03-Aparejos de Productos

7/28/2019 03-Aparejos de Productos

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de

Aparejos

de

Pro

ducc

in

GUA DE DISEO3Terminaci


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GUA DE DISEO DE APAREJO

DE PRODUCIONES


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GUA DE APAREJO DE

PRODUCCIONES

CONTENIDO

1. OBJETIVO

2. INTRODUCCIN

3. CONDICIONES DE CARGA

a. Uniaxiala.1.Presin interna

a.2.Tensin

a.3.Colapso

a.4.Pruebas de presin

a.5.Factores de diseo

b. Biaxial

c. Triaxial4. DISEO PARA AMBIENTES CORROS

Presin parcial del H Sa. 2b. Presin parcial del CO2c. Efecto de la temperatura sob

resistencia del acero y la corros

5 . MOVIMIENT O DE APAREJO

PRODUCCION

a. Pistn

b. Ballooning (expansin)

c. Buckling (pandeo)

d. Temperatura

e. Longitud de sellos multi-v

APNDICE 1. Nomenclatura.

APNDICE 2. Ecuaciones de coeficempricas.APNDICE 3. Determinacin de la pde colapso empleando la ecuacin trAPNDICE 4. Comportamiento de lorentes grados de acero con la temper


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,1. OBJETIVO

2. INTRODUCCIN

Desarrollar una gua prctica paradisear aparejos de produccin ausarse en la terminacin o elmantenimiento de pozos, que considerelas cargas generadas por presininterna, colapso, tensin y lacombinacin de estos esfuerzos, queindique cmo cuantificar los esfuerzosque originan movimiento en el aparejo

de produccin (pistn, ballooning,buckling y temperatura), con la finalidadde seleccionar la tubera de menorcosto que soporte tanto las cargas a queser sometida como la presencia defluidos corrosivos.

El aparejo de produccin es el medio por el

cual se transportan los hidrocarburos desdeel yacimiento hasta la superficie. Debesoportar ntegramente las presiones y losesfuerzos a que es sometido durante laso p e r a c i o n e s d e t e r m i n a c i n ymantenimiento, tales como inducciones,pruebas de admisin, estimulaciones,fracturamientos, etc., as como durante lavida productiva del pozo.

El dimetro del aparejo de produccindebe ser tal que permita transportar losgastos de produccin esperados, pues,si es pequeo, restringir la produccin,por el contrario, si es demasiadogrande, el flujo puede ser intermitente o

GUA DE DISEO DE

APAREJO DE PRODUCCION

inestable, adems se incrementara e

costo total del pozo, pues la geometrade las tuberas de revestimientodependen directamente del tamao deaparejo de produccin.

El dimetro del aparejo es determinadmediante un anlisis nodal, el cuae s t u d i a s i m u l t n e a m e n t e ecomportamiento de flujo en el poz(outflow) y el IPR (inflow performanc

relationship); el punto de interseccide estas curvas es el punto de solucio punto de flujo natural, y determina egasto de produccin y la presin dfondo fluyendo.

La Figura 1 muestra una curva de IPRt p i c a c o n d o s c u r v a s d ecomportamiento de flujo para aparejode diferente dimetro. Esta es larepresentacin esquemtica de uanlisis de sensibilidad, con el cual sedetermina el dimetro de tubera mapropiado. El clculo se realizamanteniendo ot ros parmetroconstantes, tales como: propiedades del a f o r m a c i n y s u s f l u i d o sestrangulador, geometras de vlvulas ydisparos, etc. El dimetro seleccionad

es el que permite la mayor produccinsiempre y cuando no se presente flujinestable.

La determinacin del dimetro ptimodel aparejo de produccin la realiza eingeniero de produccin, por lo cua


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.

Deformacin0

Limite Elstico

A

Carga

Carga

A

Pagina cinco

queda fuera del alcance de esta gua.

Figura 1. Anlisis para la seleccin deldimetro del aparejo

El acero es un material elstico hastaciertos lmites, pues si una carga detensin es aplicada, sufrir unadeformacin; si esta carga es retirada,el acero recuperara su forma original.Sin embargo, si el lmite elstico esexcedido, la estructura del acerocambia y no regresar a sus

condiciones originales una vez que ele s f u e r z o e s r e m o v i d o . E s t ecomportamiento es conocido comoplstico. Si se aplica mayor carga, elacero se deformar y fallar. Estefenmeno es representado en la Figura2.

3. CONDICIONES DE CARGA

Figura 2. Comportamiento del acero bajcargas

Las condiciones de carga ms severaen la tubera de produccin ocurredurante los siguientes eventos:

Introduccion y recuperacidel aparejo (intervenciones)Inducciones.Pruebas de admisin.Estimulaciones.Fracturamientos.Control del pozo (reparaci-n)Disparos e inicio de produccin.

El aparejo de produccin est sujeto avarios esfuerzos; por tanto, las cargacomo resistencia a la presin internacolapso y tensin de la tubera, debe

nn


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ser conocidas bajo d i ferentescondiciones para un diseo apropiado.

Las propiedades mecnicas msimportantes de un tubo de produccinson: resistencia a la presin interna,colapso y tensin. Estas propiedadespueden estar actuando tanto en formaindependiente como combinada.

a. Uniaxial

Este efecto asume que no hay cargaaxial (tensin o compresin) en latubera al mismo tiempo que una cargade presin interna o colapso esaplicada.

La presin interna, colapso y tensinbajo una sola carga son definidas comosigue.

a.1. Presin interna (Burst):.Es la cantidad de presin aplicadadentro del tubo, misma que essoportada por la pared interna (verFigura 3).

La resistencia del cuerpo del tubo a esteefecto es calculada con la frmula de

presin de cedencia interna (API Boletn5C3, 1985).

(1)

La ecuacin 1 calcula la presin interna,

en la cual el esfuerzo tangencial en lapared interior alcanza el esfuerzo decedencia del material. El factor de 0.87corresponde al 87.5% del total debido la tolerancia permitida del fabricante eel espesor de la pared, la cual es igual 12.5%. El resultado de esta ecuacidebe ser redondeado a 10 psi parobtener el mismo valor que en las tabla(Boletn 5C2).

Figura 3 Presin sobre la pared interna dela tubera

a.2. Tensin.

La resistencia del cuerpo de un tubo etensin es calculada empleando ediagrama de cuerpo libre mostrado en lFigura 4. La fuerza ( ) tiende a separa1la tubera, pero lo impide la resistencia

de las paredes del tubo, las cualeejercen una contra fuerza. Esto ematemticamente representado por:

(2)

F

GUA DE DISEO DE


=D

tYpi

2875.0

()224

dDYT -=p


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D

d

1F

.

Pagina siete

La ecuacin 2 es conocida como lafrmula de la resistencia a la cedenciadel tubo (API Boletn 5C3, 1985).Tensin (T) es la resistencia axial delcuerpo del tubo, y es el producto delrea de la seccin transversal y elesfuerzo de cedencia del material (Y).Esta es la fuerza mnima que causarauna deformacin permanente

.

En la tensin, el efecto ms crtico escuando se corre el aparejo de

produccin y durante su recuperacin,para alguna intervencin. Esto secomplica cuando se dificulta eldesenchufe de los sellos multi-v odesanclar el empacador integral.

a.3. Colapso

El colapso es definido como la fuerzagenerada para aplastar un tubo poefecto resultante de fuerzas externasEste fenmeno es mucho ms complejoque el que se presenta en una tuberasometida a presin interna. Un ejemplode colapso se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Colapso de aparejo de produccin

En el colapso, las condiciones mscrticas pueden presentarse cuando latubera se encuentra vaca y en eespacio anular se ejerce una presin, demanera que se pueda colapsar eaparejo.

La resistencia al colapso es una funcinde la resistencia a la cedencia dematerial y su relacin de dimetro yespesor (D/t )La resistencia al colapso, de acuerdo


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CEDENCIA DEL

MATERIAL

y

con el API boletn 5C3 (1985) consistede cuatro regmenes de colapso, que sedeterminan con base en la resistencia ala cedencia del material y a la relacinD/t , y son definidos segn el tipo defalla:

1. Colapso de cedencia2. Colapso plstico3. Colapso de transicin

4. Colapso elstico

La Figura 6 muestra los cuatro tipos defalla en funcin de la resistencia alcolapso y la relacin.D/t

Figura 6. Modos de falla al colapso enfuncin de

No es un colapsoverdadero. Para tuberas con unarelacinD/t < 15, el esfuerzo tangencialexceder la resistencia a la cedencia delmaterial antes de que una falla deinestabilidad de colapso ocurra. Estefenmeno es matemticamente

Colapso de cedencia.

(3)

No existe unaexpresin analtica para simular estetipo de colapso; sin embargo, una

ecuacin fue desarrollada a partir de 2488 pruebas. Por tanto, la mnimapresin de colapso en rango plsticopuede ser estimada por la siguienteecuacin:

(4)

Las ecuaciones de los coeficienteempricos A,B y C se muestran en e

Apndice 2.

La mnimapresin de colapso en la zona de

transicin entre la falla plstica y laelstica es descrita por:

(5)

Colapso plstico.

Colapso de transicin.

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-=2

12

t

D

tD

Yp cc

CB

t

D

AYpcp -

-

=

-= G

t

D

FYp c t


9/25

Pagina nueve

Las ecuaciones de los coeficientesempricos

FyG

se muestran en elApndice 2.

Se basa en la teorade falla por inestabilidad elstica. Estecriterio es independiente de laresistencia a la cedencia y es aplicablea espesores de pared delgados(D/t>25). La presin de colapso mnimapara el rango elstico de colapso es

obtenida como sigue:

(6)

La Figura 7 presenta los lmites paracada tipo de colapso, en funcin delgrado de acero y la relacin dimetro-espesor. Puede util izarse paradeterminar el tipo de colapso a emplearen un caso especfico. Conforme seincrementa el espesor de pared, larelacin dimetro-espesor se reduce yel colapso se mueve de elstico acedencia, pasando por plstico y detransicin.

Esta seccin presenta los efectos quecausa una prueba de presin cuando,por alguna razn, el aparejo deproduccin se encuentra cerrado(vlvula de tormenta cerrada, arena,

Colapso elstico.

a.4.Pruebas de presin

i

Los efectos generados en el aparejo dproduccin por estas operacionedurante condiciones normales (tuberlibre) se presentarn en la seccin 6 desta gua.La Figura 8 presenta esquemticamente un aparejo de produccitapado y sometido a presin. Estfenmeno induce una fuerza de tensiconsiderable en la tubera, la cuapuede ser determinada como sigue.

Figura 7. Regiones de los diferentes tipos dcolapso

(7

La presin sobre el tapn (Pst) es lpresin en la superficie ms ldiferencial de hidrosttica debida a ldensidad de los fluidos que sencuentran sobre y debajo del tapnCuando la densidad de estos es lmisma, la diferencial es cero.

ncrustaciones, material extrao, etc.

2

6

1

1095.46

-=

t

D

t

D

xpce

istApT=


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CONDICIONES

DE CARGARANGO MAS COMUN RECOMENDADO

PRESIN INTERNA

COLAPSO

TENSIN JUNTA

TENSIN CUERPO

1.0 1.35

0.85 1.50

1.50 2.0

1.30 2.0

1.125

1.125

1.80

1.80

1.125

1.125

1.80

1.50

Tensin adicional

significativa en la partesuperior del aparejo

Efecto de piston

Tapn

Elongacin de la tuberia

Tensin adicional

significativa en la partesuperior del aparejo

Efecto de piston

Tapn

Elongacin de la tuberia

Figura 8. Efecto de prueba de presinEn un aparejo tapado

En el diseo de tubulares, los efectos decarga son separados de la resistenciade la tubera por un multiplicadorarbitrario conocido como factor deseguridad, cuya funcin es tener unrespaldo en el diseo, debido a laincertidumbre en determinar lascondiciones de carga reales, ademsdel cambio de las propiedades del acero

debido a corrosin y desgaste.La magnitud del factor de seguridad sebasa generalmente en experienciasan te r io res , pues ex is te pocadocumentacin sobre su origen oimpacto. Las compaas emplean

a.5.Factores de diseo

diferentes factores de seguridad a

disear tubulares.El factor de seguridad es definido comla relacin entre la resistencia del tubo la magnitud de la carga aplicada. Poejemplo, el factor de seguridad para lapresin interna es el siguiente:

En la actualidad no existe un estndamundialmente aceptado para lofactores de diseo; sin embargo, lavariaciones estn dentro de una bandarelativamente pequea, esto semuestra en la Tabla 1.

El anlisis uniaxial considera que noexisten cargas axiales (tensin ocompresin) en la tubera simultneamente con las de colapso o presininterna. Sin embargo, en condicionereales, la tubera de produccin

Tabla 1. Factores de Diseo tpicos de lindustria

FS = Resistencia a la presin internaPresin interna

b. Biaxial

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Pagina once

estar bajo la accin combinada de laspresines interna, externa y tensindebido al propio peso de la tubera.

El efecto biaxial considera el cambio enla resistencia al colapso y presininterna debido a la tensin ocompresin del aparejo. Esto esrepresentado por el criterio biaxialusado en el Boletn API 5C3, el cual estdado matemticamente por:

(8)

DondeYe es la resistencia a la cedenciaefectiva (en otras palabras, es laresistencia remanente de la pared deltubo para las condiciones de cargadadas) ysrepresenta el esfuerzo axialzde la tubera flotada, el cual est dadopor:

(9)

Para el clculo de colapso o presininterna bajo carga axial, se emplea laecuacin correspondiente. Para el casodel colapso, se selecciona la frmuladependiendo del tipo de colapso en

anlisis, el cual se determina con l

Figura 7. En estas ecuaciones semplea la resistencia a la cedenciefectiva ( Ye ), en lugar de la cedencioriginal del tubo ( Y ). Para determinalos coeficientes empricos A,B,C,FY Gtambin se emplea . Ye.

Los efectos relevantes obtenidos en l

ecuacin 8 son los siguientes

T e n s i n r e d u cresistencia al colapso.Tensin incrementresistencia a la presiinternaCompresin reducresistencia a la presi

internaCompresin incrementresistencia al colapso

El diseo triaxial considera que en cadelemento de acero en la tubera actatres esfuerzos sobre su superficie; esto

son: el esfuerzo axial, radial tangencial . Esto lo representesquemticamente la Figura 9.

La nica diferencia entre el concepttriaxial y el biaxial es que el segundconsidera el esfuerzo radial igual a cero

c.Triaxial

--=

YYYY zze

ss5.075.01

2

s

zA

T=s


12/25

Esta relacin tambin es conocida como laecuacin de Von Mises o la ecuacintriaxial. Simplificando y reagrupando lecuacin 10, tenemos:

(11)

Esta es la ecuacin que representa la

elipse de plasticidad mostrada en laFigura 10.

El signo a emplear ( + ) en el prime-trmino de la ecuacin 11 depende decuadrante en anlisis; esto es, paracolapso-tensin y presin internacompresin, se utiliza signo negativo(-),para los dos casos restantes, signo

positivo (+)

El Apndice 3 muestra un ejemplo decmo obtener la presin de colapsobajo cargas axiales con la ecuacin 11

La Figura 11 muestra la comparacin delos conceptos uniaxiles y triaxialesComo se puede observar, el colapso y

la presin interna se ven reducidoscuando el acero se encuentra entensin y compresin respectivamente

4. DISEO PARA AMBIENTESCORROSIVOS

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()()()

22222rztrzt

Y ssssss -+-+-=

++

+-=

+Y

p

Y

p

Y

p ititit sss2

1

4

31

2

El concepto de esfuerzos biaxiales ytriaxiales se deriva de la teora dedistorsin de energa, la cual esmatemticamente representada por lasiguiente relacin:

(10)

Figura 9. Componente axial, radial ytangencial

rz

rz


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Pagina trece

La corrosin deteriora el acero, lo cualreduce drsticamente las propiedadesmecnicas de la tubera. Por lo tanto, esfundamental detectar ambientes agresivosque propician este fenmeno paraseleccionar correctamente el acero poremplear, y as prevenir el deterioro del tubo,

Figura 11. Comparacin de esfuerzos

uniaxiales y triaxiales.

pues si esto ocurre, estara en riesgo laintegridad del pozo; adems, se tendraque programar una intervencin con elcosto, riesgo y prdida de produccinque esto involucra. Por lo tanto, elobjetivo de la seleccin apropiada delacero es disponer de un aparejo con laresistencia necesaria a la corrosin a un

costo mnimo.

Algunos de los parmetros msimportantes por considerar paradeterminar la naturaleza del ambienteen el pozo -y con esto el nivel decorrosin en el sistema- son los

siguientes:

Presin parcial del H S2Presin parcial del Co2Efecto de la temperatursobre la corrosin

Lo correspondiente a las propiedadeadecuadas del fluido empacador parreducir el ambiente de corrosin etratado en la gua de f lu idoempacadores.

La corrosin puede ocurrir durante lvida productiva del pozo reduciendo eespesor de la tubera, produciendprdida de acero en ciertos lugares picaduras (pitting). Este fenmeno sincrementa conforme aumenta lconcentracin de agentes corrosivos

tales como: oxgeno, cido sulfhdric(corrosin amarga) y bixido dcarbono (corrosin dulce).

El cido sulfhdrico (H S) es u2c o m p o n e n t e e x t r e m a d a m e n tproblemtico. Entre otros efectos, e

sumamente agresivo al aceroespecficamente sobre aquellos de altresistencia, pues produce una fallcatastrfica por fragilizacin (sulfidstress cracking). Este fenmeno sacenta conforme se incrementa eesfuerzo de la tubera (tensin) y l

a. Presin parcial del H S2


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Fisuras en el acero

reacciona con esta produciendo

disociacin de tomos de hidrgeno,los cuales se introducen en el aceroincrementando la presin en losespacios intergranulares y generandofisuras. Este fenmeno se presentaesquemticamente en la Figura 12.

Figura 12. Fisuras intergranularesgeneradas por el H S2

La presin parcial del H S se estima con2la siguiente relacin

(12)

Donde p es la presin a la profundidadde inters durante la produccin delpozo. Este dato es bien conocido por el

ingeniero de produccin o puede serdeterminado con correlaciones de flujomultifsico.

La Figura 13 (NACE MR175) puede serempleada para determinar si elambiente que tenemos es propicio al

fenmeno de fragilizacin (sulfid

stress cracking) en un sistemmonofsico. Si las condicioneexistentes caen dentro de la regin dfragilizacin, tiene que realizarse uanlisis ms detallado (este anlisis spresenta en la siguiente seccin) parseleccionar la tubera; de lo contrariocualquier tipo de acero puede seempleado.

Figura 13. Determinacin de ambientepropicios a la fragilizacin por H S.2

El bixido de carbono (CO ) es otr2sustancia que genera serios problemade corrosin. Este fenmeno e

conocido como corrosin dulce y ocurrcuando el agua de formacin tiencontacto directo con el acero, por lo cuaesto es crtico en pozos con alto corte dagua. En este suceso, la composiciqumica del agua de formacin juega upapel muy importante.

b. Presin parcial del CO2

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SHmolpSHPparcial 22 %*=

MR0175-2002MR0175-2002


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Pagina quince

La concentracin del CO en el agua2

est determinada por la presin parcialdel gas en contacto con el agua deformacin. Es estimada con la siguienterelacin:

Tabla 3. Factores de correccin portemperatura para una tubera TAC140.

Tabla 2. Nivel de corrosin esperada.

(13)

Cuando hay presencia de los do

compuestos H S y CO el ambiente e2 2,el sistema sera mas corrosivo. Parestos casos, se debe calcular la presiparcial de ambos y determinar el nivel dcorrosin esperada empleando la tabl2, as como el material requerido parese ambiente con la Figura 14.

El incremento de temperatura producuna disminucin en la resistencia a lcedencia de los tubulares; por tanto, ufactor de correccin por temperaturtiene que ser aplicado para obtener uvalor de cedencia ms acertado.

A di ferencia de los factores dseguridad, los de correccin potemperatura son determinados con uanlisis ms adecuado. Dichos factoredeben ser proporcionados por lofabricantes de los tubos.

La Tabla 3 presenta los factores dcorreccin por temperatura obtenidopor TAMSA para una tubera TAC-140Estos factores cambian para lodiferentes aceros. Para obtener lofactores de otras tuberas, consulte e

Apndice 4.

c) Efecto de la temperatura sobre l

resistencia del acero y la corrosin

22 CO%* molpCOPparcial =


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Figura 15. Comportamiento del acero TAC-140 con la temperatura.

Este factor es multiplicado por la

cedencia de fabricacin del tubo antesde aplicar el factor de seguridad.

Figura 14. Determinacin del materialrequerido.

La Figura 15 muestra el comporta-miento del acero con respecto a latemperatura para un acero TAC-140.

.

El otro fenmeno causado por latemperatura es el efecto de corrosin.La norma NACE indica que el H2S

incrementa su ataque al aceratemperaturas cercanas a 65 C. Atemperaturas mayores, el efecto emenor debido a que disminuye lsolubilidad del cido sulfhdrico en eagua, y con esto la velocidad dreaccin generada por el hidrgeno. Siembargo,experiencias en pozopetroleros han indicado que la corrosipor sulfhdrico ocurre hasta a lo100 C.

El fenmeno por corrosin debido ab ix ido de ca rbono t iene ucomportamiento s imi lar a l desu l fh d r i co con re lac in a ltemperatura. El mximo ritmo dcorrosin se presenta a temperaturaentre 70 y 80 C. Este comportamientse ilustra en la Figura 16.

Es importante considerar estos efectopara hacer una seleccin adecuada dla tubera de produccin a un costmnimo, pues cuando el ambientcorrosivo no es muy severo, puede seconveniente colocar tubera especiapara corrosin nicamente a partir de lprofundidad donde se alcancen lo100 C a la superficie.

6. MOVIMIENTO DEL APAREJO DEPRODUCCIN

El cambio de longitud del aparejooriginado por cambios de presin

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Pagina diecisiete

temperatura, puede ser positivo o

negativo y generar grandes esfuerzosen la tubera y/o empacador cuandoste no permite el libre movimiento de latubera. Esto sucede cuando se realizanoperaciones durante la terminacin,explotacin y mantenimiento del pozo,tales como: inducciones, pruebas deadmisin, estimulaciones, fractura-mientos o durante la produccin delpozo.

Figura 16. Efecto de la temperatura sobre la

corrosin por Co2

Cuando la tubera tiene movimientolibre, su acortamiento puede ser tal quela longitud de los sellos o juntas deexpansin sea insuficiente, lo quegenerara que las unidades de sellosmulti-v se salgan del empacadorgenerando un serio problema de

comunicacin; en el caso de las juntasde expansin, stas ocasionaran unesfuerzo de tensin considerable sobreel empacador.

Tambin se debe considerar el

alargamiento del aparejo durante la

produccin del pozo, pues ltransferencia de calor de los fluidos deyacimiento a la tubera causaelongacin de la misma, lo que provocuna carga sobre el empacador, o hastuna deformacin del aparejo deproduccin.

Por lo anterior, se debe disear eaparejo de produccin considerand

todos los cambios de presin temperatura que se pudiesen presentacon la finalidad de considerar lomovimientos y cambios de esfuerzos dela tubera, y as evitar un problema serio

Los efectos que producen estomovimientos netos del aparejo d eproduccin son los siguientes:

PistnBallooning (aglobamiento)

Buckling (pandeohelicoidal)

Temperatura

A continuacin se revisarn a detallcada uno de estos efectos. Cab

mencionar que las ecuaciones que spresentan aplican a pozos verticalesaparejos de produccin de un solodimetro y un solo fluido en el espacianular, pues el propsito de esta gua econocer el principio fundamental de lodiferentes efectos, as como la


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ecuaciones que modelan el fenmenopara la realizacin de clculossimplificados. Sin embargo, para lasimulacin del comportamiento delaparejo en pozos desviados, aparejoscon diferentes dimetros de tubera,etc., se requiere de un software paraproponer una alternativa efectiva yeconmica.

El efecto de pistn se basa en la ley deHooke, y se debe a la diferencial depresin actuando sobre la diferencial derea entre la tubera de produccin y elmandril del empacador. Este efectoprovoca un acortamiento si la presindiferencial es mayor en el interior de latubera y un alargamiento si la presines mayor en el espacio anular entre el

aparejo y la tubera de revestimiento.

a. Pistn

La ley de Hooke establece que e

cambio en longitud es directamenteproporcional a la fuerza aplicada. staes matemticamente representada por

Donde:

(15)

El modulo de elasticidad ( ) para e6acero es 30 x 10 psi. La Figura 15

presenta la definicin de los trminos dela ecuacin 15

Cuando la presin interna en un aparejode produccin es mayor que la presinexterna, los esfuerzos radiales queactan sobre la pared generan unaexpansin (aglobamiento) del tubo

este fenmeno causa una contraccinlongitudinal del aparejo.

Cuando la presin exterior es mayoque la presin interna, se presenta eefecto contrario y se produce una

(14)

E

b. Ballooning (aglobamiento)

GUA DE DISEO DE


sEA

FLLD=D1

()()aeEiiE pAApAAF D--D-=D

i

ED

Pi

d

D

Pa

Empacador

Aparejo

Revestimiento

Figura 17. Representacin

esquemtica del efecto pistn.


19/25

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elongacin de la tubera.

Este efecto puede ser estimado con lasiguiente ecuacin:

Considerando una relacin de Poissonigual a 0.3, el cual es un valor muyaprox imado pa ra e l ace ro , ydespreciando las prdidas por friccin( ), la ecuacin 16 se reduce a:

El primer trmino de la ecuacin 17

representa el efecto debido al cambiode densidad de los fluidos, el segundotrmino considera el cambio de presinen superficie tanto en el espacio anularcomo en el interior del aparejo.

La ecuacin 17 puede ser empleada

para tener una buena idea del efecto d

ballooningsobre el cambio de longituddel aparejo de produccin.

A este efecto se le llama as debido a lforma que adquiere el aparejo cuandose presenta el fenmeno, y tiene lugacuando hay un incremento de presien el interior de la tubera de

produccin, la cual acta en el reatransversal de la parte inferior de uaparejo que tiene movimiento libre, edecir, los sellos multi-v se pueden movea travs del rea pulida del empacador.

Este efecto acorta el aparejo deproduccin y el pandeo se produce depunto neutro hacia abajo. En estefenmeno, el punto neutro no es dond

no existe ni tensin ni compresin, sindonde el esfuerzo axial es igual aesfuerzo tangencial y radial, es decir, evalor de los tres esfuerzos es igual, y sedetermina con la siguiente ecuacin:

(18

En donde n es la distancia del fondode la tubera al punto neutro y Ff econocida como fuerza ficticia, la cual edeterminada como sigue:Ff

(19)

C. Buckling (pandeo helicoidal)

(16)1

2

1

2

21

2

2

2

2

2

2

-D-D+

-

+-D-D

=D

RpRp

EL

R

R

E

LL

ai

ai

m

dmm

rrm

(17)1

6.0

1

3.0

2

2

2

22

2

-D-D

+

-D-D

=D

R

pRp

E

L

R

R

E

LL

ai

ai rr

d

w

Fn

f=

)( aiEf ppAF -=


20/25

La sarta de perforacin no sufrirpandeo si la fuerza ficticia es negativa ocero.

El cambio de longitud provocado porbuckling se determina mediante lasiguiente ecuacin:

(20)

Donde I es el momento de inerciadado por:

(21)

Donde W ,W son el peso delfafifluido en el interior y espacio anular

respectivamente.

(22)(23)

El pandeo helicoidal es importante, yaque puede ocasionar deformacinpermanente del aparejo.

d. Temperatura

El efecto de la temperatura produce uncambio de longitud de la sarta deproduccin. sta se contrae cuandoexiste inyeccin de f lu idos atemperatura de superficie, en el caso de

ca len tamiento de l apare jo de

produccin, ya sea por las condicionede produccin o por la inyeccin defluidos calientes, se genera unaelongacin. Lo anterior sucede siemprey cuando se tenga un movimiento librede los sellos multi-v, de lo contrario seproducen fuerzas sobre el empacador.

El cambio de longitud por este efecto escalculado mediante la siguiente

ecuacin:

(24

En donde es el coeficiente deexpansin trmica del acero

0-6(12.42 x10 / C) yDT es el cambio

promedio de la temperatura.

Cuando se disea una terminacin conel aparejo de produccin libre amovimiento, se requiere introducir unalongitud de sellos multi-v que permitaabsorber las elongaciones y contrac

ciones generadas en la tubera. Estalongitud se obtiene sumando algebraicamente el total de los efectopreviamente revisados e ilustrados enla Figura 18. El cambio de longitud totase determina mediante la siguienteecuacin:

e. Longitud de sellos multi-v

GUA DE DISEO DE


( ))(8

222

3

fafip

aiE

wwwEI

ppArL

-+D-D

-=D

()4464

dDI -=p

aafa Aw *r=iifi Aw *r=

TLL D=Db4

b


21/25

Pagina veintiuno

(25)

Una vez que se conoce el cambio totalde longitud, se selecciona tanto lacantidad de sellos como la longitudinicial entre el tope localizador y elempacador.

La ecuacin 25 tambin puede serempleada para determinar la cantidad y

posicin de las juntas de expansin.Una prctica comn de compensacinde posibles acortamientos de aparejode produccin, como resultado de loscambios de presin y temperaturadurante las diferentes intervenciones,es aplicar una carga sobre elempacador. El cambio de longituddejada sobre el empacador se calcula

con la siguiente ecuacin:

(26)

En la relacin anterior, el primer trminoes el incremento de longitud por efectode pistn y el segundo por alabeohelicoidal.

La seleccin adecuada de la tubera deproduccin se determina calculando laspresiones a que ser sometida tanto enel espacio anular (revestimiento-aparejo de produccin) como en elinterior. Estas presiones son el efectode las diferentes operaciones que se

realizar en la etapa de terminacin ydurante la vida productiva del pozo. Laecuaciones para obtenerlas sonpresentadas en la gu a paraempacadores de produccin. La tuberaseleccionada debe ser capaz desoportar tanto la presin al colapsocomo la presin en el interior de latubera.

Respecto a la tensin, se tiene que

considerar el peso de la tubera y loefectos generados por los cambios depresin y temperatura, los cualeproducen esfuerzos de tensin ocompresin, dependiendo del sistemaempacador-aparejo de produccin.

Como se coment anteriormente, lasecuencia de clculo para determinar laresistencia de la tubera al colapsopresin interna y tensin, as como losesfuerzos generados en el aparejo polos cambios de presin y temperaturaes un proceso muy laborioso, por lo quese recomienda el empleo del softwarepara realizar una simulacin completade las di ferentes operacioneplaneadas en la terminacin del pozopues el propsito de esta gua es

conocer el principio fundamental de lodiferentes efectos, as como laecuaciones que modelan los diferentefenmenos que toman lugar, con lafinalidad de obtener una correctainterpretacin de los resultados queaporte el software.

4321 LLLLLT D+D+D+D=D

22

8F

EIw

rF

EAs

LLe +=D


22/25

Figura 18. Movimiento neto del aparejo.

2rea de la seccin anular (pg )

2rea exterior de la tubera (pg )

rea de la seccin pulida del empa-2cador (pg )

2rea interior de la tubera (pg )

rea de la seccin transversal de la2tubera (pg )

Dimetro interior de la tubera (pg)

Dimetro de la seccin pulida del

Apndice 1.Nomenclatura

Dimetro externo de la tubera

6Modulo de Young (30x10 psi)

Fuerza ficticia (lbs)

4Momento de inercia (pg )

Longitud de la tubera (pies)

Distancia del extremo inferior del

aparejo al punto neutro (pies)

Presin (psi)

Presin en el espacio anular a laprofundidad del empacador (psi)

Presin en el interior de la tubera la altura del empacador (psi)

Presin de colapso de cedencia(psi)

Presin de colapso elstico (psi)

Presin de colapso plstico (psi)

Presin de colapso de transicin(psi)

Presin sobre el tapn (psi)

Presin parcial del H S (psi)2

Presin parcial del CO (psi)2

Distancia radial entre TP y TRr-r(pg), ( r= .TR ext.TP)int

(pg)

GUA DE DISEO DE


=aA

=eA

=EA

=sA

=d

=ED

=D

=E

=fF

=I

=L

=n

=p

=ap

=ip

=ccp

=cep

=iA

=ctp

=stp

=SHPparcial 2

r=

Pcp=

=2COPparcia l


23/25

Pagina veintres

Relacin del dimetro exterioral dimetro interior de la tube-ra (R=D/d)

Espesor de pared de la tuberia(pg)

Tensin (lbs)

Peso de la tubera en el aire

(lb/pg)

Peso del fluido en el espacioanular desplazado por volumende la tuberia (lb/pg)

Peso del fluido contenido den-tro de la tubera (lb/pg)

Peso de la tubera (lb/pg)

Resistencia a la cedencia origi-nal (psi)

Resistencia a la cedencia efectiva (psi)

Coeficiente de expansin tr-- 6 omica del acero (12.42x10 / C)

Cambio de longitud de la tube-ra por efecto pistn (pg)

Cambio de longitud de la tube-ra por alabeo Buckling (pg)

tubera por efecto deaglobamiento o Ballooning(pg)

Cambio de longitud de latubera por efecto detemperatura (pg)

Cambio de longitud de ltubera por efecto de carga eel empacador (pg)

Cambio de longitud neto totade la tubera (pg)

Cambio de fuerzas en elempacador por efecto depresin (lbs)

Cambio de presin en elespacio anular a la prof. delempacador (psi)

Cambio de presin dentro dela tubera a la prof. delempacador (psi)

Cambio de la densidad delfluido en el espacio anular

3(lb/pie )

Cambio de la densidad delfluido dentro de la TP (lb/pie

Cambio de temperaturaodebido a flujo ( C)

Cada de presin en latubera debido a flujo (psi/pg

Cambio de longitud de la

=t

=R =D3L

=T

=w

=faw

=fiw

=pw

=eY

=Y

=b

=D1L

=D4L

=D2L

=DTL

=Dir

=DLe

=Dar

=DT

=d

=DF

=Dap

=Dip)inicialfinala rrr-=D

)inicialfinala rrr-=D


24/25

GUA DE DISEO DE


Esfuerzo tangencial (psi)

Esfuerzo axial (psi)

Relacin de Poisson delmaterial (acero = 0.3)

Densidad del fluido en el3interior de la tubera (lb/pg )

Densidad del fluido en el 3espacio anular (lb/pg )

Esfuerzo radial (psi)

Apndice 2.

Ecuaciones de coeficientes empricos

=rs

=ts

=zs

=m

=ir

=ar

Apndice 3Determinacin de la presin dcolapso empleando la ecuacitriaxial.

La ecuacin triaxial esta dada por:

Para un modo de falla de colapso porcedencia, el esfuerzo tangencial esmatematicamente representado por:

Sustituyendo la Ecuacin 3.2 en etrmino de la izquierda y arreglandol

tenemos

A continuacin se presenta un ejemplpara determinar la presin de colaps

bajo diferentes cargas. Los datos solos siguientes:

Calcular la presin de colapso nominaconsiderando que la tubera esta sujeta una tensin axial de 40,000 psi y a unpresin interna de 10,000 psi. La tubera

++

+-=

+

Y

p

Y

p

Y

p izizit sss2

1

4

31

2

........

()22

222 2

ie

ecieit

rr

rprrp

--+

=s

-

-=

+

Y

pp

dd

d

Y

p ci

ie

eit

22

22s

..................................................3

......................

..................................................3

................

..................................................3

3162105 1053132.01021301.01010679.08762.2 YYYA--- -++=

YB 61050609.0026233.0-+=

31327 1036989.01010483.0030867.093.465 YYYC -- +-+-=

2

3

6

/2/31/

/2/3

/2

/31095.46

+-

-+

+

=

ABABAB

ABABY

AB

AB

F AFBG /=

G r a d o A B C F G

2 0 2 , 9 0 6 0 . 0 3 6 4 1 4 7 . 5 0 2 , 5 7 6 0 . 0 3 2 22 5 2 , 9 1 5 0 . 0 3 8 9 2 9 9 . 8 0 2 , 3 4 8 0 . 0 3 1 33 0 2 , 9 2 6 0 . 0 4 1 4 4 5 1 . 6 0 2 , 2 0 9 0 . 0 3 1 33 5 2 , 9 3 7 0 . 0 4 3 9 6 0 3 . 2 0 2 . 1 2 0 . 0 3 1 7

H -4 0 2 . 9 5 0 . 0 4 6 5 7 5 4 . 3 0 2 , 0 6 3 0 . 0 3 2 54 5 2 , 9 6 3 0 . 0 4 9 0 9 0 5 . 2 0 2 , 0 2 6 0 . 0 3 3 55 0 2 , 9 7 6 0 . 0 5 1 5 1 0 5 5 . 8 2 , 0 0 3 0 . 0 3 4 7

J & K -5 5 2 , 9 9 1 0 . 0 5 4 1 1 2 0 6 . 2 1 , 9 8 9 0 . 0 3 6 06 0 3 , 0 0 5 0 . 0 5 6 6 1 3 5 6 . 3 1 , 9 8 3 0 . 0 3 7 36 5 3 , 0 2 1 0 . 0 5 9 1 1 5 0 6 . 3 1 , 9 8 2 0 . 0 3 8 87 0 3 , 0 3 7 0 . 0 6 1 7 1 6 5 6 . 1 1 , 9 8 4 0 . 0 4 0 3

C -7 5 3 , 0 5 4 0 . 0 6 4 2 1 8 0 5 . 7 1 . 9 9 0 . 0 4 1 8L & N -8 0 3 , 0 7 1 0 . 0 6 6 7 1 9 5 5 . 3 1 , 9 9 8 0 . 0 4 3 4

8 5 3 , 0 8 8 0 . 0 6 9 3 2 1 0 4 . 7 2 , 0 0 7 0 . 0 4 5 0C -9 0 3 , 1 0 6 0 . 0 7 1 8 2 2 5 4 . 2 2 , 0 1 7 0 . 0 4 6 6

9 5 3 , 1 2 4 0 . 0 7 4 3 2 4 0 3 . 5 2 , 0 2 9 0 . 0 4 8 21 0 0 3 , 1 4 3 0 . 0 7 6 8 2 5 5 2 . 9 2 . 0 4 0 . 0 4 9 9

P -1 0 5 3 , 1 6 2 0 . 0 7 9 4 2 7 0 2 . 3 2 , 0 5 3 0 . 0 5 1 51 1 0 3 , 1 8 1 0 . 0 8 1 9 2 8 5 1 . 8 2 , 0 6 6 0 . 0 5 3 21 1 5 3 . 2 0 . 0 8 4 4 3 0 0 1 . 4 2 , 0 7 9 0 . 0 5 4 9

1 2 0 3 , 2 1 9 0 . 0 8 7 0 3 1 5 1 . 1 2 , 0 9 2 0 . 0 5 6 51 2 5 3 , 2 3 9 0 . 0 8 9 5 3 3 0 0 . 9 2 , 1 0 6 0 . 0 5 8 21 3 0 3 , 2 5 8 0 . 0 9 2 0 3 4 5 0 . 9 2 , 1 1 9 0 . 0 5 9 91 3 5 3 , 2 7 8 0 . 0 9 4 6 3 6 0 1 . 1 2 , 1 3 3 0 . 0 6 1 51 4 0 3 , 2 9 7 0 . 0 9 7 1 3 7 5 1 . 5 2 , 1 4 6 0 . 0 6 3 21 4 5 3 , 3 1 7 0 . 0 9 9 6 3 9 0 2 . 1 2 . 1 6 0 . 0 6 4 91 5 0 3 , 3 3 6 0 . 1 0 2 1 4 0 5 3 . 1 2 , 1 7 4 0 . 0 6 6 61 5 5 3 , 3 5 6 0 . 1 0 4 7 4 2 0 4 . 3 2 , 1 8 8 0 . 0 6 8 31 6 0 3 , 3 7 5 0 . 1 0 7 2 4 3 5 5 . 9 2 , 2 0 2 0 . 0 7 0 01 6 5 3 , 3 9 4 0 . 1 0 9 7 4 5 0 7 . 9 2 , 2 1 6 0 . 0 7 1 71 7 0 3 , 4 1 2 0 . 1 1 2 3 4 6 6 0 . 2 2 , 2 3 1 0 . 0 7 3 41 7 5 3 , 4 3 1 0 . 1 1 4 8 4 8 1 3 . 0 2 , 2 4 6 0 . 0 7 5 11 8 0 3 , 4 4 9 0 . 1 1 7 3 4 9 6 6 . 2 2 , 2 6 1 0 . 0 7 6 91 8 5 3 , 4 6 6 0 . 1 1 9 9 5 1 1 9 . 9 2 , 2 7 6 0 . 0 7 8 71 9 0 3 , 4 8 4 0 . 1 2 2 4 5 2 7 4 . 1 2 , 2 9 2 0 . 0 8 0 51 9 5 3 . 5 0 . 1 2 4 9 5 4 2 8 . 8 2 , 3 0 8 0 . 0 8 2 42 0 0 3 , 5 1 7 0 . 1 2 7 5 5 5 8 4 . 1 2 , 3 2 5 0 . 0 8 4 3


25/25

de revestimiento es de 5.5 pg, N-80 y 26lb/pie, con un espesor de pared de0.476 pg.

Sustituyendo los datos en la Ecuacin3.3 tenemos:

Resolviendo el trminode la Ecuacin 3.1Tenemos:

Sustituyendo los trminos anterioresen la Ecuacin 3.1 tenemos:

Considerando la explicacin en la gua

el signo a considerar en este escenari

(colapso - tensin) es el signo negativo.

Por lo tanto, la presin de colapso quresistira esta tubera es de 16,684 psesto es considerando que se tendra unpresin interna de 10,000 psi. Se puedobservar que si la presin interna eeliminada, la presin de colapso sreduce considerablemente.

Apndice 4.Comportamiento de los diferentesgrados de acero con la temperatura

()( )

-

-=

+000,80548.45.5

5.5222

2

ciit pp

Y

ps

+

Y

p izs

-=

649,12ci pp

625.080000

1000040000=

+=

+Y

pizs

()()625.05.0625.075.01649,12

000,10 2+-=

-cp

5284.0649,12

000,10-=

-cp

() pspc 684,16649,125284.0000,10 =+=

Comportamiento del grado acero con el incremento de la temperaturaFactor de reduccinTemperatura

(C) N-80 TRC-95 P-110 TAC-110 TAC-140

20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00100 0,97 0,97 0,99 0,94 0,94125 0,96 0,99 1,00 0,94 0,94150 0,92 0,96 0,93 0,91 0,94175 0,93 0,93 0,97 0,94 0,97200 0,90 0,92 0,95 0,90 0,89300 0,94 0,95 0,95 0,92 0,83400 0,89 0,87 0,86 0,84 0,83

Pagina veinticinco

03-Aparejos de Productos

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