Este documento describe el diseño de una sarta de perforación. Detalla los esfuerzos a considerar como torsión, tensión, presión de rotura y fatiga. Explica las suposiciones del diseño y los objetivos de mantener los esfuerzos por debajo de los límites de resistencia. También cubre la selección de diámetros de barras, conexiones y estabilizadores, así como los cálculos para determinar la longitud adecuada de la sarta.

1. Diseño de la Sarta de Perforación.

2. PARA CONSIDERAR ESFUERZOS DE:
 Torsión
 Tensión
 Torsión combinada
 Presión de ruptura
 Presión de colapso
 Compresión
 Aplaste causado por cuñas
 Fuerzas estabilizadoras

3. SUPOSICIONES PARA EL DISEÑO
 Los valores de tensión se aproximan utilizando el
método de peso por flotación.
 Se asume que el pandeo ocurre solo hasta el
punto en que el peso de flotación de la sarta es
igual al peso en el trepano.
 A medida que aumenta el ángulo de perforación en
el BHA se reduce el peso que el BHA dispone para
el peso sobre el trepano.

4. SUPOSICIONES PARA EL DISEÑO
 La resistencia a la cedencia de un material es la
mínima especificada.
 Se asume que la sarta está colgada
verticalmente.
 El espesor de la pared de la tubería de
perforación es el mínimo para su clase.
 La resistencia a la torsión y el torque en la
unión es la óptima.

5. OBJETIVOS DEL DISEÑO
 Mantener el esfuerzo máximo a un nivel
menor que la resistencia a la cedencia,
reducido por un factor de seguridad.
 Seleccionar los componentes y configurar
los conjuntos para retardar la fatiga mientras
sea económicamente práctico.

6. FATIGA
El límite de la fatiga se encuentra disminuido
por:
 Lodo corrosivo.
 Cortes ocasionados por las cuñas, picaduras
por corrosión y recalques internos.
Estos factores disminuyen el límite de
resistencia permitiendo que ocurran daños por
fatiga.

7. CONDICIONES QUE DISMINUYEN LA FATIGA Y
AUMENTAN SU VIDA UTIL
 Selección adecuada del BHA y limitar el
peso sobre el trepano para evitar el pandeo.
 Seleccionar conjuntos con transiciones
geométricamente suaves
 Específicar los recalques internos para la
tubería de perforación nueva para que no
concentren los esfuerzos.

8. CONDICIONES QUE DISMINUYEN LA FATIGA Y
AUMENTAN SU VIDA UTIL
 Reducir el grado de flexión de la tubería y
del BHA
 Observar y controlar las vibraciones de la
sarta.
 Disminuir la corrosividad del sistema de lodo

9. INSPECCIÓN
 Los daños causados por fatiga a la sarta son
probablemente inevitables.
 Se deben tener un programa de inspección
para reducir fallas en la sarta.

10. PASOS PARA EL DISEÑO DE LA SARTA
A. Seleccionar el tamaño de la barra,
conexiones y características de las
conexiones.
B. Determinar la resistencia a la torsión de las
conexiones en las barras.
C. Determinar la longitud mínima de la sarta de
HW y de la barra de sondeo.
D. Verificar la fuerza de aplaste de las cuñas

11. PASOS PARA EL DISEÑO DE LA SARTA
E. Programar los factores de diseño y margen de
sobretensión.
F. Calcular la longitud máxima permisible para
cada sarta de la tubería de perforación.
G. Calcular la reducción en la capacidad de
resistencia al colapso de la tubería de
perforación bajo cargas de tensión
simultáneas.

12. SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE LA BARRA DE
PERFORACIÓN.
Lo mejor es usar barras de mayor diámetro
de acuerdo con sus necesidades, para:
 Aumentar la rigidez.
 Aumentar la estabilidad direccional.
 Disminuir el esfuerzo por pandeo.
 Disminuir el índice de fatiga.

13. SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE LA BARRA DE
PERFORACIÓN.
Otros factores que deben tenerse en cuenta
son:
 Factores de pesca.
 Capacidad del equipo de perforación.
 Requisitos de control direccional.
 Hidraulica.
 Características exteriores deseadas (ranuras
en espiral, receso para elevador u otras).

14. SELECCIÓN DE CONEXIONES PARA EL BHA
A. Relación de la resistencia a la flexión
(BSR):
 Es la consideración mas importante para seleccionar la barra de
perforación.
 La serie de rangos de BSR son guías basadas en la
experiencia.
 Para perforaciones poco profundas con poca experiencia de
fallas BSR entre 2.0 y 3.0.
 Para perforaciones mas severas o con experiencia de fallas
BSR entre 2.25 y 2.75.

15. TABLA DE DIMENSIONES PARA LA BSR EN LAS
CONEXIONES MAS COMUNES.

16. SELECCIÓN DE CONEXIONES PARA EL BHA
B. Variaciones para una BSR fuera de los
límites recomendados.
 Utilizar una BSR en el límite superior para
diámetros mayores a 8”.
 Utilizar una BSR en el límite inferior para
diámetros de 5” o menos.

17. SELECCIÓN DE CONEXIONES PARA EL BHA
C. Forma de la rosca en conexiones del
BHA.
La forma de la rosca a usarse en todas las
conexiones del BHA debe tener ek radio de
la raiz completa, para aumentar al máximo
la resistencia a la fatiga.

18. SELECCIÓN DE CONEXIONES PARA EL BHA
D. Verifique resistencia a la torsión:
La torsión es transmitida de arriba hacia
abajo, por lo que las conexiones del BHA
son sometidas a esfuerzos de torsión
menores que los de las barras de sondeo.

19. SELECCIÓN DE CONEXIONES PARA EL BHA
 La resistencia a la torsión de la conexión de la barra de
perforación se calcula haciendo:
TS=MUT/f
TS = Resistencia a la torsión en la conexión (lb-pie)
MUT = Torque de apriete recomendado para la conexión de la
barra (lb-pie). (tabla 2.11)
F = fracción decimal de la resistencia por torsión que es la base
para los valores de apriete mostrados en la tabla 2.11

20. TABLA 2.11

21. ESTABILIZADORES
El tamaño y colocación de los
estabilizadores, generalmente está
determinado por consideraciónes
direccionales, pero también afectan otros
factores de diseño:

22. ESTABILIZADORES
A. Fatiga en la conexión de la barra de
perforación.
 Durante la perforación, la parte inferior del
BHA estará pandeado y sostenida por el
pozo.
 Los estabilizadores reducen la libertad de
movimiento lateral, y por ende, la fatiga
producida por pandeo.

23. ESTABILIZADORES
B. Tubería atascada.
 El uso de estabilizadores aumenta la
probabilidad de atascarse debido a causas
mecánicas.
 El uso de estabilizadores disminuye las
probabilidades de atascarse por presión
diferencial.

24. CONFIGURACIÓN DEL BHA
 Tipo 1: este conjunto
es “estandar” y ofrece
la ventaja de ser
simple.

25. CONFIGURACIÓN DEL BHA
 Tipo 2: utiliza HW
sobre las barras de
perforación como zona
de transición para
suavizar el cambio
abrupto en la sarta.
Todo el peso sobre la
mecha es aplicado por
las barras.

26. CONFIGURACIÓN DEL BHA
 Tipo 3: utiliza las
barras necesarias para
control direccional.
Reduce tendencia a
atascarse por presión
diferencial.
El peso sobre la
mecha es aplicado por
las barras y las HW.

27. DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE LA SARTA
DE BARRAS DE PERFORACIÓN
A. Para BHA tipo 1 y 2, la longitud mínima está dada por:
LDC = longitud mínima(pies)
WOB= peso máximo sobre la mecha (lbs)
DF BHA = factor de diseño para exceso de peso BHA
K B = factor de flotación (tabla 2.14)
Φ = angulo máximo del pozo en el BHA (grados)
W DC = peso en aire de las barras de perforación (lb/pie)

28. DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE LA
SARTA DE BARRAS DE PERFORACIÓN
B. Para BHA tipo 3
 Debe seleccionarse la cantidad mínima de
las barras de perforación para obtener un
mayor control direccional.

29. DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE LA SARTA
DE HEAVY WEIGHT
A. Para la configuración del BHA tipo 2, la
cantidad de tuberías a colocar está
determinada por la experiencia, y va de 12
a 30 tubos.
B. Cuando se utilita HW para colocar peso
sobre la mecha (tipo 3) la longitud mínima
se ccalcula como:

30. DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE LA SARTA
DE HEAVY WEIGHT
L HWDP = Longitud mínima de la
sarta de HW (pie)
WOB = Peso máximo sobre la
mecha (lbs)
DF BHA=Factor de diseño para
exceso de longitud BHA
WDC=Peso en el aire de la barra
de perforación(lb/pie)
WHWDP=Peso en el aire de la
tubería HW (lb/pie)
LDC=Longitud de la sección de
barras de perforación
K B = Factor de flotación (tabla
2.14)
Φ= Ángulo máximo del pozo en
el BHA(grados)

31. POZOS DE ÁNGULO ELEVADO Y HORIZONTALES
 Las formulas anteriores solo se aplican a pozos verticales
o de ángulos moderados.
 Un BHA pesado es perjudicial para pozos con ángulos
elevados, debido al aumento de la resistencia a la tensión
y torsión.
 En pozos de ángulos elevados se le aplica peso a la
mecha a través de la tubería de perforación.
 El pozo con ángulo ayuda a la estabilización de la tubería
impidiendole pandearse.

32. CARGAS DE PANDEO EN LA TUBERÍA DE
PERFORACIÓN
 Desde el punto de vista fatiga, el tubo de
perforación no debe ser girado cuando está
pandeado.
 Los cálculos de compresión no deben
exceder los cálculos para esfuerzos críticos
de pandeo.

33. VERIFICAR LA CAPACIDAD TORSIONAL DE LA UNION EN LA
TUBERÍA DE PERFORACIÓN.
 Para evitar que las conexiones se aprieten
demasiado en el fondo, la torsión máxima de
operación no debe exceder la torsión de apriete
de la unión.
 Cuando se espera operar con altas torsiones, la
presión de apriete podrá ser aumentada
aproximadamente por el 60% encima de la
normal, verificando con las curvas de capacidad
de carga.

34. CALCULO DE LA RELACIÓN DE RIGUIDEZ
 La relación de rigidez de la sarta, por arriba y
debajo de la zona de transición deben
compararse para cuantificar el cambio brusco
en la sarta y determinar si se necesita añadir
tubería de transición, esto se verifica con:
SR=Zbaja/Zalta
Z = Módulo de la sección
Los módulos los podemos ver en la tabla siguiente.

35. TABLA 2.1

36. TABLA 2.3

37. TABLA 2.4

38. CALCULO DE LA RELACIÓN DE RIGUIDEZ
 La relación de rigidez máxima debe ser
determinada en base de la experiencia.
 Para perforación de poca profundidad o baja
experiencia de fallas mantener SR por debajo
de 5.5
 Para perforaciones más severas o con un alta
experiencia de fallas mantener SR por debajo
de 3.5

39. NOMENCLATURA PARA EL DISEÑO DE TENSIÓN
EN LA TUBERÍA
A. Capacidad de carga de tensión (Pt)
- Es la fuerza de tensión calculada para que el tubo seda al ser
tensionada

40. NOMENCLATURA PARA EL DISEÑO DE TENSIÓN
EN LA TUBERÍA
B. Factor de diseño en tensión (DFT)
-El factor usado para reducir la capacidad de carga en tensión y obtener la carga
permisible (PA)
C. Carga permisible (PA)
-La carga máxima que pueda colocarse a la tubería. Es la capacidad de tensión
reducida por el factor de diseño
D. Margen de sobre-tensión (MOP)
-El exceso de capacidad tensional diseñada por encima de la carga de trabajo (PW) para
compensar el arrastre esperado de la tubería, la posibilidad de atascarse, el
aplaste por las cuñas y el efecto de la presión de circulación sobre la tensión.
E. Carga de trabajo (Pw)
-Es el máximo de tensión que se espera que ocurra durante una operación normal.

41. CALCULO DE LA CARGA PERMISIBLE (PA)
PA = PT/DFT
PA= Máxima carga de tensión permisible (Lb)
PT = Capacidad de tensión en la tubería (Lb) tabla 2.5
DFT = Factor de diseño en tensión
Los factores típico de diseño en tensión
varía entre 1.0 y 1.15

42. DETERMINACIÓN DEL MARGEN DE SOBRE-
TENSIÓN (MOP)
 Los margenes de sobre tensión debido al arrastre del pozo
y a la capacidad de sobre tensión en caso de atascamiento
de la tubería, son determinado por las políticas de la
compañía.
 El efecto de la presión de circulación en la tensión puede
estimarse como:
P = (PrMECHA)(Ai)
P = Aumento de tensión en la tubería debido a la presión de circulasión (Lb)
PrMecha = Caída de presión a través de la mecha (PSI)
Ai = Area interna de la Tubería (Inch2) (tabla 2.1)

43. CALCULO DE LA CARGA DE TRABAJO (PW)
 Es la carga permisible menos el margen de sobre-
tensión.
PW = PA – MOP
PW = Carga de trabajo (lb)
PA = Carga permisible (lb)
MOP = Margen para sobre tensión (lb)
 El MOP deseado debe mantenerse en todos los
puntos de la sarta. Y puede ir de 50.000 a 150.000
Libras

44. CALCULO DE LA LONGITUD MAXIMA DE LA
PRIMERA SARTA DE TUBERÍA DE PERFORACIÓN.

45. CALCULO DE LA LONGITUD MAXIMA DE LA SEGUNDA
SARTA DE TUBERÍA DE PERFORACIÓN.

46. A TENER EN CUENTA
 Los cálculos para la longitud máxima de la tubería ignoran
la reducción de tensión causada por el ángulo de
perforación.
 Esto es para compensar por el aumento en resistencia que
normalmente acompaña al aumento en el ángulo del pozo.
 Si se considera que este valor es conservador, la longitud
calculada para cada sarta puede ser aumentada por la
relación entre la profundidad medida (MD) y la profundidad
vertical real (TVD).
 Sin embargo, a las sartas en la porción vertical inferior de la
curva “S” no se les debe aumentar la longitud de esa forma.

47. PRESIÓN DE RUPTURA
 La tabla 2.7 presenta los valores de
presión de ruptura. Estos valores fueron
calculados asumiendo propiedades
mínimas del material y sin carga axial.

48. TABLA 2.7

49. PRESIÓN DE COLAPSO
 La presión neta de colapso en cualquier punto de
la sarta y condiciones estáticas puede calcularse
como:
 La capacidad de colapso disminuye al tener la
barra tensionada.

50. CARGAS COMBINADAS
 Cargas Bidireccionales.
Por lo general las tablas publicadas con las cargas asumen que las cargas son
independientes. Sin embargo las cargas combinadas y bidireccionales
disminuyen la carga que puede soportar. Algunos Ejemplos pueden ser:
- Tensión y colapso simultáneamente, reducen la presión de colapso
- Torsión y tensión, reducen la capacidad de tensión.
- Apretar una conexión mas allá de un punto determinado, reduce la capacidad
de tensión de conexión.

51. CORRECCIÓN DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN
CONDICIONES COMBINADAS
 Reducción de la capacidad de presión de
colapso para tensión simultanea:
Los valores normales se encuentran en la tabla 2.8 y si la barra esta
tensionada se debe aplicar un factor de reducción al valor de la tabla
2.8, según el gráfico 2.3

52. CORRECCIÓN DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN
CONDICIONES COMBINADAS
 Reducción de la capacidad de carga de la
tubería de perforación por tensión y torsión
simultanea.
La capacidad de tensión y torsión simultáneas de los tubos en la tubería
de perforación puede leerse en el grafico 2.4a hasta la 2.4u.

53. REDUCCIÓN DE LA CAPACIDAD DE CARGA DE LA
UNION DE LA TUBERÍA DURANTE TENSIÓN Y
TORSIÓN.

54. EL PANDEO DE LA TUBERÍA DE PERFORACIÓ Y LAS
FUERZAS DE ESTABILIDAD
 Sabiendo que la circulación máxima ocurre cuando
la mecha no está tocando el fondo del pozo, la
tendencia de las fuerzas de estabilidad a pandear el
pozo pueden ser ignoradas en el diseño de la sarta
de perforación.
 El siguiente proceso eliminará el pandeo inducido
por presión: al notar aumento en la caída de presión
a través de la mecha, mientras esta esté en el
fondo, levante la sarta hasta que note un aumento
de peso, esto permitirá que la sarta se estire
eliminando la tendencia a pandearse.

55. APLASTAMIENTO POR CUÑAS
 Ejercen una compresión radial sobre la
tubería de perforación, la cual puede llegar a
deformar el tubo.
 La longitud de la cuña, su coeficiente de
fricción, el diámetro de la tubería y otros
determinan la constante de aplastamiento
por cuña (SH/St).

56. APLASTAMIENTO POR CUÑAS
 Asumiendo que el tubo no está atascado, la
tensión máxima ejercida por las cuñas es la
de trabajo (PW).
 Para calcular si hay suficiente margen de
compensación por efecto de aplastamiento,
calcular:
Pw(Sh/St) ≤ PA

57. APLASTAMIENTO POR CUÑAS

58. APLASTAMIENTO POR CUÑAS Y MARGEN DE
SOBRETENSIÓN (MOP)
 Luego de hacer el calcular el MOP como
vimos anteriormente, se debe comprobar, si
este satisface la siguiente relación, y en caso
contrario, aumentar el MOP hasta que se
cumpla.
MOP≥(Sh/St – 1)

59. COMPONENTES CON SOLDADURAS
 Estos deben evitarse, ya que alteran las
propiedades de las piezas originales.

60. FACTOR DE FLOTACIÓN PARA COMPONENTES
QUE NO SON DE ACERO
KB(REV)=(D – DLODO)/D
KB (REV)= Factor de flotación corregido
D= Densidad del componente en el BHA
Luego,el peso total del BHA puede determinarse:
WBHA=(WACERO x KB)+(Wotro x KB(REV))