 3.25 68 - 90 12 1.5 - 4 342 - 379

Selección de los lastra barrena
• Proveen el máximo peso con la mínima longitud (manejo)
• Máximo OD; Mínimo ID
• Tienen resistencia a la compresión
•Conexiones Balanceadas
• Estabilidad en vibración, bamboleo y saltos
• Gran masa para resistir los efectos de inercia y de
rueda volante
• Rigidéz para trayectorias direccionales
• La sarta no estará demasiado pandeada o recostada
• Condiciones de pesca
• Los conectores macho (pin) son más débiles
• Espacio suficiente en los díametros OD/ID para
acomodar los pescadores internos y externos

Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa (HWDP)
HEAVY-WALLED DRILL PIPE (HWDP)
Tiene el mismo diámetro externo que la tubería
de perforación normal pero el diámetro
interno es mucho más reducido
(normalmente 3”) y un refuerzo en la mitad
del cuerpo del tubular del tamaño de los
acoples para resistir el desgaste por abrasión
contra la pared del hoyo.
Se usa entre tubería de perforación normal y los
lastra barrena para permitir que haya una
transición suave entre los “módulos de
sección” de los componentes de la sarta de
perforación.

Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa
Opciones de Selección
a) Lisa
b) Espiral
(HWDP)

Control Direccional de la Trayectoria
· Los pozos se mueven debido a las
fuerzas que actúan sobre la barrena.
· La rotación provoca caminado o
efecto de tirabuzón
· El combamiento provoca fuerzas
laterales
· Aplica fuerzas laterales sobre
la barrena o la desgasta con
afilado en la punta
· La gravedad siempre ejerce una
fuerza que jala hacia abajo
· Los pozos desviados tienden
a reducir el ángulo construído

Control Direccional
CONFIGURACIONES ESTÁNDAR DE HERRAMIENTA DE FONDO
Todos los pozos ya sean verticales o desviados
requieren un diseño cuidadoso de la herramienta de
fondo para controlar la dirección del pozo con el
propósito de lograr los objetivos del blanco.
El principal medio para mantener el control de la
dirección en un pozo es por medio del posicionamiento
efectivo de estabilizadores dentro de la herramienta de
fondo, BHA.

Estabilizadores
Razones para usar estabilizadores:
1. Se usan como el método fundamental para controlar el
comportamiento direccional de la mayoría de las
herramientas de fondo.
2. Ayudan a concentrar el peso de la herramienta de fondo
sobre la barrena.
3. Reducen al mínimo el doblamiento y las vibraciones que
causan el desgaste de los acoples y dañan los componentes
de la herramienta de fondo tales como los MWDs.
4. Reducen el torque de perforación al evitar que haya contacto
del collar con las paredes del pozo y los mantiene
concéntricos dentro del hoyo.
5. Ayudan a evitar el que la tubería se pegue por presión
diferencial y también la formación de asientos de llave.

Estabilizadores
Tipos de Estabilizadores y Aplicaciones :
1. Camisa Reemplazable Valioso en donde la logística es un
problema
2. Cuchilla Soldada Para Pozos diámetro grande y en
formaciones blandas
3. Cuchilla Integral Durabilidad máxima para aplicaciones
rudas. Los de mayor uso en la actualidad
4. Camisa no rotaria Para formaciones muy duras o abrasivas
5. Escariador de rodillos Para formaciones duras

Estabilizadores
Tipos de Estabilizadores

Escariadores de Rodillos

Control Direccional
Principios Básicos del Control Direccional en Perforación
1. El Principio de Fulcrum – Se usa para construir el ángulo
(incrementar la inclinación del agujero)
2. El Principio de Estabilización – Se usa para mantener el
ángulo y la dirección
3. El Principio del Péndulo – Se usa para hacer caer (reducir)
el ángulo.

Control Direccional
El Principio Fulcrum:
Un ensamblaje con un Estabilizador Cercano a la Barrena y de pleno calibre,
seguido por 40’ – 120’ de lastra barrena antes del primer Estabilizador de
Sarta, o aún sin estabilizador de sarta, va a desarrollar un ángulo cuando se
aplica el peso sobre la barrena.
Por ejemplo en un pozo de 17 ½” utilizando collares de perforación de 9 ½” si el
primer estabilizador de la sarta se coloca a 90 pies de la barrena el ensamble
puede desarrollar de 2.0 a 3.5 grados por 100 pies. Al reducir la distancia se
disminuirá la tasa de construcción angular así:
Distancia NBS – Estabilizador de Sarta Desviación en grados esperada
(grados / 100 pies )
60 pies 1.5 – 2.5
45 pies 0.5 – 1.5
30 pies 0.5 – 1.0
Nota: En pozos de diámetros más pequeños utilizando lastra barrena más
pequeños la tasa de incremento angular será mayor.

Control Direccional
Otros factores que afectan la tasa de construcción de ángulo:
•Parámetros de Perforación:
•Un incremento en el peso sobre la barrena incrementará la
velocidad de construcción angular
•Un incremento en la velocidad de rotación reducirá la tasa de
aumento del ángulo
•Un aumento en el caudal en la bomba (gasto) en formaciones
blandas disminuirá la tasa de construcción angular debido a la
tendencia al lavado por erosión.
•Tipo de Formación y el ángulo del echado de los estratos.
•Inclinación del pozo.

El Principio de Estabilización –
Si hay tres estabilizadores colocados en la sarta de tal forma que el espaciamiento entre
ellos sea corto, la herramienta de fondo va a resistirse a seguir una curva y forzará la
barrena a perforar en una trayectoria relativamente recta. Las Herramientas de Fondo
con este tipo de configuración se llaman “Ensambles Empacados”.
El ensamble empacado estándar es:
Barrena – FG NBS – lastra barrena corto – FG Stab. – lastra barrena estándar – FG Stab
– lastra barrena estándar. ….
Otros ensambles empacados son:
Barrena – FG NBS – lastra barrena corto – UG Stab. – lastra barrena – FG Stab – lastra
barrena – FG stab.
Barrena – FG NBS – FG Estabilizador de Sarta - lastra barrena – FG Stab. – FG Stab. -
lastra barrena . ….
Control Direccional

Control Direccional
El Principio de Péndulo:
Como su nombre lo indica en un ensamble de péndulo la barrena
va a tratar de llegar a la vertical debido al efecto de péndulo. Este
ensamble se diseña colocando un Estabilizador de Sarta entre 15
y 60 pies distante de la barrena y no colocando un NBS ni de
pleno calibre ni de calibre reducido.
Si los lastra barrena entre el estabilizador y la barrena hacen
contacto con la pared del pozo la longitud del péndulo se va a
reducir y si se coloca demasiado peso sobre la barrena el
ensamble de péndulo de hecho podría empezar a construir
ángulo; por lo tanto, se requiere de una selección cuidadosa de
parámetros.

Control Direccional
Tipos de Ensamblajes de Fondo Rotacionales
• Ensamble de Péndulo --x---x------>
• Ensamble Empacado ---x---x---x-x>
• Ensamble para construir rotando ------x------x>
• Ensamble Dirigible
• Ensamble de Motor de Lodo con Acople Torcido

Herramientas de Fondo Típicas
STAB
Para Control Direccional
DRILL
COLLAR DRILL
DRILL
COLLAR
STAB
1.
SLICK
2.
PENDULUM
3.
BUILD
4.
PACKED II
5.
PACKED III
6.
PACKED IV
7.
PACKED V
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
STAB
DRILL
COLLAR
DRILL
COLLAR
STAB
DRILL
COLLAR
STAB
DRILL
COLLAR
FULL
GAUGE
STAB
STAB STAB
STAB
STAB
STAB STAB
STAB
STAB
STAB
STAB
SHOCK
SUB
SHOCK
SUB
SHOCK
SUB
SHOCK
SUB
SHOCK
SUB
SHOCK
SUB
FULL
GAUGE
STAB
FULL
GAUGE
STAB
FULL
GAUGE
STAB
PONY
PONY
PONY
DRILL
COLLAR

Diseño Mecánico
De la Sarta de Perforación

Diseño de La Sarta de Perforación
La sarta de perforación comprende:
· Tubería de Perforación operando en Tensión
· Tubería Pesada (HWDP) y a veces también la TP
· Operando en Compresión o en Tensión
· Lastra barrena de varios tamaños
· Por lo general operando en Compresión
· Accesorios tales como barrenas, estabilizadores,
motores, escariadores, fresas, martillos,etc, etc para
cumplir los objetivos de la perforación de
POZOS VERTICALES Y DE ÁNGULO MODERADO

Factores de Diseño para la Sarta de Perforación
Factor de Diseño por Tensión, rige que la tensión máxima
permisible en el sistema En SLB el DFt = 1.1
Margen de sobre tensión MOP, Capacidad de tensión en
exceso deseada por encima del peso colgante de la sarta en
la superficie. En SLB el MOP se fija entre 50K y 100K Lbs.
Exceso de Peso DFbha de la Herramienta de Fondo (BHA).
Cantidad de la Herramienta de Fondo en términos de peso
en exceso del peso usado para perforar para asegurarse de
que todas las cargas de compresión y de torsión se
mantengan en los lastra barrena. En SLB el Dfbha = 1.15

Factor de diseño por Torsión, No se requiere un factor de
diseño. Los acoples se ajustan hasta un 60% de su
capacidad torsional y están diseñados para resistir hasta
un 80 % de la capacidad de torsión del tubo. De esta forma
si el diseño limita el apretado del acople, hay un factor de
diseño adecuado construido dentro del sistema.
Factor de Diseño al Colapso, La capacidad en el cuerpo de
la tubería es considerada inferior para tomar en cuenta la
reducción en el esfuerzo a la tensión biaxial y en SLB se
usa un factor de diseño al colapso, DFc entre 1.1 y 1.15

Factor de Diseño para el Estallido Se consideran estallidos
simples sin tolerancia para efectos axiales. En SLB el factor
de diseño al estallido, DFB = 1.0
Factor de Diseño Para Pandeamiento, DFb En pozos muy
desviados es posible operar la tubería de perforación en
compresión, siempre y cuando no esté pandeada. El factor
de diseño al pandeamiento es análogo al factor para exceso
de peso del BHA ya discutido, DFbha para pozos rectos o
ligeramente desviados en el cual este factor tiene el efecto
de alargar el el BHA, el DFb reducirá el peso permitido para
perforar pozos altamente desviados

Proceso de Diseño de la Sarta de Perforación
· Diseño de los lastra barrena
· Diámetro externo máximo del DC que se pueda
manejar, pescar y usar para perforar.
· Selección de Conexiones
· Razón de Resistencia a la Flexión (BSR)
· Capacidad de torque
· Exceso de peso en la Herramienta de Fondo para
proveere el peso sobre la barrena WOB y mantener la
tubería en tensión
· WOB
· Estabilización

Proceso de Diseño de la Sarta de Perforación
· Fuerzas de aplastamiento de las cuñas sobre la
tubería de perforación
· Diseño de la Sobre Tensión aplicable en superficie
· Longitudes de las secciones de tubería de
perforación
· Revisión de Diseño para estallido
· Revisión de diseño contra el colapso por esfuerzos

Diseño Mecánico
De la Sarta de Perforación
Lastra barrena

Conexiones de los Lastra Barrena
Características de Liberación de Esfuerzos
• Las conexiones (roscas) de la tubería de perforación no tienen
características de liberación de esfuerzo puesto que el cuerpo flexible
se dobla fácilmente y absorbe la mayor parte del esfuerzo de
doblamiento que se aplica.
• Por lo tanto las conexiones de la tubería de perforación están sujetas
a menos doblamiento que el cuerpo de la misma
• En cambio DC y otros componentes de la herramienta de fondo son
mucho más rígidos que la tubería de perforación y en ellos gran parte
de los esfuerzos por doblamiento se transfieren a las conexiones.
• Estos esfuerzos por doblamiento pueden causar falla por fatiga en las
conexiones.

Fotografía de una Función del Perno de Liberación de Esfuerzos

Conexiones de los lastra barrena
¿Qué son las características de liberación de esfuerzo y cuándo se usan?
• Piñón (rosca macho) con ranura para alivio y conexión de caja
ensanchada son diseños especiales para aliviar o liberar esfuerzos en la
conexión.
• Las características de liberación de esfuerzos se deben especificar en
todas las conexiones de las herramienta de fondo tamaño NC-38 o
mayores.
• Estas características son benéficas también para la tubería pesada
HWDP.
• Las ranuras de liberación de esfuerzos en el pin no se recomiendan en
conexiones más pequeñas que NC-38 porque pueden debilitar la
resistencia a la tensión y la resistencia de torsión de la conexión.
• Las conexiones de caja ensanchada se podrían usar en las conexiones
más pequeñas.

Conexiones de los Lastra Barrena
Los efectos de los esfuerzos de
doblamiento sobre las conexiones se
pueden reducir al agregar
“RANURA PARA ALIVIO DE
ESFUERZOS” en el PIN y/ó
“ENSANCHADO EN EL DIÁMETRO
SUPERIOR DE LA CAJA”.

Selección de los lastra barrena ó DC
· Normalmente el DC con el diámetro externo más grande que se
puede correr con seguridad es la mejor opción.
· La rigidez mayor para resistir pandeamiento y tendencias de
dirección lisas.
· El movimiento cíclico está restringido debido a espacios más
reducidos.
· Se acorta la herramienta de fondo para
· Reducir el tiempo de manejo en la superficie
· Reducir la cantidad de conexiones (puntos de falla) en el
pozo.
· Disminuir la longitud de los DC en contacto con la pared
para reducir la exposición a que se pegue la tubería por
presión diferencial.

Diseño del Ensamblaje de Fondo, BHA
Los DC proporcionan Peso a sobre la Barrena
1. Los collares de perforación permiten colocar peso al apoyar
la sarta sobre la barrena porque pueden rotar en compresión
sin sufrir daños en las conexiones. Al mismo tiempo
mantienen a la tubería de perforación en tensión.
2. Los DC tienen una rigidez significativamente mayor cuando
se comparan con la tubería de perforación.
3. La tubería de perforación tiende a pandearse en compresión.
4. Un pandeo repetido va a hacer que haya una falla temprana
de la tubería de perforación.
5. La falla por fatiga de la tubería se puede eliminar si se
mantiene en condiciones de tensión constante.

Remember about Fishing

Módulo de la Sección para las Conexiones
El módulo de la Sección es un término refinado para referirse
al área y al grado de alejamiento de una forma de material
dividido por la distancia desde el extremo de la forma hasta el
punto donde los esfuerzos son cero

Z
Z
box
pin
box
Razón o Relación de Resistencia a la Flexión
· La razón de Resistencia a la Flexión es
la rigidez relativa de la caja con
respecto al perno de una conexión
dada.
· Describe el balance entre dos
miembros de una conexión y cómo es
probable que se comporten en un
ambiente cíclico de rotación.
4 4
-
( D b
)
D
4 4
( R d
)
p
32
32
4 4
-
( D b
)
D
4 4
-
R d
R
Z
BSR
R
Z
BSR
pin
( )
= =
-
= =
p
Donde:
Zbox = módulo de la sección de la caja
Zpin = módulo de la sección del perno
D = Diámetro exterior del perno y la caja
b = Diámetro de la raíz de la rosca de la caja al
final del perno
R = Diámetro de la raíz de la rosca de las roscas
del perno ¾ de pulgada del hombro del perno.
. d= diámetro interior o agujero.
( Ver el diagrama de la siguiente
lámina )
Se aplica a tanto a las conexiones y
a los cambios de diámetro de los
components de la sarta

Módulo de Sección para Conexiones
Para la caja, el diámetro interno es medido en la base de la
rosca, frente al extremo del pin, b
Para el pin, el diámetro Externo es medido en la raíz de la
rosca a una distancia de ¾” desde la cara o sello de espejo
del acople, R
Las dimensions son del API o de las especificaciónes del
fabricante de la conexión

Razón o Relación de resistencia a la Flexión
para las Conexiones
· Se dice que una conexión está balanceada
si la razón de resistencia a la flexión es 2.5
· Cuando la razón de resistencia a la
flexión es superior se tienden a ver
fallas de pernos o pines.
· Cuando la razón de resistencia a la
flexión es inferior se tienden a ver más
fallas en las cajas.
· Sin embargo, la experiencia en campo ha
mostrado que:
· Un collar de perforación de 8” que tiene
una razón de resistencia a la flexión de
2.5 normalmente falla en la caja.
· Un collar de perforación de 4-3/4” que
tiene una razón de resistencia a la
flexión tan baja como 1.8 muy rara vez
falla en la caja.

Razón o Relación de resistencia a la Flexión
para las Conexiones
Esta tabla está extraída de T.H. Hill & Associates Inc. Norma DS-1.

Directrices Adicionales para la Razón
de Resistencia a la Flexión
· RPM Elevadas, una Formación Blanda con collar de
perforación pequeño (8 pulgadas en un pozo de 12.25 o 6
pulgadas en un pozo de 8.25), 2.25-2.75
· RPM Bajas, formaciones duras, collar de perforación
grande (10 pulgadas en pozo12-1/4, 2.5-3.2 (3.4 si se
usa conexión tipo lo-torq)
· Formaciones Abrasivas, 2.5-3.0
· Cargas de choque o torque / barrenas bi-céntricas para
aplicaciones URWD URF ERD, 2.5-2.75

Función Lo-Torq
•La función “low torque”
consiste en quitar parte del
área del hombro del perno y de
la caja.
•Esto permite tener un torque
para conexión menor y
mantener una carga de hombro
adecuada.
•Es una característica común
en conexiones con diámetro
externo grande.

Razones BSR para
Conexiones
• Afortunadamente para
usted API ya ha resuelto el
problema.
• Las páginas 39-44 del API
RP7G dan una lista de las
razones de resistencia a la
flexión para conexiones de
acuerdo con el diámetro
externo e interno del DC.

Ejemplo de Tablas de Razón de Resistencia a la Flexión (Manual DS1 - T.H. Hill )

-
OD OD ID
upr lwr lwr
Relación de Rigidez para Transiciones
· Basados en experiencia de
campo, en una transición de un
tamaño de DC o tubería a otro, la
razón de rigidez (SR) no deberá
exceder
· 5.5 para perforación de rutina
· 3.5 para perforación en condiciones
severas o difíciles
( 4 4
)
( 4 4 )
lwr upr upr
lwr
upr
OD OD ID
Z
Z
SR
-
= =
Nota: Las razones de rigidez se calculan utilizando los diámetros externos y los diámetros internos de los tubos, no las conexiones.

Ejemplo DP-03 Razón de Resistencia a la Flexión
· Dado que vamos a perforar un pozo de 15
pulgadas, en un ambiente relativamente duro, de
perforación difícil, ¿qué collar API usted
recomendaría? ¿Cuál sería su recomendación
para la razón de resistencia a la flexión para la
conexión seleccionada y cuáles serían sus límites
en los diámetros interno y externo permisibles
para los collares?
· ¿Cuál sería la razón de rigidez entre el DC y la
tubería de perforación de 4-1/2? ¿Es aceptable?
¿Si no lo es, usted qué haría?

Diseño de la Herramienta de Fondo
Peso Mínimo de DC para colocar sobre la barrena y
mantener el Punto Neutral dentro del BHA
Max AvailableWt
1. Factor de Diseño para exceso de herramienta de fondo =1.15
2. El Punto Neutral (NP) a la tensión debe estar dentro de los
collares de perforación
= 1.15
Max WorkingWt

Peso de los lastra barrena y Punto Neutral
Tensión
Compresión
Punto
neutral
WOB de
Diseño
WOB WOB

Diseño de la herramienta de Fondo
BF = 1- (MW/65.5)
Procedimiento para selección de los lastra barrena:
1. Determine el factor de flotación para el peso del lodo que se está en
el pozo empleando la fórmula siguiente:
donde
BF = Factor de Flotación, adimensional
MW = Peso del lodo dentro del pozo, en lbs/gal
65.5 = Peso de un galón de acero, lbs/gal

Procedimiento para Seleccionar los collares de perforación:
2. Calcular la longitud de DC requerida para lograr el peso deseado
en la barrena:
Longitud del DC = 1.15* WOB / (BF*Wdc)
donde:
WOB = Peso deseado en la barrena, lbf (x 1000)
BF = Factor de flotación, adimensional
W dc = Peso del collar de perforación en el aire, lb/ft
1.15 =15% factor de seguridad.
El factor de seguridad de 15% asegura que el punto neutro
permanezca dentro de los collares cuando fuerzas imprevistas
(rebote, desviación pequeña y fricción del pozo) están presentes.

Procedimiento para selección de los lastra barrena:
3. Para pozos direccionales:
Longitud del DC = Longitud Vertical del DC / Cos I
donde: I = Inclinación del pozo
Observe que para los pozos horizontales los collares de perforación
no se usan normalmente y la selección de la herramienta de fondo se
basa totalmente en la prevención del pandeo.

Ejemplo DP-04
Cantidad y Tamaño de lastra barrena
Determine el tamaño y la cantidad de collares de perforación
de 9 pulgadas de diámetro externo por 3 pulgadas de
diámetro interno que se requieren para obtener un peso
sobre la barrena de 55,000 lbf, suponiendo
Desviación del pozo = 0°
Densidad de Lodo = 12 ppg

Ejemplo DP-04
Solución
Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotación
BF = 1- (12/65.5) = 0.817
Peso en el aire de los lastra barrena = 55,000/0.817
= 67,319 lbf
Por lo tanto, el peso en el aire requerido de los DC
deberá ser un 15% adicional para asegurar que el NP esté en el BHA
Peso de los DC = 67,319 x 1.15 = 77,416 lbf

Ejemplo DP-04
Suponga que los tamaños de lastra barrena disponibles
son DE x DI, 9”x 3”. De los cálculos, el peso por pie para
este tamaño es 192 lb/ft.
(La mayoría de los DC están en longitudes de 30 pies)
Un lastra barrena pesa = 30*192 = 5,760 lb
Cantidad de lastra barrena = 77,416 / 5,760
= 13.54
==> 14 Juntas
Continuación de la Solución

Límites de Torsión para los lastra barrena
· El torque está limitado por la conexión del DC
· Usualmente es mayor para la tubería en superficie y
menor para los lastra barrena de fondo
· Si el torque de ajuste en la conexión de los DC es mayor
que el torque de ajuste en la conexión de la tubería de
perforación no se deberán tener problemas rutinarios.
· El torque del BHA en cualquier punto no deberá exceder
de 80 % del torque de ajuste para las conexiones en el
pozo para evitar sobre apretar las conexiones lo cual
puede hacer que se dañen los sellos.
· Posible incremento del torque en la conexión
· Uso de lastra barrena con menor Diámetro Interno, ID
· Cambio de parámetros para reducir el torque en el BHA

Límites de torsión para los lastra barrena
DC< 7 in DC>7 in
PAC 79.5% N/a
H-90 51.1% 56.2%
TORQUE DE CONEXIÓN COMO
PORCENTAJE DEL TORQUE TOTAL
El torque de ajuste
recomendado por el API
para las conexiones es un
porcentaje de la cedencia
total a la torsión de la
conexión
API NC 56.8% 62.5%

Tablas de Torque de Ajuste para Conexión los DC

Límites de torsión para los lastra barrena
•Normativa del API
El torque de ajuste
del acople deberá ser
el 60% de la
resistencia del acople
a la cedencia que a
su vez es el 80% de
la cedencia torsional
en el cuerpo del tubo

Ejemplo DP-05
· Planeamos perforar un pozo recto de 16 pulgadas hasta 15,000 pies.
Anticipamos que la perforación va a ser difícil y deseamos usar 6,000 lb
por pulgada de diámetro para el peso de la barrena. El pozo se va a
perforar en lodo de 10 ppg. En existencia tenemos
· 10,000 pies de 5” S135 NC50 6 ½” X 2 7/8”
· 5,000 pies de 5” G105 NC50 6 1/8” X 3 3/8”
· 24 tramos de 5 pulg tubería HW, NC50, 6 5/8” X 2 ¾”
· 18 tramos de DC de 6 ¾” x 2 ½”
· 12 tramos de DC de 8” x 3”.
· 6 tramos de DC de 9” x 3”
· Si se necesita, se podrían rentar hasta 6 DCde perforación de 11” x 3”

Ejemplo DP-05 continuación
· ¿Qué sarta de DC recomendaría usted y porqué?
· ¿Cuál es el peso permisible máximo?
· ¿Dónde está el punto neutral a la tensión?
· ¿Cuál es la relación de resistencia a la flexión de las
conexiones que seleccionó?
· ¿Cuál es la relación
· de rigidez para cada transición?
· ¿Cuál es el torque máximo permisible sobre la
herramienta de fondo y cuál es su resistencia
torsional?

Ejemplo DP-05 – Solución
WOB requerido = 16 x 6000 = 96,000 lbs.
Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotación
BF = 1 - (10/65.5) = 0.8473
Peso en el aire de los lastra barrena = 96,000/0.8473
= 113,301 lbf
Por lo tanto, peso requerido de los lastra barrena
= 113,301 x 1.15 = 130,296 lbf

Determinando Cantidad y Tamaños
9 jts de HWDP de 5” = 9 X 30 X 53.7 = 14,499 lbs
12 jts DC de 6 ¾” x 2 ½” = 12 X 30 X 105 = 37,800 lbs
6 jts DC de 9” x 3” = 6 X 30 X 192 = 34,560 lbs
5 jts DC de 11”x 3” = 5 X 30 X 299 = 44,850 lbs
Longitud de BHA = 960 ft.
Peso Total BHA = 131,709 lbs.

Selección de Conexiones
·9 jts HDP de 5” = NC50 => BSR =
·12 jts DC de 6 ¾”x 2 ½” = NC46 => BSR = 3.3
·6 jts DC de 9” x 3” = NC61 => BSR = 3.22
·5 jts DC de 11” x 3” = 8 5/8” Reg => BSR = 2.84
·SR de 11”X 3” a 9”X 3” = 1.83
·SR de 9”X3” a 6 ¾”X 2.5” = 2.38
·SR de 6 ¾” X 2.5 a 5” X 3” = 2.77
·SR de 5” X 3” a 5” X 4.276” = 1.87

Limitaciones de Torque
·5” NC50, S135 DP = 34,190 ft/lb
·5” NC50, G105 DP = 22,820 ft/lb
·NC 50 HWDP = 38,040 ft/lb
·6 ¾” x 2 ½” NC46 = 25,850 ft/lb
·9” x 3” NC61 = 74,090 ft/lb
·11”x 3” 8 5/8” Reg = 130,680 ft/lb
·Más bajo = 22,820 x 0.8 = 18,256 ft/lbs

Diseño de Sarta de Perforación
Diseño de Tubería de Perforación

Parámetros de Diseño según el API –– RP 7G
• Tabla 1-3 Datos de Tubería Nueva
• Tabla 4-5 Datos de Tubería Clase Premium
• Tabla 6-7 Datos de Tubería Clase 2
• Tabla 8 Datos de Acoples de tubería
• Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexión
• Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforación)
• Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste
• Fig 26-32 Datos de Rigidéz (BSR) de los DC

Diseño de la Sarta por Tensión
· Una vez que ya se ha diseñado la herramienta de fondo, se necesita:
· Añadir la tubería de perforación para que en la superficie se
pueda
· Sostener el peso de la herramienta de fondo
· Sostener el peso de la tubería entre la herramienta de fondo y
la superficie
· Soportar el margen de sobre tensión seleccionado.
· Soportar las fuerzas de las cuñas sobre la tubería que tratan
de aplastarla.
· Esto se hace utilizando un factor de seguridad a la tensión, SF de 1.1
· Esto también supone que nunca salimos del rango elástico de la
tubería

La mayor tensión (carga de trabajo Pw)
sobre la sarta de perforación se presenta
en el tramo superior cuando se llega a la
máxima profundidad perforada.
Working Strength
Tubería de
perforación Ldp
Collares de
perforación
Ldc
P
Parámetros de Diseño
Diseño para la Tensión

Peso Total, Tsurf, soportado por la junta superior de la tubería
de perforación cuando la barrena está justo arriba del fondo;
T [(L W L W )] BF surf dp dp dc dc = ´ + ´ ´
BF m
s
= 1 -
r
r
Ldp = longitud de la tubería de perforación
Wdp = peso de la tubería de perforación por unidad de longitud
Ldc = Peso de los lastra barrena
Wdc = peso de los lastra barrena por unidad de longitud.
Resistencia de Trabajo
….(1)
Ldp
Ldc
P
Tubería de
perforación
Collares de
perforación

La sarta de perforación no está diseñada de acuerdo con la
resistencia de cedencia mínima.
Si al tensionar la la tubería de perforación se alcanza su punto de
cedencia:
1. Tendrá una deformación total que es la suma de las
deformaciones elástica y plástica (permanente).
2. El estiramiento permanente se quedará en la tubería de
perforación (no desaparecerá al quitar la tensión aplicada)
3. Será difícil conservar la tubería recta.

Carga de Diseño Máxima Permisible
Para evitar daño por deformación a la tubería de perforación, API
recomienda que se use una carga máxima de diseño permisible ( Pa)
Pa = 0.9 x Tyield ….(2)
Pa = Carga de diseño máxima permisible en tensión, lb
Tyield = Resistencia a la cedencia teórica dada en las tablas API, lbs
0.9 = Un límite proporcional constante relacionado con el punto de
cedencia
IPM Define que un factor de diseño de tensión de 1.1 se
debe aplicar a las cargas de diseño. Por medio de esto
se logra lo mismo.
NO HAGA DOBLE BUZAMIENTO

Margen de sobre tensión
El margen de sobre tensión es nominalmente de 50-
100 k, o en el límite de la diferencia entre la carga
máxima permisible menos la carga real.
Opciones del Margen de Sobre Tensión que se deben
considerar
– Condiciones generales de perforación
– Arrastre de la sarta en el pozo
– Posibilidad de atrapamiento de la sarta
–Aplastamiento con las cuñas al asentarse sobre la MR
– Cargas dinámicas

Procedimiento de Diseño
Margen de sobre tensión
1. Determine la carga máxima de diseño (Tmax) :
(máxima carga para la que se debe diseñar la
sarta de perforación)
Tmax = 0.9 x Punto de Cedencia mínimo … lb
Se debe considerar la clase de tubería

2. Calcule la carga total en superficie usando
T [(L W L W )] BF surf dp dp dc dc = ´ + ´ ´
3. Margen de Sobre Tensión: Fuerza de tensión
mínima por encima de la carga de trabajo esperada
para tomar en cuenta cualquier arrastre o que se
atore la tubería.
MOP T - Tsurf max =
….(3)
….(1)

4. La longitud máxima de la tubería de perforación que
se puede usar se obtiene al combinar las ecuaciones
1 y 3 y despejando la longitud de la tubería de
perforación.
´ -
T MOP
L - ´
´
dc
dc
dp
dp
yield
W
dp L
W
W BF
=
0.9
….(4)

Ejemplo DP-06 Tubería de Perforación de un solo Grado
· Longitud de los collares de perforación: 600’ y peso en
el aire es de 150 lb/ft.
· Margen de sobretensión = 100,000 lbs.
· 5” / 19.5 lb/ft Premium G-105 DP con conexiones NC50.
Calcule la profundidad máxima del pozo que se puede
perforar
Suponga que BF= 0.85
· Realice los cálculos sin Margen de Sobre Tensión y
con un Margen de Sobre Tensión de 100,000 lb
· Utilice las tablas API - RP7G para los valores del
Peso Aproximado (Wdp) y para el Punto de Cedencia
Mínimo.

Solución sin Margen de sobre tensión
Carga de diseño máxima ( Tmax)
Pa = 0.9 x Mínimo punto de cedencia
Pa = 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb …(1) (RP7G – T4)
150
-
392,535 0
Ldp - =
Carga real soportada ( Pf)
P = 0.85 [ 21.92 x Ldp + 150 x 600] … (2) (RP7G T9)
ft
x
* 600 16,962
21.92
21.92 0.85
=
Máxima profund.a perforar = Ldp + Ldc = 16,962 + 600 = 17,562 pies

´ -
T MOP
L - ´
´
Repita el ejemplo anterior con Margen de sobre tensión
utilizando la fórmula;
dc
dc
dp
dp
yield
W
dp L
W
W BF
=
0.9
Máxima Profundidad de Perforación = Ldp + Ldc

Solución con Margen de sobre tensión
Carga de diseño máxima ( Pa)
Tmax = 0.9 x Punto de cedencia mínimo
Tmax= 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb …(1) (RP7G – T4)
150
-
392,535 100,000
Ldp - =
Carga real soportada ( P)
Tsurf= 0.85 [ 21.92 x Ldp + 150 x 600] … (2) (RP7G T9)
ft
x
* 600 11,595
21.92
21.92 0.85
=
Profund.Máxima a Perforar = Ldp + Ldc = 11,595 + 600 = 12,195 pies

DK
L
DK
æ
ç çè
= + +
2 L
2
S
h
S
Hoop Stress
Tensile Stress
1
t s s
= =
ö
÷ ÷ø
D Pipe OD in L Slip length in
s
( );
= + =
K y z y Slip Taper
' ''
2
o
1/ tan( ); (9 27 45 )
= m m
=
Fuerza de Aplastamiento por Las Cuñas
· Las cuñas debido a la forma cónica tratan de
aplastar a la tubería de perforación. Este
esfuerzo en anillo es resistido por el tubo y a la
vez incrementa el esfuerzo global en el acero.
( )
z ArcTan ( ) ; coeff Friction ( 0.08
for dope)

Equivalent Axial Load
Horz to Tang Stress Ratio
Hoop Stress
Working load * =
Fuerza de Aplastamiento por las Cuñas
· Generalmente se expresa como un factor
DP
TUBE 12 in 16 in
2 3/8 1.25 1.18
2 7/8 1.31 1.22
3 1/2 1.39 1.28
4 1.45 1.32
4 1/2 1.52 1.37
5 1.59 1.42
5 1/2 1.66 1.47
6 5/8 1.82 1.59
SLIP LENGTH
Tensile Stress
S
P =
Load P
Axial
h
t
S

´
L - dc
´
yield
W
S
S
T
´
Como un Parámetro de Diseño
· Únicamente puede perforar hasta donde pueda
poner la tubería en las cuñas.
· Diferente a la Sobre Tensión, este se basa en las
cargas de trabajo.
dc
dp
dp
T
h
dp L
W
W BF
=
0.9

Ejemplo DP-07
Diseño por Tensión con Margen de Sobre Tensión
y Fuerza de Aplastamiento con las Cuñas
´ -
T MOP
L - ´
´
Una sarta de perforación consiste de 600 pies de collares de 8 ¼ “ x 2-13/16” y el resto
es tubería de perforación de 5”, 19.5 lbm/pie, Grado X95 con conexiones NC50.
Si el Margen de Sobre Tensión requerido es de 100,000 lb y el peso del lodo en el
pozo es 10 ppg, calcule:
1) La profundidad máxima que se puede perforar cuando (a) se usa tubería de
perforación nueva y (b) tubería de perforación Premium. (únicamente Margen de
sobre tensión)
2) ¿Cuál es la profundidad máxima a la que se puede perforar tomando en
consideración la fuerza de aplastamiento por cuñas para (a) y (b) anteriores ?
¿Para qué carga de gancho corresponde esto? ¿Cuál es el Margen de sobre
tensión en este caso?
dc
dc
dp
dp
yield
W
dp L
W
W BF
=
0.9

p
Ejemplo DP-07
A ´1 ft ´ r
= (( ) 2 - ( ) 2 ) ´ ´ ´
s 4
825 . 28125 . 1 4895
.
=160.5 lbm/ ft
Solución
(a) El peso del collar de perforación por pie es:
donde, rs = densidad del acero = 489.5 lbm/ft
A = área de la sección transversal (pulg).
1
144
(Nota: De las tablas API, peso del collar de perforación = 161 lbm/ft).

Ejemplo DP – 07
r
r .
BF m
= 1 - = 1 -
s
L
P MOP
W BF
W
W
t
L dp
dp
dc
dp
dc
´ -
´
- ´
0 9 .
10
65 44
P lb (for Grade X new pipe) t = 501,090 95
Margen de Sobre Tensión, MOP = 100,000 lb

Ejemplo DP-07
501,090 0.9 100,000 ´
160.5 600
´ -
( )
21.45
21.45 0.847
-
´
= dp L
La profundidad máxima del pozo que se puede perforar con una
tubería de perforación nueva de Grado X95 bajo las condiciones de
carga dadas es de
14,828+600=15,428 ft.
= 14,828 ft
Profundidad de perforación máxima = Ldp + Ldc

yield
160 .5
501 ,090 0.9
1.42
Ejemplo DP-07 considerando la Fuerza de
Aplastamiento por las Cuñas
dc
dc
dp
T
dp
h
W
Drag
S
dp L
W
W BF
S
T
L - ´
´
-
´
=
0.9
L
dp
L ft
dp
12 ,991
600
21 .45
21 .45 0.847
=
- ´
´
´
=
Profundidad máxima a perforar = Ldp + Ldc= 12,991+600=13,591 ft

Ejemplo DP-07 considerandoTubería Nueva
· En el caso de Tubería Nueva, las fuerzas de
aplastamiento por las cuñas determinan la máxima
profundidad a la que se puede perforar de 13,591 y
no de 15,428 pies.
· La carga de gancho máxima indicada que se puede
fijar con seguridad en las cuñas es de 317,590 lb
· El margen de sobre tensión en este caso es de
133,400 lbs

Ejemplo DP-07 considerandoTubería Premium
P lb t Ahora, = 394,600 :
160.5 * 600
394,600 * 0.9 100,000
L
pd
L ft
pd
9,553
21.45
21.45 * 0.847
=
-
-
=
Máxima Profundidad de Pozo
Prof. de Perforación Maxima = Ldp + Ldc =9,553+600 =10,153 ft

160 .5
394 ,600 0.9
1.42
Ejemplo DP-07 Aplastamiento por las Cuñas
L
dp
L ft
dp
9,276
600
21 .45
21 .45 0.847
=
- ´
´
´
=
Profundidad de Perforación Máxima = Ldp + Ldc= 9,276+600=9,876 pies

Ejemplo DP-07 Considerando Tubería Usada
· En el caso de Tubería Usada (Premium), las fuerzas
de aplastamiento por las cuñas determinan la
máxima profundidad a la que se puede perforar que
es de 9,876, no 10,153.
· La carga de gancho máxima indicada que se puede
asentar en forma segura sobre las cuñas es de
250,098 lb
· En este caso el margen de sobre tensión es de
105,000 lbs

´ -
L - dc
´
W
T MOP
´
La longitud de la Herramienta de Fondo es 600’ y el peso en
el aire es de 70,000 lbs.
Margen de Sobre Tensión = 80,000 lbs.
Tubería de perforación de 5” 19.50 lb./ft, Clase Premium,
Grado X95 con conexiones NC50. El peso del lodo en el pozo
es MW = 13.0 ppg.
¿Cuál es la profundidad máxima a la que se puede perforar con
este ensamble?
dc
dp
dp
yield
dp L
W
W BF
=
0.9
Ejercicio
Ejemplo DP – 08

Diseño de Sarta Mixta
· Si usamos diferentes tuberías de perforación, la tubería más débil es
la que va en el fondo y la tubería más fuerte en la parte superior.
· Aplique la ecuación primero a la tubería de perforación del fondo.
W
´ -
P 0.9
MOP
L =
- ´
dc
L
dp dp
´
W BF
dp
t
W
· Paso 1
· Paso 2
dc
· Los collares de perforación y la tubería de perforación del fondo
actúan como el peso que es soportado por la sección superior…
efectivamente el collar de perforación.
· Aplique la ecuación para la tubería de perforación superior al último.

Ejemplo DP-08 Tubería de Perforación Mixta
Un equipo de perforación de exploración tiene los siguientes grados de tubería
de perforación para correrlos en un pozo de 15,000 pies de profundidad:
• Grado E : Nueva, 5” OD, 19.5 lb/pie, NC 50
• Grado G : Nueva, 5” OD, 19.5 lb/pie, NC 50
Se desea tener un Margen de sobre tensión de 50,000 lbs en la tubería Grado
E. La longitud total y el peso total de los collares de perforación más la
tubería de perforación con pared gruesa son de 984 pies y 101,000 lb
respectivamente. MW a 15,000 pies = 13.4 ppg.
Calcule :
1. Máxima longitud de la tubería E que se puede usar.
2. Longitud de tubería G que se debe usar.
3. Margen de sobre tensión para la tubería G y para la tubería E.
4. Peso máximo en las cuñas para la tubería G y para la tubería E.

W
0.7954
13.4
BF =1- =
65.5
´ -
T 0.9
MOP
L =
- ´
dc
L
dp dp
´
W BF
dp
yield
W
dc
El grado más ligero (Grado E) se debe usar para la parte del
fondo del pozo, mientras que la tubería de grado más elevado
se debe usar en la sección superior. De esta manera, el
Grado E va a soportar el peso de los lastra barrena y de la
tubería de perforación de pared gruesa. El término debe
incluir el peso combinado de estos artículos.
G105
Ldp2
E Ldp1
LBHA
Solución:
(a)
y,

´ -
395,600 0.9 50,000
dp
13,595
W L weight of DCs weight of HWDP dc dc ´ = +
=101,000 lb
L
L ft
dp
101,000
20.85
20.85 0.796
=
-
´
=

Ejemplo DP – 08. Aplastamiento por las
Cuñas en el tope de la tubería Grado E
101 ,000
395 ,600 0.9
1.42
L
dp
L ft
dp
10 ,263
20 .85
20 .85 0.796
=
-
´
´
=

DP – 08. Margen de Sobre Tensión en la
Junta Superior de la Tubería Grado “E”
= -
MOP P * 0.9 P@
Yp Working
= ´ -
395,600 0.9 250,726
Peso colgando de la junta superior de la tubería Grado “E”
10,263 x 20.85 = 213,983 lb Grade “E”
más 101,000 lb BHA
Peso total en el aire = 314,983 Lbs
Peso sumergido en el lodo de 13.4 ppg = 314,983 x 0.796=250,726 Lbs
105,314
=
MOP

Ejemplo DP-08. Procedimiento para el Diseño
La longitud acumulada de la sarta esta compuesta por:
Collares de perforación y tubería pesada = 984 pies
Tubería de Perforación, Grado “E” = 10,263 pies
Longitud Total, = 11,247 pies
La sección superior de la sarta estará compuesta por tubería Grado “G”
de longitud:
15,000 – 11,247 = 3,752 pies
Verificar que la tubería grado “G” sea adecuada:
Ella va a soportar el peso de la tubería grado “E” más el peso del BHA

Ejemplo DP – 08. Longitud de tubería grado “G”
Wt Below G = ´ +
" " 10,263 20.85 101,000
314 ,984
553 ,830 0.9
1.42
314 ,984
=
L
dp
Por lo tanto, bajo las condiciones de carga existentes, se
podrían utilizar 5,745 pies de tubería grado “G” en la
sección superior de la sarta. En el ejemplo que se
analiza, sólo se requieren 3,752 pies.
G105
Ldp2
E Ldp1
LBHA
para producirse el aplastamiento
L ft
dp
5,745
21 .93
21 .93 0.796
=
-
´
´
=

Ejemplo DP – 08. Margen de Sobre-Tensión. “G”
= -
MOP P * 0.9 P@
Yp Working La sobre tensión
= ´ -
553,830 0.9 320,998
Yp
= ´ =
553,830 0.9/1.42 351,090
Peso en la junta superior de la tubería grado “G” (Peso de
toda la sarta)
3,752 ft x 21.93 = 88,281 lbs (peso de la tubería Grado “G”)
más 314,983 lbs que pesan la tubería Grado “E” y el BHA
Peso total de la sarta en el aire = 403,264 Lbs
Peso total sumergido en el lodo de 13.4 ppg = 403,264 x 0.796 = 320,998 Lbs
177 ,449
=
MOP
está limitada por la
tubería Grado “E”
( )
177 ,449
1.42
* 0.9
5
@
=
=
MOP
lb
P
Max Slip Load
For in DP

Ejemplo DP – 08. Resultados del Diseño
· Herramienta de Fondo de 984 pies de longitud que pesa
101,000 lb en el aire
· Aproximadamente 336 tramos son tubería Grado “E” con
longitud máxima de 10,263 pies
· Aproximadamente123 tramos de tubería Grado “G” con
longitud máxima 3,752 pies
· Sobre-Tensión máxima para tubería Grado “G” = 182,458 lbs
· Sobre-Tensión máxima para tubería Grado “E “= 105,000 lbs
(MOP limitado al menor valor de 105,000 lbs)
· Máximo peso en las cuñas para Grado “G” 351,000 lbs
· Máximo peso en las cuñas para Grado “E” 250,000 lbs

Ejemplo DP-09. Diseño con DP combinada
Dada la siguiente información:
· Longitud del BHA = 800’
· Peso en el aire del BHA = 80,000 lbs.
· Margen de Sobre-Tensión deseado, MOP = 100,000 lbs.
· Tuberías de perforación: (a) 5”OD, 19.5 lb./pie, Clase
Premium, Grado “G”-105 , conexión NC50 y (b) 5”OD, 19.5
lb/pie, Clase Premium, grado “S”-135, NC 50
· Peso de lodo en el pozo = 11 lb/gal.
Calcular:
1. Cuál es la máxima profundidad de perforación posible?
2. MOP disponible a la máxima profundidad?

MOP en un pozo desviado
Se debe considerar siempre
la profundidad vertical, TVD
TVD
1. Calcular la TVD para Ldp.
2. Calcular el peso del BHA en un pozo
inclinado, multiplicando su peso en el
aire por el coseno del ánulo:
Peso = BHA x cos q
q
Ldp
LBHA
Factores de Diseño

80,000 lbs. x cos 30° = 69,282 lbs.
MOP en un pozo desviado
30°
TVD
Long. De Tubería Ldp = 11500 =11500 x cos 30°
12,000’
Prof. Vertical de Ldp
Peso del BHA =

Ejercicio:
Con los datos del gráfico, calcular el MOP para una sarta
de DP combinada si el pozo tiene 40º de inclinación.
40°
TVD
10,000’
17200
18000
S135
G105
BHA weight = 80,000 lb

Factores de Diseño
1. Un factor de diseño de 1.6 se deberá aplicar para las
cargas de tensión debido a la naturaleza típica de
tubería usada así como para considerar las posibles
cargas de impacto que se produzcan cuando la
tubería se asienta sobre las cuñas.
2. Si las cargas de impacto se cuantifican y se incluyen
en los cálculos, se puede utilizar un factor de
seguridad de 1.3

para pozos Desviados
En un pozo desviado se pueden identificar las siguientes
secciones:
1.Sección de Trayectoria Vertical
2.Sección de Construcción o Levantamiento de ángulo
3.Sección Tangente o de sostenimiento del ángulo
4.Sección de Reducción o Tumbado de ángulo
5.Sección de Navegación Horizontal

KOP
qT BHA
Sección Vertical
Sección de Construcción
Sección Tangente

5729 6 .
W BF T dp q
2. Sección de levantamiento de ángulo
Weight length W BF dp= ´ ´
= ( )
æè ç
öø ÷
Sin ´
BU
Donde: Wdp = peso de la tubería de perf. en lbs/pie
BU = Tasa de construcción de ángulo en
(grados/100 pies)
BF = Factor de Flotación
qT = ángulo por debajo del punto de tangencia
Sección Vertical
KOP
qT BHA
Sección de Construcción
Sección Tangente

3. Peso de la tubería en la sección tangente
T [ dp dp BHA BHA ] =BF x Cosq W L +W L

Ejemplo DP – 10
Pozo de Alcance Extendido
Dada la siguiente información para un pozo de Alcance Extendido:
KOP = 8000 pies
Angulo Final = 80 grados
Rev. de 13 3/8” asentado en el tope de la sección tangente a 9,146 pies
Tasa de construcción angular = 5 grados /100 pies
BHA = 180 pies con peso de 100 lb/pie incluye herramientas
(Barrena /Combinaciones / Motor de Fondo / MWD)
Profundidad Total del Objetivo TD = 17,000 pies
Tubería de perforación = 5”OD, 19.5 lb/pie, NC 50, Grado “S”
Diámetro del Agujero = 12 ¼”
Peso del lodo en el hoyo = 12.5 lbs/gal, Tipo SOBM
La barrena está a 2000 pies por debajo de la zapata del revest. 13 3/8”.
Calcular los pesos en las respectivas secciones del agujero.

Ejemplo DP – 10
Solución:
Current depth = 9146 + 2000 = 11,146 ft
BF = 0.809
Wdp = 22.6 lb/ft
Peso el BHA = 180 pie x 100 lb/pie x 0.809 x cos 80º = 2,529 klb
Peso de Secc. Tangente = (2000-180)x22.6x0.809 x cos 80 = 5,651 klb
Peso de Sección Curva = ( 5729.6 x sin 80 ) x 22.6x 0.809 = 20,63 klb
5
Peso Secc. Vertical = 8000 x 22.6x 0.809 = 146,267 klb

Otras Cargas
Cargas de Impacto
La fuerza de tensión adicional generada por los impactos está
dada por:
Doblamiento
La fuerza de tensión adicional generada por el doblamiento está
dada por:
Fs W (lbf ) dp =1500 ´
Fb W OD(lbf ) dp =63´q´ ´

Otras Cargas
· Colapso bajo Tensión
· Estallido
· Otras cargas no incluídas aquí
· Cargas de Impacto
· Cargas de doblamiento
· Cargas de Pandeo o Encombamiento
· Cargas de Torsión
· Torsión con Tensión Simultánea

P
Biaxial Collapse
P
No al Collapse
- -
4 3
Load
2
Z Z
2
2 2
min
-
=
0.7854( )*
OD ID Yp
Colapso Biaxial
· La carga de colapso es peor cuando se llevan a
cabo pruebas en seco en las que la tubería se
corre vacía
Average
Z
=
· Observe que se utiliza el punto de cedencia
promedio no el mínimo

Grado YpAvg
E 85,000
X 110,000
G 120,000
Colapso Biaxial
· Para Colapso Nominal
· Use D/t y la fórmula correcta de la Spec 7G Apéndice A 3
· Use los resultados que se encuentran en la Tabla 3-6 RP-7G
· Para Diámetro Externo y Diámetro Interno, use la Tabla 1 RP-7G
· Para Punto de Cedencia Promedio use la Tabla que está en la
Sección 12.8 RP 7G
S 145,000

Ejercicio DP-11
· Para hacer una prueba seca al traslape de un liner a 9,000
pies se corre un empacador en el extremo de una tubería de
perforación de 5 pulgadas 19.5 #/ pies, Grado E, clase
Premium y se asienta con 50,000 lb de tensió. En el
momento de la prueba la tubería de perforación está vacía. El
espacio anular está lleno con lodo de 12.0 lbs/gal. ¿Cuál es
la carga de colapso en la junta del fondo de la tubería de
perforación?
· Para una tubería de Perforación de 5”OD x 4.276” ID, Grado
E, el punto de cedencia promedio es 85,000 psi

Load
2 2
0.7854( )*
0.7854(4.855 4.276 )*85,000
Ejemplo DP – 11. Solución
· La Tubería Premium tienen todavía el 80% del espesor de
pared de la tubería nueva remanente
· El espesor será = 0.8 x (5.0” - 4.276”)/2 = 0.2896”
· El diámetro interno es 4.276”
· El diámetro externo será: 4.276” + 2 x 0.2896” = 4.855”
0.1417
50,000
2 2
=
-
=
-
=
Z
Z
OD ID Yp
Z
Average

- -
4 3
Z Z
2
2
2
P
Biaxial Collapse
P
No min
al Collapse
=
- -
4 3*0.14167 0.14167
2
0.922
=
P
Biaxial Collapse
P
No al Collapse
min
=
· Colapso Nominal es 7,041
· El colapso Biaxial reducido es 6,489

· La carga de colapso es 9,000 x 0.052 x 12 = 5,616 psi
· La carga de diseño es 5,616 x 1.15= 6,458
· El colapso con cambio de calidad de tubería es 6,489, así
que estamos bien
· El factor de diseño del colapso es 6,489/5,616=1.16
· El factor de diseño del colapso especificado por IPM es
1.1-1.15

2* *
=
Yp t
D
Diseño para el Estallido
· Se aplica la formula de Barlows
PBurst
· Note que no hay tolerancia para variaciones en el
espesor de pared
· Algunos diseños utilizan un factor del 90% en el
Yp para asegurar que nunca se caiga en la
región de deformación plástica
· Los resultados se encuentran en Spec 7G Tabla
3, 5 y 7

Ejemplo DP – 12. Carga para el Estallido
· El peor caso de carga sucede durante las operaciones de
prueba de formación (DST), en un pozo para gas. La
presión en superficie es la presión de fondo – gradiente
de gas sin respaldo.
· En el último ejemplo suponga que estamos realizando
una prueba de formación en el pozo a 9,000 pies con
presión de fondo de 200 psi menos que la columna de
lodo. ¿Cuál es el Factor de Diseño para Estallido en la
parte superior de la tubería de perforación Premium
Grado E?

Ejemplo DP – 12. Carga para el Estallido
· Del último ejemplo: DP de 5” 19.5 # E, Premium
· Diámetro externo = 5”, Espesor de Pared = 0.2896”
· Punto de Cedencia = 75,000 lbs
· Presión de Estallido = 8,688 psi
· Presión en el Fondo (HP)lodo – 200
= 12 x 0.052 x 9,000 – 200 = 5,416 psi
· P. en Superficie = 5,416 – 900 = 4,516 psi
· Factor de Diseño = 8,688/4,516 = 1.92

Ahora usted debe poder describir:
1. Funciones de la tubería de perforación, los lastra barrena y la
selección de la herramienta de fondo.
2. Los grados de la tubería de perforación y las propiedades de
resistencia.
3. Tipos de roscas y de acoples.
4. Peso y punto neutral del lastra barrena.
5. Relaciones de los esfuerzo de flexión y de rigidez.
6. Margen de sobre tensión.
7. Cálculos de diseño basados en la profundidad a la que se va a
perforar.
8. Conceptos básicos del control direccional usando ensamblajes de
fondo rotacionales
9. Funciones de los estabilizadores y de los escariadores de rodillos.

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