Desarrollo e implementación de un sensor de vibraciones para ...
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Nuestra ExperienciaHoyReflejamos los avances y problemáticas <strong>de</strong> la perforación en el mercado actual.Observamos problemáticas <strong>de</strong> Sarta y BHA con alto impacto económico cuandoestas fallan.Estas se producen principalmente por:• Procesos <strong>de</strong> Fatiga 77%• Esfuerzos Tensión & Torsión 14%• Corrosión 9%
Modos <strong>de</strong> FallaEl modo <strong>de</strong> falla y su localización <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> en granmedida <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> vibración generada en la sarta.• Axiales: Repercuten en el trépano y lasherramientas <strong>de</strong> fondo. Favorecen la propagación <strong>de</strong>fisuras en portamechas.Pieza: Cuerpo MDFFalla: Sobre carga mecánica y fatiga• Torsionales: Afectan fuertemente las <strong>un</strong>ionesroscadas y promueven la falla <strong>de</strong> barras en cambios<strong>de</strong> sección (Up-Sets).• Laterales: Favorecen en general la propagación <strong>de</strong>fisuras por fatiga en <strong>un</strong>iones roscadas.En todos los casos repercuten negativamente en lavelocidad <strong>de</strong> perforación (ROP)
Causas <strong>de</strong> las VibracionesFuentes <strong>de</strong> excitación• Interacción Trepano-Formación• Interacción Sarta - Pozo Diseño Trayectoria Geometría pozo Diseño <strong>de</strong> Sarta Propieda<strong>de</strong>s lodo Litología• Equipamiento superficie <strong>para</strong> rotación Mesa rotaria Top DriveEjemplo <strong>un</strong>a sarta rotando a 180 rpm ~ 3 Hz
Técnicas <strong>de</strong> DiseñoDiseñando <strong>para</strong> prevenir VibracionesEl plan <strong>de</strong> mitigación <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong> tiene <strong>un</strong>a fuerte intervención en todos las etapas <strong>de</strong>ejecución <strong>de</strong> <strong>un</strong> proyecto <strong>de</strong> perforaciónEn cada fase pue<strong>de</strong>n surgir diferentes enfoques:• Predictivo• Correctico• Predictivo-Correctivo
SimulaciónMo<strong>de</strong>los(a)(b)• Los estándares <strong>de</strong> la industria <strong>de</strong> perforación (DS1, API, A ISO) nocontemplan métodos cálculo <strong>para</strong> simular comportamiento vibratoriosarta <strong>de</strong> perforación• La norma API RP 7G antiguamente proponía ecuaciones simples<strong>para</strong> calcular modos resonancia axial, pero fueron excluidas, por suinexactitud• Esto <strong>de</strong>nota <strong>un</strong>a falta <strong>de</strong> consenso en la industria respecto a cuáles la metodología más apropiada <strong>para</strong> realizar análisis B <strong>de</strong><strong>vibraciones</strong> en la sarta con <strong>un</strong> seguimiento eficiente(SPE/IADC119877)kLA : vínculo fijoB: vínculo móvilk: vínculo elásticoL: prof<strong>un</strong>didad <strong>de</strong>l pozoBuckling Torsional Stick-SlipElementos FinitosSistema
SimulaciónTeoría <strong>de</strong> las <strong>vibraciones</strong>• El estudió <strong>de</strong> las <strong>vibraciones</strong> se refiere a los movimientos oscilatorios <strong>de</strong> loscuerpos y a las fuerzas asociadas con ellos• Todos los cuerpos que posean masa y elasticidad distribuida <strong>un</strong>iformemente soncapaces <strong>de</strong> vibrarLas sartas <strong>de</strong> perforación son estructuras mecánicas que experimentan <strong>vibraciones</strong> y sudiseño impacta consi<strong>de</strong>rablemente en su conducta oscilatoria.
SimulaciónHay dos clases generales <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong>, libres y forzadas.• La vibración libre es la que ocurre cuando <strong>un</strong> sistema oscila bajo la acción <strong>de</strong>fuerzas inherentes al mismo y, cuando las fuerzas externamente aplicadas soninexistentes. Este pue<strong>de</strong> vibrar a <strong>un</strong>a o mas <strong>de</strong> sus frecuencias naturales.• La vibración que tiene lugar bajo la excitación <strong>de</strong> fuerzas externas es <strong>un</strong>avibración forzada• Cuando la excitación es oscilatoria, el sistema es obligado a vibrar a la frecuencia<strong>de</strong> excitación.Si esta coinci<strong>de</strong> con <strong>un</strong>a <strong>de</strong> las frecuencias naturales<strong>de</strong>l sistema, se produce <strong>un</strong>a situación <strong>de</strong> resonancia yocurren oscilaciones peligrosamente gran<strong>de</strong>s
SimulaciónModos <strong>de</strong> vibración <strong>de</strong> <strong>un</strong>a sarta• Es reconocido que los diversos modos <strong>de</strong> vibración suelen actuar <strong>de</strong> formaacopladaSe estudian en forma in<strong>de</strong>pendiente (modos <strong>de</strong>sacoplados), <strong>para</strong> <strong>un</strong>a más clarainterpretación y facilidad <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l fenómenoLas <strong>vibraciones</strong> en la sarta <strong>de</strong> perforación son normalmente caracterizadas por:• Vibraciones Axiales• Vibraciones Torsionales• Vibraciones Laterales
SimulaciónVIBRACIONES AXIALESFrecuencias típicas: <strong>de</strong> 1 a 10 HzFuentes <strong>de</strong> excitación:• Rebote <strong>de</strong>l trépano (bit bo<strong>un</strong>ce, jarring impact), ocurre cuando se perforan formacionesduras con trépanos <strong>de</strong> rodillos cónicos• Fluctuaciones <strong>de</strong>l peso en el trépano (WOB), causan perdida <strong>de</strong> contacto con el fondo <strong>de</strong>lpozo• Cambios en la formaciónDetección:• Vibraciones en superficie severas• Movimiento axial <strong>de</strong> la sarta en superficie• Elevadas fluctuaciones <strong>de</strong>l WOBConsecuencias:• Daño en el trépano• Reducción <strong>de</strong> la velocidad <strong>de</strong> perforación (ROP)• Fallas <strong>de</strong> herramientas <strong>de</strong> la sartaMitigación y control:• Destruir la estructura lobular, cambiar los parámetros perforación (WOB y RPM)• Utilizar <strong>un</strong> trepano menos “agresivo”• Utilizar herramienta amortiguador (shock sub)
SimulaciónVibraciones Axiales - Un extremo fijo y el otro libre con masa suspendidaEn este caso, las condiciones <strong>de</strong> bor<strong>de</strong> impuestas implican que en el extremo fijo el<strong>de</strong>splazamiento es igual a cero, mientras que en el extremo libre asociado a la masa <strong>de</strong>inercia suspendida, el esfuerzo es igual al peso <strong>de</strong> dicha masa.
SimulaciónVIBRACIONES LATERALESFrecuencias típicas: <strong>de</strong> 10 a 50 HzFuentes <strong>de</strong> excitación:• Remolino (bending, whirl): rotación excéntrica <strong>de</strong> <strong>un</strong> componente alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> <strong>un</strong> p<strong>un</strong>todistinto <strong>de</strong> su centro <strong>de</strong> rotación. Existen tres posibles alternativas:a. Remolino hacia a<strong>de</strong>lante (forward whirl)b. Remolino hacia atrás (backward whirl)c. Remolino caótico (chaotic whirl)Detección:• Reducción <strong>de</strong> la ROP• Sobredimensión en el diámetro <strong>de</strong>l pozo• Daños en el trépano (hombro, zonas <strong>de</strong>l calibre)• Incrementos <strong>de</strong>l torque en superficie y <strong>de</strong>l trépano• Daño localizado en estabilizadores y <strong>un</strong>iones <strong>de</strong> tuberías• Son difícilmente <strong>de</strong>tectables en superficie, <strong>de</strong>bido a su rápida atenuaciónConsecuencias:• Daños en el trépano, reducción notoria en la ROP• Fallas por fatiga en el BHAMitigación y control:• Cambiar los parámetros <strong>de</strong> perforación, aumentar WOB y reducir RPM• Incrementar la lubricidad <strong>de</strong>l lodo <strong>de</strong> perforación• Utilizar estabilizadores y aumento la rigi<strong>de</strong>z <strong>de</strong>l BHA
SimulaciónVibraciones Laterales - Un extremo fijo y el otro libre con masa suspendidaEs algo distinto que en el caso <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong> axiales y torsionales, y la ecuacióndiferencial pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>ducirse a partir <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> <strong>de</strong>flexión <strong>de</strong> vigas tratada enresistencia <strong>de</strong> materiales
SimulaciónVIBRACIONES TORSIONALESFrecuencias típicas: por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> 2 HzFuentes <strong>de</strong> excitación:• Aprisionamiento y liberación <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> corte (stick–slip): el trépano se quedaatascado por <strong>un</strong> instante a la pared pozo, mientras la sarta continua rotando. Cuando sealcanza <strong>un</strong> valor critico <strong>de</strong> momento torsor, el trepano se libera con alta energía elásticaDetección:• Incremento torque superficie (20%) y variación <strong>de</strong> rpm• Atascamientos o freno <strong>de</strong> la mesa giratoria (rotary table) o motor hidráulico (top drive)• Diferencias entre las rpm superficie y las rpm fondo <strong>de</strong>l pozo (<strong>de</strong> 2 a 3 veces)• Desenrosque <strong>de</strong> <strong>un</strong>iones <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong> la sarta• Exceso <strong>de</strong> torque las <strong>un</strong>iones roscadas• Disminución <strong>de</strong> la ROPConsecuencias:• Reducción <strong>de</strong> la ROP• Rotura <strong>de</strong> componentes <strong>de</strong>l BHA• Daño por impacto en la estructura <strong>de</strong> corte <strong>de</strong>l trépano (nariz)• Rotura <strong>de</strong> las <strong>un</strong>iones roscadas <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong> la sartaMitigación y control:• Cambiar los parámetros <strong>de</strong> perforación, reducir WOB y aumentar RPM• Incrementar la lubricidad <strong>de</strong>l lodo <strong>de</strong> perforación• Incrementar el caudal <strong>de</strong> lodo. Esto reduce la fricción y mejora la limpieza <strong>de</strong>l pozo• Perforar <strong>de</strong>slizando (sli<strong>de</strong>) utilizando motor <strong>de</strong> fondo
SimulaciónVibraciones Torsionales - Un extremo fijo y el otro libre con masa suspendidaEl estudio <strong>de</strong> las <strong>vibraciones</strong> torsionales en <strong>un</strong>a barra <strong>de</strong>lgada y <strong>un</strong>iforme escompletamente análogo al <strong>de</strong> las <strong>vibraciones</strong> axiales, don<strong>de</strong> sencillamente se consi<strong>de</strong>ranlos <strong>de</strong>splazamientos y <strong>de</strong>formaciones angulares en lugar <strong>de</strong> los axialesAnalogía entre vibración rectilínea y torsional
SimulaciónSimulador <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong>Datos <strong>de</strong> ENTRADA que son requeridos <strong>para</strong> los diferentes modos <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong>• Componentes que conforman el BHA y Sarta• Propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los materiales• Propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l fluido• Geometría <strong>de</strong>l pozo• Distancia entre estabilizadores• Frecuencias <strong>de</strong> excitación <strong>de</strong> fuentes externas
SimulaciónSimulador <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong>Datos <strong>de</strong> SALIDA <strong>para</strong> los diferentes modos <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong>• Vibraciones Axiales• Vibraciones Torsionales• Vibraciones LateralesCaso #1:Se estiman las Frecuencia Natural, 2 da y 3 er armónico<strong>para</strong> <strong>un</strong> trepano 8 ½” PDC (5 Aletas) con BHA s/STB
MediciónCaracterísticas técnicas• Medición <strong>de</strong> aceleración Triaxial en memoria ±200g• Vibraciones Laterales Eje X,Y• Vibraciones Axiales Eje Z• RPM <strong>de</strong> fondo• Frecuencia <strong>de</strong> registro 1 segajustable 500-1000 Hz valor RMS y Pico por canal• Medición <strong>de</strong> Temperatura: Rango -30/125 °C• Presión Hidrostática Máxima 15 kPsi.• Tiempo registro máximo: 250 hrs• Máximo Caudal <strong>de</strong> Operación: 700 gpm, sólidos
Validación - Caso #1 Análisis valores RMSZONA IZONA II
Caso #1 Zona I - Validación Acople Laterales & TorsionalesEl simulador muestra <strong>vibraciones</strong> torsionales en <strong>un</strong>a secciónEntre 120-130 rpm, provenientes <strong>de</strong>l trepano
Caso #1 Zona II - Validación Buckling & LateralesLas frecuencias <strong>de</strong> resonancia laterales teóricas con lasmedidas por el <strong>sensor</strong>, muestran que se perfora esta sección<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> <strong>un</strong>a ventana <strong>de</strong> resonancia <strong>de</strong> trepano y BHA seobserva la presencia <strong>de</strong> buckling, que producen acoples <strong>de</strong><strong>vibraciones</strong>
Validación - Caso #2 Análisis Valores PicoZONA IZONA II
Caso #2 Zona I - Validación acople Axiales & TorsionalesSe observan <strong>vibraciones</strong> axiales entre 120-130 rpm, provenientes <strong>de</strong>ltrepano F3A1 con bajo nivel MSESe observan <strong>vibraciones</strong> laterales entre 110-120 y 130-140 rpm,provenientes <strong>de</strong>l trepano F3A1 y sarta F2A1Se recomienda operar entre 120-130 rpm , zona anti resonanciaEn esta sección recomendada los impactos serian menor a 4 g
Caso #2 Zona II -Se observan <strong>vibraciones</strong>Fuente sarta torsionales y laterales 80-90 rpm (F2A2 y F1A2)Fuente sarta <strong>vibraciones</strong> torsionales (F1A2),buckling 110 rpm 7-10 tnSe recomienda operar enZona 1 entre 110-140 rpm <strong>de</strong> anti resonancia y baja energíaZona 2 si hay que aumentar WOB por encima <strong>de</strong> 6 tn
Conclusiones• Los resultados obtenidos a la fecha permiten validar el <strong>de</strong>sarrollo e <strong>implementación</strong> encampo <strong>de</strong> esta nueva herramienta <strong>para</strong> censar <strong>vibraciones</strong> en la sarta <strong>de</strong> perforación.• Como parte <strong>de</strong>l proyecto se <strong>de</strong>sarrollo <strong>un</strong> simulador matemático que permite establecerla frecuencia <strong>de</strong> resonancia <strong>de</strong>l sistema y sus armónicos <strong>para</strong> los distintos tipos <strong>de</strong><strong>vibraciones</strong> (axiales, torsionales y laterales), en f<strong>un</strong>ción <strong>de</strong>l diseño <strong>de</strong> la sarta y lascondiciones <strong>de</strong>l pozo.• A partir <strong>de</strong>l registro <strong>de</strong> aceleraciones en los tres ejes se <strong>de</strong>terminaron los períodos <strong>de</strong>perforación don<strong>de</strong> se generan las condiciones <strong>de</strong> vibración más severas. La correlación <strong>de</strong>esta información con los parámetros <strong>de</strong> perforación (WOB, RPM) y el mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong> estascondiciones <strong>de</strong> operación permitieron establecer las causas que generan dichascondiciones <strong>de</strong> servicio.• La herramienta <strong>de</strong>sarrollada fue utilizada con éxito en catorce operaciones <strong>de</strong>perforación. La <strong>implementación</strong> <strong>de</strong>l <strong>sensor</strong> permitió validar el f<strong>un</strong>cionamiento <strong>de</strong> laherramienta <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> <strong>vibraciones</strong> y el mo<strong>de</strong>lo matemático, e iniciar <strong>un</strong>a nueva etapa<strong>de</strong> optimización <strong>de</strong> los procesos y prácticas <strong>de</strong> perforación.
<strong>Desarrollo</strong> e <strong>implementación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong>Sensor <strong>de</strong> Vibraciones<strong>para</strong> sartas <strong>de</strong> perforaciónMuchas Gracias<strong>Desarrollo</strong> & TecnologíaSan Antonio InternacionalAGRADECIMIENTOSLos autores quieren agra<strong>de</strong>cer al IAPG seccional Sur, y en especial al comitétécnico organizador <strong>de</strong> las presentes Jornadas <strong>de</strong> Perforación, por habernosbrindado la oport<strong>un</strong>idad <strong>de</strong> divulgar este trabajo. Asimismo, a San AntonioInternacional por promover la realización <strong>de</strong> esta publicación. Agra<strong>de</strong>cemos alpersonal <strong>de</strong> <strong>Desarrollo</strong> y Tecnología <strong>de</strong> SAI involucrado en el proyecto, enespecial al Ing. P. Rodriguez, M. Nabarro <strong>de</strong> Control Avanzado, al Ing. C. Surín,P. De Pellegrin <strong>de</strong>l Dpto. <strong>de</strong> Ing. Mecánica, al sector Servicios Integrados,proyecto Medanito, al sector Perforación Direccional y a Corralón <strong>de</strong>l Sur por suvaliosa contribución.