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3/12/08

ASENTAMIENTO Y DISEÑO DE TUBERÍAS

DE REVESTIMIENTO

Hinojosa González Natalia Catalina.

3/12/08

Tuberías de revestimiento

Son tuberías que constituyen el medio con el cual se reviste al agujero que se va perforando. Con ello se asegura el éxito de las operaciones llevadas a cabo durante las etapas de perforación y terminación de pozos.

El objetivo de un diseño, es seleccionar una tubería de revestimiento con un cierto grado, peso y junta, la cual sea más económica, y que además resista sin falla, las fuerzas a las que estará sujeta.

Las funciones de las tuberías de revestimiento son:

1. Evitar derrumbes y concavidades.2. Prevenir la contaminación de los acuíferos.3. Confinar la producción del intervalo seleccionado.4. Dar un soporte para la instalación del equipo de control

superficial.5. Facilitar la instalación del equipo de terminación, así como

los sistemas artificiales de producción

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Las tuberías de revestimiento representan alrededor del 18% del costo total del pozo. De aquí la importancia de optimizar los diseños a fin de seleccionar las menos costosas, que garanticen la integridad del pozo durante la perforación y terminación del mismo.

La tubería está sujeta a tres fuerzas durante la perforación, terminación, reparación o vida productiva del pozo:

Presión externaPresión internaCarga axial y longitudinal (tensión y compresión)

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» Tubería superficial » Tubería Conductora

» Tubería intermedia

» Tubería de explotación

» Tubería superficial » Tubería Conductora

» Tubería intermedia

» Tubería de explotación

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Tubería conductoraEs la primera que se cementa o hinca al iniciar la

perforación del pozo. La profundidad de asentamiento varía de 20 m a 250 m. Su objetivo principal es establecer un medio de circulación y control del fluido de perforación que retorna del pozo hacia el equipo de eliminación de sólidos y las presas de tratamiento.

Tubería superficialLa introducción de esta tubería tiene por objeto

instalar conexiones superficiales de control y al mismo tiempo proteger al agujero descubierto, aislando así flujos de agua y zonas de pérdida de loso cercanas a la superficie del terreno.

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Tubería intermedia

Estas tuberías se introducen con la finalidad de aislar zonas que contengan presiones normales de formación, flujos de agua, derrumbes y pérdidas de circulación: en sí se utiliza como protección del agujero descubierto, para tratar, en la mayoría de los casos, de incrementar la densidad de los fluidos de perforación y controlar las zonas de alta presión.

Tubería de revestimiento corta (Liners)

Constituye una instalación especial que evita utilizar una sarta de la superficie al fondo del pozo; la longitud de esta tubería permite cubrir el agujero descubierto, quedando una parte traslapada dentro de la última tubería que puede variar de 50 a 150 m

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Tubería de explotación

Tiene como meta primordial aislar el yacimiento de fluidos indeseables en la formación productora y de otras zonas del agujero, también para la instalación de empacadores de producción y accesorios utilizados en la terminación del mismo.

Además, las tuberías de revestimiento proporcionan el medio para instalar las conexiones superficiales de control (cabezales, BOBs), los empacadores y la tubería de producción.

3/12/08

Con estas tuberías se desea:

» Aislar zonas indeseables.

» Zonas de perdida de circulación

» Zonas de presión

anormal

Con estas tuberías se desea:

» Aislar zonas indeseables.

» Zonas de perdida de circulación » Zonas de presión anormal

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PARÁMETROS PARA DETERMINAR LA PROFUNDIDAD DE ASENTAMIENTO DE LAS TR’S

- Diámetro requerido al objetivo - Tipo de formación y su contenido de

fluidos - Presión de formación y fractura - Densidad del fluido de control - Presión diferencial - Máximo volumen al brote durante la

perforación

CONSIDERACIONES RESPECTO AL DISEÑO DE TR’S

- Determinar el diámetro y longitud de las sarta de tubería

- Calcular el tipo y magnitud de esfuerzos que serán encontrados

- Seleccionar los pesos y grados de TR que no fallaran al estar sujetos a las cargas

3/12/08

CARGAS

* Carga de presión interna

Se considera en primer lugar , esta nos indica las condiciones iníciales del diseño

* Carga al colapso

* Carga por tensión

* Carga por compresión

CARGAS

* Carga de presión interna Se considera en primer lugar , esta nos indica las condiciones iníciales del diseño

* Carga al colapso

* Carga por tensión

* Carga por compresión

Fuerza de colapso

Presión interna

Fuerza de Tensión

Fuerza de compresión

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DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO

3/12/08

Recopilación de información

Datos necesarios: » Trayectoria del pozo » Geopresiones » Programa de lodos » Geometría » Especificaciones de tuberías » Inventario de tuberías » Arreglos de pozos Tipo

Recopilación de información

Datos necesarios: » Trayectoria del pozo » Geopresiones » Programa de lodos » Geometría » Especificaciones de tuberías » Inventario de tuberías » Arreglos de pozos Tipo

3/12/08

En el diseño de tubulares los efectos de carga son separados de la resistencia de la tubería por un factor de seguridad conocido también como factor de diseño

Nos brinda un respaldo en la plantación debido a la incertidumbre de las condiciones de carga reales además del cambio de las propiedades del acero debido a la corrosión y al desgaste

El API realizó una investigación de factores de diseño aplicados a tuberías de revestimiento a partir del análisis efectuado por 38 compañías

El factor de seguridad es definido como la relación entre la resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada

En el diseño de tubulares los efectos de carga son separados de la resistencia de la tubería por un factor de seguridad conocido también como factor de diseño

Nos brinda un respaldo en la plantación debido a la incertidumbre de las condiciones de carga reales además del cambio de las propiedades del acero debido a la corrosión y al desgaste

El API realizó una investigación de factores de diseño aplicados a tuberías de revestimiento a partir del análisis efectuado por 38 compañíasEl factor de seguridad es definido como la relación entre la resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada

FACTORES DE DISEÑO DE TR´S

3/12/08

PR Presión en superficieO 2FU 1 1- Gas en la cimaN 2- Lodo en la cimaDIDA Presión de inyección = Gff +

0.12[gr/cm³]D PRESIÓN

PR Presión en superficieO 2FU 1 1- Gas en la cimaN 2- Lodo en la cimaDIDA Presión de inyección = Gff + 0.12[gr/cm³]D PRESIÓN

3/12/08

D = X + Y

Pi =Ps + 0.1*ρm *X+ 0.1* ρg*Y

Pi = 0.1*(ρfrac + FS) * D

Donde:

D= profundidad total [m] FS =0.12 [gr/cm³]X= longitud de la columna de lodo [m]

Y= longitud de la columna de gas [m]

Pi= Presión de inyección [Kg/cm²]

Ps= Presión en superficie [Kg/cm²]

ρm = densidad del lodo [gr/cm³]

ρg =densidad del gas [gr/cm³]

ρfrac =Gradiente de fractura [gr/cm³]

D = X + Y

Pi =Ps + 0.1*ρm *X+ 0.1* ρg*Y

Pi = 0.1*(ρfrac + FS) * D

Donde:

D= profundidad total [m] FS =0.12 [gr/cm³]X= longitud de la columna de lodo [m]

Y= longitud de la columna de gas [m]

Pi= Presión de inyección [Kg/cm²]

Ps= Presión en superficie [Kg/cm²]

ρm = densidad del lodo [gr/cm³]

ρg =densidad del gas [gr/cm³]

ρfrac =Gradiente de fractura [gr/cm³]

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Y = 0.1 (ρfrac + FS) * D- Ps - 0.1*ρm * D

0.1*[ρg - ρm ]X = D – YPint = Ps + 0.1 * X * ρm

Con la solución de estas ecuaciones se determina la longitud de las columnas de fluido respectivas y se obtiene la línea de carga máxima por presión interna

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Línea de carga máxima por presión interna

P Presión en superficieR O FU N D Interfase Lodo- gas Presión en interfaseIDA Presión de inyecciónD

PRESIÓN

3/12/08

La línea de respaldo se considera que en el caso mas critico en la parte externa de la tubería se ejercerá una presión debida al fluido de formación

P R O FU N DIDAD

PRESIÓN

La línea de respaldo se considera que en el caso mas critico en la parte externa de la tubería se ejercerá una presión debida al fluido de formación

P R O FU N DIDAD

PRESIÓN

Línea de carga por presión interna resultante

Línea de respaldo ρ =1.07

Línea de carga Máxima por presión interna

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P R O FU N DIDAD

PRESIÓN Línea de diseño por presión interna esta se obtiene

al aplicarle a la línea de carga por presión interna resultante un factor de diseño de 1.125

P R O FU N DIDAD

PRESIÓN Línea de diseño por presión interna esta se obtiene al aplicarle a la línea de carga por presión interna resultante un factor de diseño de 1.125

Línea de carga por presión interna resultante

Línea de diseño por presión interna

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Una vez determinada la línea de diseño se esta en condiciones de seleccionar entre las tuberías disponibles y de preferencia de acuerdo con arreglos tipo para cada campo o área, las tuberías que tengan características iguales o mayores a las requeridas por la línea de diseño

PROFUNDIDAD

Línea de diseño por presión interna

Valores de resistencia a la presión interna de cada sección

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La carga por colapso para las tuberías es ejercida por el fluido en el espacio anular y se considera a la densidad del lodo máxima a utilizar

La carga por colapso para las tuberías es ejercida por el fluido en el espacio anular y se considera a la densidad del lodo máxima a utilizar

Perfil de presión que genera la columna de lodo (gradiente del lodo mas pesado dentro del pozo

profundidad

presión

Línea de carga máxima de colapso

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La máxima carga de colapso ocurrirá cuando se presente una perdida de circulación y el nivel del lodo en el interior de la tubería disminuya quedando vacía por lo que la presión hidrostática ejercida en la zapata por la reducción en la columna sea menor que la ejercida por una columna llena de agua salada por lo tanto al restar a la línea de carga máxima de colapso este respaldo se obtiene una línea de carga de colapso resultante

La máxima carga de colapso ocurrirá cuando se presente una perdida de circulación y el nivel del lodo en el interior de la tubería disminuya quedando vacía por lo que la presión hidrostática ejercida en la zapata por la reducción en la columna sea menor que la ejercida por una columna llena de agua salada por lo tanto al restar a la línea de carga máxima de colapso este respaldo se obtiene una línea de carga de colapso resultante

profundidad

presión

Carga máxima de colapso

Línea de carga de colapso resultante

Línea de respaldo (1.07 gr/cc)

3/12/08

Aplicamos un factor de diseño de 1.125 para el colapso, resultante en la línea de diseño por presión de colapso

Aplicamos un factor de diseño de 1.125 para el colapso, resultante en la línea de diseño por presión de colapso

profundidad

presión

Línea de diseño por presión de colapso

Línea de carga de colapso resultante

3/12/08

Finalmente se compara la resistencia a la presión de colapso de cada sección de tubería seleccionada previamente en el diseño por presión interna con línea de diseño al colapso verificando que estas resistencias no intercepten la línea de diseño por presión de colapso es decir que las resistencias de las tuberías seleccionadas sean mayores que los valores proyectados por la línea de diseño en caso de que no se cumpla esta condición de carga por presión de colapso se deberán seleccionar tuberías de mayor capacidad las cuales tienen que cumplir con las condiciones de presión interna

Finalmente se compara la resistencia a la presión de colapso de cada sección de tubería seleccionada previamente en el diseño por presión interna con línea de diseño al colapso verificando que estas resistencias no intercepten la línea de diseño por presión de colapso es decir que las resistencias de las tuberías seleccionadas sean mayores que los valores proyectados por la línea de diseño en caso de que no se cumpla esta condición de carga por presión de colapso se deberán seleccionar tuberías de mayor capacidad las cuales tienen que cumplir con las condiciones de presión interna

presión

Línea de diseño por presión de colapsoLínea de carga

de colapso resultante

Valores de resistencia a la presión de colapso de cada sección

Intersección corrección en la selección de esta sección

3/12/08

Conociendo los pesos, grados y longitudes de las secciones que se obtuvieron en los diseños por presión interna y por colapso se puede determinar la carga por tensión para este fin debemos hacer un balance de fuerzas que incluya la de flotación que se interpreta como la reducción de peso de la sarta de tubería cuando se corre en algún liquido a diferencia de cuando se corre en el aire

Conociendo los pesos, grados y longitudes de las secciones que se obtuvieron en los diseños por presión interna y por colapso se puede determinar la carga por tensión para este fin debemos hacer un balance de fuerzas que incluya la de flotación que se interpreta como la reducción de peso de la sarta de tubería cuando se corre en algún liquido a diferencia de cuando se corre en el aire

Ws3

Ws2

Ws1

Fuerza 2

Fuerza 1

Fuerza 3

As1

As2

As3

Carga al gancho

El diseño por tensión se lleva a cabo desde el fondo hasta la superficie y los puntos de interés son los cambios de peso entre secciones

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Tf =6.45*L*GI*As1

Tf =6.45*L*GI*As1

Tf =fuerza de flotación (Kg)L = profundidad de asentamiento de TR (m)GI =gradiente del fluido empleado (Kg/cm2/m)As1 =es el área de la sección transversal de la primera tubería (pg)

Ws3

Ws2

Ws1

Fuerza 2

Fuerza 1

Fuerza 3

As1

As2

As3

Carga al ganchoPara la primera sección de tubería la tensión T1 se obtieneT1 = -Tf+Ws1Donde el peso de la sección 1 Ws1 (Kg) estará dado por

Ws1=1.4913*Ls1*Pu

Ls1= longitud de la sección 1 (m)Pu= el peso unitario de la tubería (lb/pie)Estos cálculos dependerán

del sentido ascendente o descendente de la fuerza y se sumaran o restaran

3/12/08

Con los valores obtenidos es posible construir la línea de carga por tensión es de notar que mas de una sección de la sarta de la tubería de revestimiento puede encontrarse en compresión

Con los valores obtenidos es posible construir la línea de carga por tensión es de notar que mas de una sección de la sarta de la tubería de revestimiento puede encontrarse en compresión

Sarta en compresión

Línea de carga por tensión

profundidad

Cargas por tensión

3/12/08

A continuación se procede a obtener la línea de diseño por tensión para lo cual se emplea un factor de diseño para este caso existen dos opciones uno como factor de seguridad de 1.6 o una carga adicional de 25000 Kg en caso de que se requiera tensionar la tubería por un atrapamiento

A continuación se procede a obtener la línea de diseño por tensión para lo cual se emplea un factor de diseño para este caso existen dos opciones uno como factor de seguridad de 1.6 o una carga adicional de 25000 Kg en caso de que se requiera tensionar la tubería por un atrapamiento

Línea de carga por tensión

profundidad

Cargas por tensión

Punto en que el factor de diseño es mas grande que la carga adicional (sobre-jalón)

Línea de diseño por tensión

3/12/08

Con algunas excepciones la parte mas débil de una junta de una tubería de revestimiento en tensión es el cople por ello la línea de diseño a tensión es usada primeramente para determinar el tipo de cople o junta a utilizar. El criterio de selección es elegir el cople que satisfaga las cargas de la línea de diseño al menor costo posible

Con algunas excepciones la parte mas débil de una junta de una tubería de revestimiento en tensión es el cople por ello la línea de diseño a tensión es usada primeramente para determinar el tipo de cople o junta a utilizar. El criterio de selección es elegir el cople que satisfaga las cargas de la línea de diseño al menor costo posible

Línea de diseño

Resistencias a la tensión de las juntas

Corrección en la selección de esta secciónprofundidad

Cargas por tensión

3/12/08

Al concluir el diseño por presión interna presión de colapso, tensión y tipo de juntas han quedado definidos los pesos , grados y longitudes de cada sección solo resta determinar las modificaciones en la resistencia por presión interna y por colapso causadas por la carga biaxial estas modificaciones pueden obtenerse usando la elipse de Holmquist el efecto mas critico es la reducción de la resistencia a la presión de colapso por lo tanto es conveniente evaluar esta reducción y en su caso corregir la línea de diseño por presión de colapso empleando el siguiente proceso

A) se calcula el parámetro X

B) con el valor de X se obtiene el valor de Y

C) se efectúa la corrección a la resistencia a la presión de colapso por efecto de la tensión Rcc

D) para cada sección de tubería se corregirá por carga axial la resistencia a la presión de colapso y se verifica que cumpla con lo siguiente

Al concluir el diseño por presión interna presión de colapso, tensión y tipo de juntas han quedado definidos los pesos , grados y longitudes de cada sección solo resta determinar las modificaciones en la resistencia por presión interna y por colapso causadas por la carga biaxial estas modificaciones pueden obtenerse usando la elipse de Holmquist el efecto mas critico es la reducción de la resistencia a la presión de colapso por lo tanto es conveniente evaluar esta reducción y en su caso corregir la línea de diseño por presión de colapso empleando el siguiente proceso

A) se calcula el parámetro X

B) con el valor de X se obtiene el valor de Y

C) se efectúa la corrección a la resistencia a la presión de colapso por efecto de la tensión Rcc

D) para cada sección de tubería se corregirá por carga axial la resistencia a la presión de colapso y se verifica que cumpla con lo siguiente

X=(2.205)* T/(Ym*As)

Y= (1-0.75*X2)1/2 – 0.5*X

Rcc=(0.07032)*Rc*Y

Fdc=Rcc/Pcr>1.125

T= tensión aplicada en la sección correspondienteYm= es el esfuerzo mínimo de cedencia del grado de aceroAs=área de la sección transversalRc =es la resistencia nominal de colapso de tuberíaX,Y= son parámetros adimensionalesPcr=presión de colapso resultanteFdc= factor de diseño