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Aparejos de Producción

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Aparejos de Producción

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OBJETIVO

Desarrollar una guía práctica para diseñar aparejos de producción a usarse en la terminación o

el mantenimiento de pozos, que considere las cargas generadas por presión interna, colapso,

tensión y la combinación de estos esfuerzos, que indique cómo cuantificar los esfuerzos que

originan movimiento en el aparejo de producción (pistón, ballooning, buckling y temperatura),

con la finalidad de seleccionar la tubería de menor costo que soporte tanto las cargas a que

será sometida como la presencia de fluidos corrosivos.

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INTRODUCCIÓN

El aparejo de producción es el medio por el cual se transportan los hidrocarburos desde el

yacimiento hasta la superficie. Debe soportar íntegramente las presiones y los esfuerzos a

que es sometido durante las operaciones de terminación y mantenimiento, tales como

inducciones, pruebas de admisión, estimulaciones, fracturamientos, etc., así como durante

la vida productiva del pozo. El diámetro del aparejo de producción debe ser tal que permita

transportar los gastos de producción esperados, pues, si es pequeño, restringirá la

producción, por el contrario, si es demasiado grande, el flujo puede ser intermitente o

inestable, además se incrementara el costo total del pozo, pues la geometría de las tuberías

de revestimiento dependen directamente del tamaño del aparejo de producción. El

diámetro del aparejo es determinado mediante un análisis nodal, el cual estudia

simultáneamente el comportamiento de flujo en el pozo (outflow) y el IPR (inflow

performance relationship); el punto de intersección de estas curvas es el punto de solución

o punto de flujo natural, y determina el gasto de producción y la presión de fondo fluyendo.

La Figura 1 muestra una curva de IPR típica con dos curvas de comportamiento de flujo para

aparejos de diferente diámetro. Esta es la representación esquemática de un análisis de

sensibilidad, con el cual se determina el diámetro de tubería más apropiado. El cálculo se

realiza manteniendo otros parámetros constantes, tales como: propiedades de la formación

y sus fluidos, estrangulador, geometrías de válvulas y disparos, etc. El diámetro

seleccionado es el que permite la mayor producción, siempre y cuando no se presente flujo

inestable. La determinación del diámetro óptimo del aparejo de producción la realiza el

ingeniero de producción, por lo cual queda fuera del alcance de esta guía.

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Fig 1 Análisis para la selección del diámetro del aparejo

CONDICIONES DE CARGA

El acero es un material elástico hasta ciertos límites, pues si una carga de tensión es

aplicada, sufrirá una deformación; si esta carga es retirada, el acero recuperara su forma

original. Sin embargo, si el límite elástico es excedido, la estructura del acero cambia y no

regresará a sus condiciones originales una vez que el esfuerzo es removido. Este

comportamiento es conocido como plástico. Si se aplica mayor carga, el acero se deformará

y fallará. Este fenómeno es representado en la Figura 2. IPR

Fig 2 Comportamiento del acero bajo cargas.

Las condiciones de carga más severas en la tubería de producción ocurren durante los

siguientes eventos:

• Introducción y recuperación del aparejo (intervenciones).

• Inducciones.

• Pruebas de admisión.

• Estimulaciones.

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• Fracturamientos.

• Control del pozo (reparación)

• Disparos e inicio de producción.

El aparejo de producción está sujeto a varios esfuerzos; por tanto, las cargas como resistencia

a la presión interna, colapso y tensión de la tubería, deben ser conocidas bajo diferentes

condiciones para un diseño apropiado. Las propiedades mecánicas más importantes de un tubo

de producción son: resistencia a la presión interna, colapso y tensión. Estas propiedades

pueden estar actuando tanto en forma independiente como combinada.

a. Uniaxial

Este efecto asume que no hay carga axial (tensión o compresión) en la tubería al mismo tiempo

que una carga de presión interna o colapso es aplicada. La presión interna, colapso y tensión

bajo una sola carga son definidas como sigue.

a.1 Presión interna (Burst)

Es la cantidad de presión aplicada dentro del tubo, misma que es soportada por la pared interna

(ver Figura 3). La resistencia del cuerpo del tubo a este efecto es calculada con la fórmula de

presión de cedencia interna (API Boletín 5C3, 1985).

Ecuación 1

La ecuación 1 calcula la presión interna, en la cual el esfuerzo tangencial en la pared interior

alcanza el esfuerzo de cedencia del material. El factor de 0.875 corresponde al 87.5% del total

debido a la tolerancia permitida del fabricante en el espesor de la pared, la cual es igual a

12.5%. El resultado de esta ecuación debe ser redondeado a 10 psi para obtener el mismo

valor que en las tablas (Boletín 5C2).

a.2 Tensión.

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La resistencia del cuerpo de un tubo en tensión es calculada empleando el diagrama de cuerpo

libre mostrado en la Figura 4. La fuerza ( F 1) tiende a separar la Carga tubería, pero lo impide

la resistencia de las paredes del tubo, las cuales ejercen una contra fuerza.

Fig 3 Presión sobre lapared interna de la tubería

Esto es matemáticamente representado por:

Ecuación 2

La ecuación 2 es conocida como la fórmula de la resistencia a la cedencia del tubo (API Boletín 5C3, 1985). Tensión (T ) es la resistencia axial del cuerpo del tubo, y es el producto del área de la sección transversal y el esfuerzo de cedencia del material (Y ). Esta es la fuerza mínima que causaría una deformación permanente.

Fig 4 Tensión aplicada sobre un tubo

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En la tensión, el efecto más crítico es cuando se corre el aparejo de producción y durante su

recuperación, para alguna intervención. Esto se complica cuando se dificulta el desenchufe

de los sellos multi-v o desanclar el empacador integral.

a.3 Colapso

El colapso es definido como la fuerza generada para aplastar un tubo por efecto resultante

de fuerzas externas. Este fenómeno es mucho más complejo que el que se presenta en una

tubería sometida a presión interna. Un ejemplo de colapso se muestra en la Figura 5.

Fig 5 Colapso de aparejo de producción.

El colapso es definido como la fuerza generada para aplastar un tubo por efecto En el colapso,

las condiciones más críticas pueden presentarse cuando la tubería se encuentra vacía y en el

espacio anular se ejerce una presión, de manera que se pueda colapsar el aparejo. La

resistencia al colapso es una función de la resistencia a la cedencia del material y su relación

de diámetro y espesor (D/t ) La resistencia al colapso, de acuerdo con el API boletín 5C3 (1985)

consiste de cuatro regímenes de colapso, que se determinan con base en la resistencia a la

cedencia del material y a la relación D/t , y son definidos según el tipo de falla:

1. Colapso de cedencia

2. Colapso plástico

3. Colapso de transición

4. Colapso elástico

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La Figura 6 muestra los cuatro tipos de falla en función de la resistencia al colapso y la

relación D/t

Figura 6. Modos de falla al colapso enfunción de D/t

Colapso de cedencia.

No es un colapso verdadero. Para tuberías con una relación D/t < 15, el esfuerzo tangencial

excederá la resistencia a la cedencia del material antes de que una falla de inestabilidad de

colapso ocurra. Este fenómeno es matemáticamente representado por:

Ecuación 3

Colapso plástico.

No existe una expresión analítica para simular este tipo de colapso; sin embargo, una ecuación

fue desarrollada a partir de 2, 488 pruebas. Por tanto, la mínima presión de colapso en rango

plástico puede ser estimada por la siguiente ecuación:

Ecuación 4

Las ecuaciones de los coeficientes empíricosA, B, y C se muestran en el Apéndice 2.

Colapso de transición.

La mínima presión de colapso en la zona de transición entre la falla plástica y la elástica es

descrita por:

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Ecuación 5Las ecuaciones de los coeficientesempíricos F y G se muestran en elApéndice 2.

Colapso elástico.

Se basa en la teoría de falla por inestabilidad elástica. Este criterio es independiente de la

resistencia a la cedencia y es aplicable a espesores de pared delgados ( 25 / > Dt ). La

presión de colapso mínima para el rango elástico de colapso es obtenida como sigue:

Ecuación 6

La Figura 7 presenta los límites para cada tipo de colapso, en función del grado de acero y la

relación diámetro-espesor. Puede utilizarse para determinar el tipo de colapso a emplear en un

caso específico. Conforme se incrementa el espesor de pared, la relación diámetro-espesor se

reduce y el colapso se mueve de elástico a cedencia, pasando por plástico y de transición.

a.4 Pruebas de presión

Esta sección presenta los efectos que causa una prueba de presión cuando, por alguna razón,

el aparejo de producción se encuentra cerrado (válvula de tormenta cerrada, arena,

incrustaciones, material extraño, etc.). Los efectos generados en el aparejo de producción por

estas operaciones durante condiciones normales (tubería libre) se presentarán en la sección 6

de esta guía. La Figura 8 presenta esquemáticamente un aparejo de producción tapado y

sometido a presión. Este fenómeno induce una fuerza de tensión considerable en la tubería, la

cual puede ser determinada como sigue.

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Fig 7 Regiones de los diferentes tipos de colapso.

Ecuación 7

La presión sobre el tapón (P st ) es la presión en la superficie más la diferencial de

hidrostática debida a la densidad de los fluidos que se encuentran sobre y debajo del tapón.

Cuando la densidad de estos es la misma, la diferencial es cero.

Fig 8 Efecto de prueba de presión en un aparejo tapado

a.5 Factores de diseño

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En el diseño de tubulares, los efectos de carga son separados de la resistencia de la tubería por

un multiplicador arbitrario conocido como factor de seguridad, cuya función es tener un respaldo

en el diseño, debido a la incertidumbre en determinar las condiciones de carga reales, además

del cambio de las propiedades del acero debido a corrosión y desgaste. La magnitud del factor

de seguridad se basa generalmente en experiencias anteriores, pues existe poca

documentación sobre su origen o impacto. Las compañías emplean diferentes factores de

seguridad a diseñar tubulares. El factor de seguridad es definido como la relación entre la

resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada. Por ejemplo, el factor de seguridad para

la presión interna es el siguiente:

Internaesion

InternaesionlaasistenciaFS

Pr

PrRe=

En la actualidad no existe un estándar mundialmente aceptado para los factores de diseño;

sin embargo, las variaciones están dentro de una banda relativamente pequeña, esto se

muestra en la Tabla 1.

b. Biaxial

El análisis uniaxial considera que no existen cargas axiales (tensión o compresión) en la

tubería simultáneamente con las de colapso o presión interna. Sin embargo, en condiciones

reales, la tubería de producción estará bajo la acción combinada de las presiones interna,

externa y tensión debido al propio peso de la tubería.

Tabla 1. Factores de Diseño típicos de la industria

El efecto biaxial considera el cambio en la resistencia al colapso y presión interna debido a

la tensión o compresión del aparejo. Esto es representado por el criterio biaxial usado en el

Boletín API 5C3, el cual está dado matemáticamente por:

Ecuación 8

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Donde Ye es la resistencia a la cedencia efectiva (en otras palabras, es la resistencia

remanente de la pared del tubo para las condiciones de carga dadas) y = zσ representa el

esfuerzo axial de la tubería flotada, el cual está dado por:

Ecuación 9

Para el cálculo de colapso o presión interna bajo carga axial, se emplea la ecuación

correspondiente. Para el caso del colapso, se selecciona la fórmula dependiendo del tipo de

colapso en análisis, el cual se determina con la Figura 7. En estas ecuaciones se emplea la

resistencia a la cedencia efectiva (Ye), en lugar de la cedencia original del tubo “Y”. Para

determinar los coeficientes empíricos F C B A , , , y G , también se emplea “Ye”.

Los efectos relevantes obtenidos en la ecuación 8 son los siguientes:

Tensión reduce resistencia al colapso.

Tensión incrementa resistencia a la presión interna

Compresión reduce resistencia a la presión interna

Compresión incrementa resistencia al colapso

c. Triaxial

El diseño triaxial considera que en cada elemento de acero en la tubería actúan tres esfuerzos

sobre su superficie; estos son: el esfuerzo axial, radial y tangencial. Esto lo representa

esquemáticamente la Figura 9. La única diferencia entre el concepto triaxial y el biaxial es que

el segundo considera el esfuerzo radial igual a cero.

Fig 9 Componente axial, radial y tangencial

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El concepto de esfuerzos biaxiales y triaxiales se deriva de la teoría de distorsión de energía, la

cual es matemáticamente representada por la siguiente relación:

Ecuación 10

Figura 10. Elipse de plasticidad.

Esta relación también es conocida como la ecuación de Von Mises o la ecuación triaxial.

Simplificando y reagrupando la ecuación 10, tenemos:

Ecuación 11

Esta es la ecuación que representa la elipse de plasticidad mostrada en la Figura 10. El signo a

emplear (+/-) en el primer término de la ecuación 11 depende del cuadrante en análisis; esto es,

para colapso- tensión y presión interna-compresión, se utiliza signo negativo (-), para los dos

casos restantes, signo positivo (+) El Apéndice 3 muestra un ejemplo de cómo obtener la

presión de colapso bajo cargas axiales con la ecuación 11.

La Figura 11 muestra la comparación de los conceptos uniaxiles y triaxiales. Como

se puede observar, el colapso y la presión interna se ven reducidos cuando el acero

se encuentra en tensión y compresión respectivamente.

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DISEÑO PARA AMBIENTES CORROSIVOS

La corrosión deteriora el acero, lo cual reduce drásticamente las propiedades mecánicas de la

tubería. Por lo tanto, es fundamental detectar ambientes agresivos que propician este fenómeno

para seleccionar correctamente el acero por emplear, y así prevenir el deterioro del tubo, pues

si esto ocurre, estaría en riesgo la integridad del pozo; además, se tendría que programar una

intervención con el costo, riesgo y pérdida de producción que esto involucra. Por lo tanto, el

objetivo de la selección apropiada del acero es disponer de un aparejo con la resistencia

necesaria a la corrosión a un costo mínimo. Algunos de los parámetros más importantes por

considerar para determinar la naturaleza del ambiente en el pozo y con esto el nivel de

corrosión en el sistema son los siguientes:

Presión parcial del H2S

Presión parcial del CO2

Efecto de la temperatura sobre la corrosión

Figura 11. Comparación de esfuerzos uniaxiales y triaxiales.

Lo correspondiente a las propiedades adecuadas del fluido empacador para reducir el ambiente

de corrosión es tratado en la guía de fluidos empacadores. La corrosión puede ocurrir durante

la vida productiva del pozo reduciendo el espesor de la tubería, produciendo pérdida de acero

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en ciertos lugares o picaduras (pitting). Este fenómeno se incrementa conforme aumenta la

concentración de agentes corrosivos, tales como: oxígeno, ácido sulfhídrico (corrosión amarga)

y bióxido de carbono (corrosión dulce).

a. Presión parcial del H2S

El ácido sulfhídrico (H2S) es un componente extremadamente problemático. Entre otros

efectos, es sumamente agresivo al acero, específicamente sobre aquellos de alta resistencia,

pues produce una falla catastrófica por fragilización (sulfide stress cracking). Este fenómeno se

acentúa conforme se incrementa el esfuerzo de la tubería (tensión) y la presencia de agua,

pues el H2S reacciona con esta produciendo disociación de átomos de hidrógeno, los cuales se

introducen en el acero incrementando la presión en los espacios intergranulares y generando

fisuras. Este fenómeno se presenta esquemáticamente en la Figura 12. La presión parcial del

H2S se estima con la siguiente relación:

Figura 12. Fisuras intergranularesgeneradas por el H2S

Ecuación 12

Donde p es la presión a la profundidad de interés durante la producción del pozo. Este dato es

bien conocido por el ingeniero de producción o puede ser determinado con correlaciones de

flujo multifásico.

La Figura 13 (NACE MR175) puede ser empleada para determinar si el ambiente que tenemos

es propicio al fenómeno de fragilización (sulfide stress cracking) en un sistema monofásico. Si

las condiciones existentes caen dentro de la región de fragilización, tiene que realizarse un

análisis más detallado (este análisis se presenta en la siguiente sección) para seleccionar la

tubería; de lo contrario, cualquier tipo de acero puede ser empleado.

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Figu 13 Determinación de ambientes propicios a la fragilización por H2S.

b. Presión parcial del CO2

El bióxido de carbono (CO2) es otra sustancia que genera serios problemas de corrosión. Este

fenómeno es conocido como corrosión dulce y ocurre cuando el agua de formación tiene

contacto directo con el acero, por lo cual esto es crítico en pozos con alto corte de agua. En

este suceso, la composición química del agua de formación juega un papel muy importante. La

concentración del CO2 en el agua está determinada por la presión parcial del gas en contacto

con el agua de formación. Es estimada con la siguiente relación:

Ecuación 13

Tabla 3. Factores de corrección por temperatura para una tubería TAC–140.

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Cuando hay presencia de los dos compuestos, H2S y CO2, el ambiente en el sistema será más

corrosivo. Para estos casos, se debe calcular la presión parcial de ambos y determinar el nivel

de corrosión esperada empleando la Tabla 2, así como el material requerido para ese ambiente

con la Figura 14.

Fig 14 Determinación del material requerido.

Tabla 2. Nivel de corrosión esperada.

c) Efecto de la temperatura sobre la resistencia del acero y la corrosión

El incremento de temperatura produce una disminución en la resistencia a la cedencia de los

tubulares; por tanto, un factor de corrección por temperatura tiene que ser aplicado para

obtener un valor de cedencia más acertado. A diferencia de los factores de seguridad, los de

corrección por temperatura son determinados con un análisis más adecuado. Dichos factores

deben ser proporcionados por los fabricantes de los tubos. La Tabla 3 presenta los factores de

corrección por temperatura obtenidos por TAMSA para una tubería TAC-140. Estos factores

cambian para los diferentes aceros. Para obtener los factores de otras tuberías, consulte el

Apéndice 4. Este factor es multiplicado por la cedencia de fabricación del tubo antes de aplicar

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el factor de seguridad. La Figura 15 muestra el comportamiento del acero con respecto a la

temperatura para un acero TAC-140.

Figura 15. Comportamiento del aceroTAC-140 con la temperatura.

El otro fenómeno causado por la temperatura es el efecto de corrosión. La norma NACE indica

que el H2S incrementa su ataque al acero a temperaturas cercanas a 65 °C. A temperaturas

mayores, el efecto es menor debido a que disminuye la solubilidad del ácido sulfhídrico en al

agua, y con esto la velocidad de reacción generada por el hidrógeno. Sin embargo,

experiencias en pozos petroleros han indicado que la corrosión por sulfhídrico ocurre hasta a

los 100 °C. El fenómeno por corrosión debido al bióxido de carbono tiene un comportamiento

similar al del sulfhídrico con relación a la temperatura. El máximo ritmo de corrosión se presenta

a temperaturas entre 70 y 80 °C. Este comportamiento se ilustra en la Figura 16. Es importante

considerar estos efectos para hacer una selección adecuada de la tubería de producción a un

costo mínimo, pues cuando el ambiente corrosivo no es muy severo, puede ser conveniente

colocar tubería especial para corrosión únicamente a partir de la profundidad donde se

alcancen los 100 °C a la superficie.

MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIÓN

El cambio de longitud del aparejo, originado por cambios de presión y temperatura, puede ser

positivo o negativo y generar grandes esfuerzos en la tubería y/o empacador cuando éste no

permite el libre movimiento de la tubería. Esto sucede cuando se realizan operaciones durante

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la terminación, explotación y mantenimiento del pozo, tales como: inducciones, pruebas de

admisión, estimulaciones, fracturamientos o durante la producción del pozo.

Fig 16 Efecto de la temperatura sobre la corrosión por CO2

Cuando la tubería tiene movimiento libre, su acortamiento puede ser tal que la longitud de los

sellos o juntas de expansión sea insuficiente, lo que generaría que las unidades de sellos multi-

v se salgan del empacador generando un serio problema de comunicación; en el caso de las

juntas de expansión, estas ocasionarían un esfuerzo de tensión considerable sobre el

empacador. También se debe considerar el alargamiento del aparejo durante la producción del

pozo, pues la transferencia de calor de los fluidos del yacimiento a la tubería causan elongación

de la misma, lo que provoca una carga sobre el empacador, o hasta una deformación del

aparejo de producción. Por lo anterior, se debe diseñar el aparejo de producción considerando

todos los cambios de presión y temperatura que se pudiesen presentar, con la finalidad de

considerar los movimientos y cambios de esfuerzos de la tubería, y así evitar un problema serio.

Cuando la tubería tiene movimiento libre, Los efectos que producen estos movimientos netos

del aparejo de producción son los siguientes:

Pistón

Ballooning (aglobamiento)

Buckling (pandeo helicoidal)

Temperatura

A continuación se revisarán a detalle cada uno de estos efectos. Cabe mencionar que las

ecuaciones que se presentan aplican a pozos verticales, aparejos de producción de un solo

diámetro y un solo fluido en el espacio anular, pues el propósito de esta guía es conocer el

principio fundamental de los diferentes efectos, así como las ecuaciones que modelan el

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fenómeno para la realización de cálculos simplificados. Sin embargo, para la simulación del

comportamiento del aparejo en pozos desviados, aparejos con diferentes diámetros de tubería,

etc., se requiere de un software para proponer una alternativa efectiva y económica.

a. Pistón

El efecto de pistón se basa en la ley de Hooke, y se debe a la diferencial de presión actuando

sobre la diferencial de área entre la tubería de producción y el mandril del empacador. Este

efecto provoca un acortamiento si la presión diferencial es mayor en el interior de la tubería y un

alargamiento si la presión es mayor en el espacio anular entre el aparejo y la tubería de

revestimiento. La ley de Hooke establece que el cambio en longitud es directamente

proporcional a la fuerza aplicada. Ésta es matemáticamente representada por:

Donde:Ecuación 14

Ecuación 15

El modulo de elasticidad ( E ) para el acero es 30 x 106 psi. La Figura 15 presenta la definición

de los términos de la ecuación 15.

Fig 17 Representación esquemática del efecto pistón.

b. Ballooning (aglobamiento)

Cuando la presión interna en un aparejo de producción es mayor que la presión externa, los

esfuerzos radiales que actúan sobre la pared generan una expansión (aglobamiento) del tubo,

este fenómeno causa una contracción longitudinal del aparejo.

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Cuando la presión exterior es mayor que la presión interna, se presenta el efecto contrario y se

produce una elongación de la tubería. Este efecto puede ser estimado con la siguiente

ecuación:

Ecuación 16

Considerando una relación de Poisson igual a 0.3, el cual es un valor muy aproximado para el

acero, y despreciando las pérdidas por fricción (δ), la ecuación 16 se reduce a:

Ecuación 17

El primer término de la ecuación 17 representa el efecto debido al cambio de densidad de los

fluidos, el segundo término considera el cambio de presión en superficie tanto en el espacio

anular como en el interior del aparejo. La ecuación 17 puede ser empleada para tener una

buena idea del efecto de ballooning sobre el cambio de longitud del aparejo de producción.

c. Buckling (pandeo helicoidal)

A este efecto se le llama así debido a la forma que adquiere el aparejo cuando se presenta el

fenómeno,

y tiene lugar cuando hay un incremento de presión en el interior de la tubería de producción, la

cual actúa en el área transversal de la parte inferior de un aparejo que tiene movimiento libre,

es decir, los sellos multi-v se pueden mover a través del área pulida del empacador.

Este efecto acorta el aparejo de producción y el pandeo se produce del punto neutro hacia

abajo. En este fenómeno, el punto neutro no es donde no existe ni tensión ni compresión, sino

donde el esfuerzo axial es igual al esfuerzo tangencial y radial, es decir, el valor de los tres

esfuerzos es igual, y se determina con la siguiente ecuación:

Ecuación 18

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En donde n es la distancia del fondo de la tubería al punto neutro y f F es conocida como fuerza

ficticia, la cual es determinada como sigue:

La sarta de perforación no sufrirá pandeo si la fuerza ficticia es negativa o cero. El cambio de

longitud provocado por buckling se determina mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 20

Donde I es el momento de inercia dado por:

Ecuación 21

Donde Wfi , Wfa son el peso del fluido en el interior y espacio anular respectivamente

Ecuación 22

Ecuación 23

El pandeo helicoidal es importante, ya que puede ocasionar deformación permanente del

aparejo.

d. Temperatura

El efecto de la temperatura produce un cambio de longitud de la sarta de producción. Ésta se

contrae cuando existe inyección de fluidos a temperatura de superficie, en el caso de

calentamiento del aparejo de producción, ya sea por las condiciones de producción o por la

inyección de fluidos calientes, se genera una elongación. Lo anterior sucede siempre y cuando

se tenga un movimiento libre de los sellos multi-v, de lo contrario se producen fuerzas sobre el

empacador.

Ecuación 19

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El cambio de longitud por este efecto es calculado mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 24

En donde β es el coeficiente de expansión térmica del acero (12.42 x10 6 . / C 0 ) y T es el cambio promedio de la temperatura.

e. Longitud de sellos multi-v

Cuando se diseña una terminación con el aparejo de producción libre al movimiento, se

requiere introducir una longitud de sellos multi-v que permita absorber las elongaciones y

contracciones generadas en la tubería. Esta longitud se obtiene sumando algebraicamente el

total de los efectos previamente revisados e ilustrados en la Figura 18. El cambio de longitud

total se determina mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 25

Una vez que se conoce el cambio total de longitud, se selecciona tanto la cantidad de sellos

como la longitud inicial entre el tope localizador y el empacador.

La ecuación 25 también puede ser empleada para determinar la cantidad y posición de las

juntas de expansión. Una práctica común de compensación de posibles acortamientos de

aparejo de producción, como resultado de los cambios de presión y temperatura durante las

diferentes intervenciones, es aplicar una carga sobre el empacador. El cambio de longitud

dejada sobre el empacador se calcula con la siguiente ecuación:

Ecuación 26

En la relación anterior, el primer término es el incremento de longitud por efecto de pistón y el

segundo por alabeo helicoidal. La selección adecuada de la tubería de producción se determina

calculando las presiones a que será sometida tanto en el espacio anular (revestimiento–aparejo

de producción) como en el interior. Estas presiones son el efecto de las diferentes operaciones

que se planeen realizar en la etapa de terminación y durante la vida productiva del pozo. Las

ecuaciones para obtenerlas son presentadas en la guía para empacadores de producción. La

tubería seleccionada debe ser capaz de soportar tanto la presión al colapso como la presión en

el interior de la tubería. Respecto a la tensión, se tiene que considerar el peso de la tubería y

los efectos generados por los cambios de presión y temperatura, los cuales producen esfuerzos

de tensión o compresión, dependiendo del sistema empacador– aparejo de producción. Como

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se comentó anteriormente, la secuencia de cálculo para determinar la resistencia de la tubería

al colapso, presión interna y tensión, así como los esfuerzos generados en el aparejo por los

cambios de presión y temperatura, es un proceso muy laborioso, por lo que se recomienda el

empleo del software para realizar una simulación completa de las diferentes operaciones

planeadas en la terminación del pozo, pues el propósito de esta guía es conocer el principio

fundamental de los diferentes efectos, así como las ecuaciones que modelan los diferentes

fenómenos que toman lugar, con la finalidad de obtener una correcta interpretación de los

resultados que aporte el software.

Fig 18 Movimiento neto del aparejo.

Nomenclatura

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Ecuaciones de coeficientes empíricos (Apéndice 2)

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Determinación de la presión de colapso empleando la ecuación triaxial. (Apéndice 3)

La ecuación triaxial esta dada por:

Ecuación 3.1

Para un modo de falla de colapso por cedencia, el esfuerzo tangencial es matemáticamente

representado por:

Ecuación 3.2

Sustituyendo la Ecuación 3.2 en el término de la izquierda y arreglandolo tenemos

Ecuación 3.3

A continuación se presenta un ejemplo para determinar la presión de colapso bajo diferentes

cargas. Los datos son los siguientes:

Calcular la presión de colapso nominal considerando que la tubería esta sujeta a una tensión

axial de 40,000 psi y a una presión interna de 10,000 psi. La tubería de revestimiento es de 5.5

pg, N-80 y 26 lb/pie, con un espesor de pared de 0.476 pg.

Sustituyendo los datos en la Ecuación 3.3 tenemos:

Resolviendo el

términode la Ecuación 3.1 tenemos:

Sustituyendo los términos anteriores en la Ecuación 3.1 tenemos:

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Considerando la explicación en la guía, el signo a considerar en este escenario (colapso –

tensión) es el signo negativo.

Por lo tanto, la presión de colapso que resistirá esta tubería es de 16,684 psi, esto es

considerando que se tendrá una presión interna de 10,000 psi. Se puede observar que si la

presión interna es eliminada, la presión de colapso se reduce considerablemente.

Comportamiento de los diferentes grados de acero con la temperatura Apéndice 4.

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