Este artículo apareció originalmente en el GeoDrilling International edición de junio de 2019.

El calentamiento por fricción es el resultado de un contacto de "roce" o "arrastre" contra una superficie de acoplamiento. El calor de fricción puede acumularse para superar la temperatura de transformación del acero (o 'temperatura de inicio de la transformación de austenita', ~ 750degC / 1350degF), seguido de un enfriamiento rápido del acero circundante o del fluido de enfriamiento, el endurecimiento y la fragilidad. Cuando este ciclo se repite con frecuencia, el calentamiento y el enfriamiento crean una rápida expansión y contracción que conduce a un fallo por fatiga, visto como grietas perpendiculares que se propagan desde la superficie.  

Figura 1 - Junta de la herramienta de gas y petróleo con endurecimiento y craqueo de calor

Si bien este fenómeno está bien documentado en textos de ingeniería, el problema ha sido prominente en la industria de exploración de petróleo y gas desde la década de 1940. El API (American Petroleum Institute) describe el agrietamiento por comprobación de calor como "Formación de grietas superficiales formadas por el rápido calentamiento y enfriamiento del componente" (API 'RP 7G-2, Práctica recomendada para la inspección y clasificación de elementos de taladro usados', y 'RP 96, Diseño y construcción de pozos de aguas profundas').

Un documento de IADC / SPE de 1992 sobre el agrietamiento por comprobación de calor describió simulaciones a gran escala para demostrar que el calentamiento y el endurecimiento se logran fácilmente, pero que el agrietamiento por fatiga solo se debe al rápido calentamiento y enfriamiento asociados con cada rotación de la sarta de perforación.

Como se muestra en estas imágenes de varillas de perforación con alma de cable, el agrietamiento por verificación de calor se puede identificar fácilmente, visualmente en el campo. Las grietas de control de calor son únicas ya que siguen el eje de la varilla (orientación longitudinal o "axial") y están ubicadas cerca del borde del extremo hembra o caja, y están asociadas con un área de desgaste brillante y pulida. Esta sección de la caja siempre sobresale un poco más que cualquier otra área en una barra de perforación alámbrica y crece o se 'bombea' bajo cargas de perforación altas.

'Abultamiento de la caja' es el resultado de a) el ajuste de interferencia entre el pasador y la caja (que es responsable de mantener la junta cerrada en desaceleración) y, b) la compresión del hombro de la caja bajo torsión y cualquier carga radial desde la rosca -formar. Los ángulos de flanco de carga positiva de las formas de rosca tradicionales, como las roscas Q ™, generan componentes de carga radial que pueden aumentar el abultamiento de la caja hasta el punto de separación, mientras que las formas de rosca superior con flancos de carga de ángulo inverso, como RQ ™ y XQ ™, en realidad limitar el abultamiento de la caja.

Dado que las grietas de control de calor son el resultado de la carga de fatiga, siempre comienzan desde la superficie y se forman perpendiculares a la dirección de la expansión y contracción que es longitudinal o axial en una barra de perforación y pasan fácilmente a través de las vueltas de la rosca. Las fallas de fatiga que resultan de cargas de perforación excesivas o desviaciones excesivas siempre producen grietas que comienzan internamente y se forman perpendiculares al eje, o circunferencialmente, y generalmente siguen la rosca. En otras palabras, dado que no hay cargas de perforación que actúen circunferencialmente, la única forma de formar grietas longitudinales o axiales es a través del calentamiento y enfriamiento rápidos.

Además, tenga en cuenta que la resistencia a la fatiga de cualquier acero es inferior al 50% de su "resistencia de rendimiento" normal y que el acero endurecido es mucho más frágil que el acero templado. Cuando se somete a una carga de fatiga excesiva, la vida útil máxima esperada de cualquier acero es inferior a tres millones de ciclos de carga alterna. En términos de una barra de perforación giratoria con cable, esto representa una operación de menos de unos pocos días, como máximo. Esta misma limitación de material está detrás de las fallas de fatiga en las juntas de las barras de perforación cuando se las somete a una desviación excesiva (consulte nuestro artículo anterior, "Capacidad de doblado de varillas de perforación y aplicaciones de orificios desviados).

Estas limitaciones son válidas para todas las calidades de acero al carbono y aleado de la industria de perforación por cable, todos los procesos de formación de tubos, todos los tubos de pared variable y paralelos, y todas las configuraciones de tratamiento térmico. Esto se debe a que la temperatura de transformación está determinada por el contenido de carbono y no empeora significativamente sin niveles anormalmente altos de carbono (por ejemplo, el grado AISI / SAE 1541 tiene un exceso de carbono y una temperatura de transformación reducida, que era un grado común antes del tratamiento térmico se hizo popular). Además, independientemente de si una barra de perforación fue tratada térmicamente inicialmente o no, el acero se transformará cuando se caliente por fricción por encima de su temperatura crítica, independientemente de las propiedades anteriores del material.

Figura 2 - Varias muestras de varillas de perforación con núcleo de alambre con endurecimiento y craqueo a prueba de calor

Además, estas limitaciones de material son verdaderas independientemente de si una barra de perforación es nueva o se usa, es decir, las propiedades de transformación no cambian con el uso. Los operadores que sufren de grietas de control de calor a menudo afirman tener varillas más viejas que no se agrietaron, lo cual es solo una coincidencia. Es decir, si se produce o no un incidente de agrietamiento por verificación de calor depende de una diferencia en la carga, posiblemente en el mismo orificio, en lugar de cualquier diferencia en las barras de perforación.

En resumen, el "craqueo de la prueba de calor" es el resultado de un problema de aplicación en el que hay calor generado por a) la presión de contacto lateral y, b) la lubricación insuficiente, lo que lleva a una falla por fatiga.

Obviamente, la presión de contacto lateral, o 'arrastre', se puede crear con un equipo de perforación desalineado o cuando la sarta de la barra de perforación pasa por una desviación, pero más generalmente se asocia con el pandeo de la cuerda de perforación, debido al par de perforación excesivo, la velocidad de rotación y el empuje o 'peso en bit'. Una reducción en cualquiera de estos parámetros operativos reducirá la presión de contacto lateral. Sin embargo, en algunos casos, los cuerpos intermedios de las barras de perforación pueden haber sido retorcidos permanentemente o "doblados", debido a una sobrecarga dinámica o debido a los manipuladores de barras de rodillos, lo que aumenta la presión de contacto lateral. Minimice siempre la fatiga y la carga lateral limitando las "patas de perro" (desviación total en inmersión y azimut) de la desviación del orificio a menos de 1 grado por longitud de la varilla, monitoreando con intervalos de inspección de orificios estrechos y operaciones de escariado correctivo (límite a menos de 0.6 grados) por varilla en agujeros de mayor diámetro). Evite la carga dinámica y la torsión de la barra maximizando el espacio entre las desviaciones múltiples y eliminando las desviaciones vecinas con direcciones opuestas o divergentes. Alternativamente, seleccione una broca de corte libre que permita reducir el torque y el empuje. Use un calibre de desgaste del espesor de los hombros de Boart Longyear ™ para inspeccionar el desgaste no uniforme alrededor de la circunferencia del hombro de la caja, que puede proporcionar una advertencia temprana para ajustar los parámetros de operación o mejorar la lubricación.

Es útil aplicar y mantener un recubrimiento adecuado de lubricante o grasa en la superficie exterior de la sarta de perforación que puede reducir directamente el factor de fricción y el calor generado. Durante los tirones de las varillas, inspeccione visualmente cómo se ha desgastado el revestimiento como un buen indicador del grado de contacto lateral. Los patrones de desgaste 'de un solo lado brillante', ya sea en los extremos de la caja o con un giro en espiral de un cuarto 'lento' sobre la longitud de la varilla, indican una carga excesiva.

Mientras que los fluidos de perforación contribuyen al endurecimiento de la revisión de calor al enfriar las superficies calentadas, mantenga una alta presión de fluido y considere los aditivos de polímeros para mejorar la lubricación y reducir el calentamiento por fricción y la severidad del enfriamiento.

Finalmente, considere esta recomendación de IADC / SPE, "Cuando los usuarios se enfrentan a la causa del fallo, la reacción inicial a menudo es incrédula ... Es difícil creer que las juntas de la herramienta puedan calentarse por encima de su temperatura crítica mientras perforan ... en presencia De la circulación del lodo. De vez en cuando, es necesario reintroducir en el campo el conocimiento del calentamiento por fricción en el orificio y los fenómenos de enfriamiento cíclico y las grietas longitudinales características. Los usuarios e inspectores deben reconocer la evidencia y eliminar las articulaciones afectadas ".