Universidad Autnoma del CarmenDES de Ciencias Qumica y PetroleraIng. Petrolera

Ing. de Perforacin

Diseo de Tuberas de Revestimiento

Dr. Ulises Olea Gonzlez

Nombre: Marlo Adan Aloma Prez

Mayo 7, 2015

NDICE

DISEO DE TUBERAS DE REVESTIMIENTO 2.1. PROPIEDADES DE LAS TUBERIAS 2.1.1. GRADO 2.1.2. ESFUERZO DE CEDENCIA 2.1.3. PRESIN DE COLAPSO Y PRESIN INTERNA 2.1.4. TENSIN

2.2. CRITERIOS DE DISEO DE TUBERAS 2.2.1. DISEO UNI AXIAL 2.2.2. DISEO BIAXIAL 2.2.3. INTRODUCCIN AL CRITERIO TRIAXIAL

2.2.4. DISEO DE TUBERA CONDUCTORA 2.2.5. DISEO DE TUBERA INTERMEDIA 2.2.6. DISEO DE TUBERA DE EXPLOTACIN

IntroduccinLa fase primordial en la delicada tarea de perforar, terminar y reparar pozos, es la de programar en forma adecuada el conjunto de variables que pueden presentarse segn sea el caso. La seleccin de los materiales a utilizar es de suma importancia. De estos depender el xito en el cumplimiento de los programas. Uno de los aspectos de primer orden dentro de las operaciones que se efectan para perforar un pozo, es el que se refiera a la proteccin de las paredes del agujero para evitar los derrumbes y aislar manifestaciones de lquido o gas. Durante la perforacin de los pozos se atraviesan formaciones con situaciones y problemticas diferentes, entre las que se tienen: zonas de bajos gradientes de fractura, intervalos con presiones anormalmente altas, formaciones inestables, yacimientos depresionados. Esto origina que a medida que se profundiza, se tengan que ir aislando intervalos con caractersticas diferentes mediante la introduccin y cementacin de las tuberas de revestimiento. El objetivo de un diseo, es el seleccionar una tubera de revestimiento con un cierto grado, peso y junta, la cual sea la ms econmica, y que adems resista sin falla, las fuerzas a las que estar sujeta.

2.1. PROPIEDADES DE LAS TUBERIAS

2.1.1. GRADO Las propiedades mecnicas y fsicas de la tubera de revestimiento dependen de la composicin qumica del acero y el tratamiento de calor que recibe durante su fabricacin. El API ha designado el grado de acero, el cual consiste en una letra que fue seleccionada arbitrariamente seguida por un nmero el cual representa el mnimo trabajo al esfuerzo de cedencia del acero en miles de lb/pg2 psi. API define once grados de acero para tubera de revestimiento:H40,, J55,, K55,, M65,, N80,, L80,, C90,, C95,, T95,, P110 y Q125

2.1.2. ESFUERZO DE CEDENCIA

Es aquella propiedad del material para soportar la resistencia que opone el material a la deformacin ante la exposicin de una carga. Se dice que un material alcanza la cedencia cuando experimenta una carga que le provoca una deformacin permanente. Antes de esta deformacin, al liberar la carga, el material recupera su estado original. Se dice entonces que el material es elstico. El punto a partir del cual el material se fractura, se dice que alcanza su ltimo valor de resistencia a la cedencia. La figura muestra el comportamiento de deformacin-carga para determinar la fluencia o cedencia de un material (acero).

La cedencia se mide en unidades de fuerza por unidad de rea (psi), que significa la fuerza aplicada en el rea de exposicin del material para hacer ceder al mismo. Es decir, aquel esfuerzo aplicado para alcanzar la deformacin establecida.

2.1.3. PRESIN DE COLAPSO Y PRESIN INTERNA

Resistencia a la presin interna

Cuando la tubera est expuesta a una presin interna mayor que la externa se dice que la tubera est sometida a una presin de ruptura o de estallamiento. La resistencia de una tubera a la presin interna est dada por el API est basada en la ecuacin de Barlow, donde utiliza el 87.5% del valor de cedencia al permitir una tolerancia en el espesor de pared de menos 12.5%.

Los fluidos que estn fuera de la tubera ejercen una contra presin a favor de la misma (respaldo), por lo que la presin interna efectiva ser igual a la presin interna menos la externa. Para efectos de diseo se considera el gradiente de respaldo generado por una columna de agua con una densidad de 1.07 (gr/cm3) (Agua de la formacin). El caso ms crtico del diseo a Pi es durante el control del pozo durante un brote y durante la inyeccin de fluidos. Las mximas presiones que se pueden tener en el fondo y superficie, dependern del gradiente de fractura de la formacin que estar debajo de la zapata de la TR; por lo tanto, la tubera seleccionada deber tener una resistencia a la presin interna igual o mayor al gradiente de fractura ms un factor de seguridad (0.12 gr/cm3) a esto se le conoce como presin de inyeccin.

Presin de colapso

La falla por colapso de una tubera es una condicin mecnica. Se origina por el aplastamiento de una tubera por una carga de presin. sta acta sobre las paredes externas de la misma y es superior a su capacidad de resistencia.La resistencia al colapso de una tubera ha sido estudiada ampliamente. En primer instancia, es una de las causas ms comunes de falla en las tuberas colocadas en un pozo y en segundo trmino es un fenmeno de falla ms complejo de predecir.

El API 5C3 presenta cuatro regmenes de colapso que se determina con base en la resistencia a la cedencia del material y a la relacin D/t, los cuales permiten predecir el valor mnimo de resistencia al colapso del material, de acuerdo con el tipo de falla que puede ser: elstico, transicin, plstico y de cedencia.

2.1.4. TENSIN

La tensin es una condicin mecnica de una tubera que puede ocasionar la falla o fractura de la misma. Se origina por la accin de cargas axiales que actan perpendicularmente sobre el rea de seccin transversal del cuerpo del tubo. Las cargas dominantes en esta condicin mecnica son los efectos gravitacionales, flotacin, flexin y esfuerzos por deformacin del material.

Efecto de la tensin

Diseo de la tensin para dos o ms tuberas

2.2. CRITERIOS DE DISEO DE TUBERAS

Los esfuerzos biaxiales se definen como el cambio en el comportamiento de sus propiedades mecnicas que sufren las tuberas cuando son sometidos a las combinaciones de esfuerzos.Durante las operaciones que se realizan con las tuberas durante la introduccin, cementacin de la tubera y durante la vida productiva del pozo, las tuberas se encuentran sujetas a diferentes cargas combinadas.

2.2.1. DISEO UNI AXIAL El efecto uniaxial asume que no existen cargas axiales combinadas (tensin- compresin) y nicamente se aplican cargas de tensin, presin y colapso. Bajo esta premisa analizaremos los efectos causados por la presin interna, presin de colapso y la tensin.

Diseo uniaxial a la presin interna Cuando la tubera est expuesta a una presin interna mayor que la externa se dice que la tubera esta sometida a una presin de ruptura o de estallamiento. La resistencia de una tubera al estallamiento dada por el API esta basada en la ecuacin de Barlows, donde utiliza el 87.5% del valor de cedencia al permitir una tolerancia en el espesor de pared de menos 12.5%

Diseo uniaxial al colapso El colapso esta definido como la fuerza externa aplicada a la tubera y es generado por la columna hidrosttica de los fluidos que se encuentran fuera de la tubera y/o por presin aplicada. Cuando una tubera esta expuesta a una presin externa mucho mayor que la presin interna, se dice que esta expuesta a una presin de colapso.

2.2.2. DISEO BIAXIAL

El modelo considera la accin de los esfuerzos axiales y tangenciales mucho mayores a los radiales. Su forma matemtica es la siguiente:Su aplicacin ha sido orientada ms a la representacin del colapso bajo la carga axial variable. Y se utiliza asignando en las ecuaciones de colapso una cedencia equivalente calculada a partir de la ecuacin anterior.

La grfica biaxial presentada en la siguiente figura muestra el comportamiento de disminucin de la resistencia al colapso para tuberas sujetas a un esfuerzo axial mayor a cero (tensin en cuarto cuadrante), situacin que cambia en esfuerzos axiales menores a cero (compresin tercer cuadrante). El resultado de esta prediccin de prdida o ganancia de resistencia ha estado sujeta a controversia, en virtud de no contar con pruebas exhaustivas que corroboren lo anterior. Se considera que un solo +10% en resistencia se puede obtener bajo compresin. Y por tensin puede considerarse una prdida total en resistencia.

Grfica del comportamiento biaxial

2.2.3. INTRODUCCIN AL CRITERIO TRIAXIAL

Habremos de considerar una de las teoras ms fundamentadas y utilizadas en la teora clsica de la elasticidad para cuantificar la magnitud de los esfuerzos que toman lugar en un material para hacerlo fallar. Esta teora se denomina "de la distorsin de la energa de deformacin mxima" propuesta inicialmente por Henckey Von Mises. Dicha teora estipula que existe un esfuerzo equivalente a partir del cual los tres esfuerzos principales actuando en un material estn en equilibrio, ver siguiente figura.

Representacin de los esfuerzos equivalentes

Su representacin en coordenadas cilndricas y aplicadas para una tubera es:

A fin de aplicar el modelo de Von Mises para determinar la resistencia de las tuberas, se consider que el esfuerzo equivalente se representa por la cedencia del material. Es decir, el mximo esfuerzo equivalente que pudiera experimentar una tubera, sera de una magnitud equivalente a la cedencia del material. Sin embargo, es preciso apuntar que esta consideracin implica suponer que la accin de un esfuerzo monoaxial como es la cedencia, represente la accin de los tres esfuerzos principales actuando en un material simultneamente. Lo anterior significa que estamos aceptando como criterio de falla, una vez ms, a la cedencia del material.

El modelo anterior queda representado mediante las variables de presin externa, presin interna, esfuerzo axial, delgadez y cedencia del material. Afn de determinar la resistencia de las tuberas con este modelo triaxial, se realizan las siguientes consideraciones, o lo que algunos han llamado procedimiento deNORMALIZACIN:

1) Para evaluar la capacidad de resistencia a la falla por colapso: Suponer la NO existencia de presin por el interior de la tubera. Simplificar en trminos de presin externa la ecuacin del modelo triaxial. Resolver la ecuacin cuadrtica resultante.

El resultado de lo anterior representa en forma grfica una elipse cuyo contorno simboliza la resistencia al colapso para las diferentes condiciones de esfuerzo axial. Para fines prcticos se utiliza la regin del primer y segundo cuadrante de la grfica. Es decir la parte positiva de las presiones resultantes.

2) Para evaluar la capacidad de resistencia a la falla por estallamiento: Suponer la NO existencia de presin por el exterior de la tubera. Simplificar en trminos de presin interna la ecuacin del modelo triaxial. Resolver la ecuacin cuadrtica resultante.

Representacin triaxial: En forma convencional representar las dos curvas resultantes en un solo grfico, trazando en el primer y segundo cuadrante la curva que representa la resistencia al estallamiento. Y la segunda curva, que representa la resistencia al colapso, colocarla en el tercer y cuarto cuadrante. El resultado de aplicar este convencionalismo, genera una elipse que representa los lmites de resistencia a la falla por colapso y por estallamiento a las diferentes condiciones de esfuerzo axial.

Criterio triaxial normalizado

Tuberas de revestimiento por objetivos

Son tuberas que constituyen el medio con el cual se reviste el agujero que se va perforando. Con ello se asegura el xito de las operaciones llevadas a cabo durante las etapas de perforacin y terminacin del pozo.

El objetivo de las tuberas de revestimiento es proteger las zonas perforadas y aislar las zonas problemticas que se presentan durante la perforacin. Tal es el caso de revestir el agujero para mantener la estabilidad del mismo, prevenir contaminaciones, aislar los fluidos de las formaciones productoras, controlar las presiones durante la perforacin y en la vida productiva del pozo. Adems, las tuberas de revestimiento proporcionan el medio para instalar las conexiones superficiales de control (cabezales, BOPs), los empacadores y la tubera de produccin. Las tuberas de revestimiento se clasifican por la funcin que desempean al colocarse en el interior de un pozo, esto es:

CONDUCTORA: Es la primera tubera de revestimiento que puede ser hincada o cementada; sirve para sentar el primer cabezal en el cual se instalan las conexiones superficiales de control y las conexiones de circulacin del lodo de perforacin. Es la de mayor dimetro que se utiliza en el pozo, pues a travs de ella pasan todas las tuberas de revestimiento que se utilizan. En el mar, es la primera tubera que se extiende desde la plataforma hasta abajo del lecho marino.

Arreglo tpico de las tuberas de revestimiento

SUPERFICIAL: Es la tubera que sirve para aislar los acuferos subsuperficiales o someros, as como manifestaciones de gas someros. Provee equipo de flotacin, que permita realizar una buena cementacin para continuar la perforacin dentro de una zona de transicin de alta presin. En pozos desviados, la superficie de la tubera debe cubrir toda la seccin construida para prevenir derrumbes de la formacin durante la perforacin profunda. Esta sarta es cementada tpicamente hasta la superficie o lecho marino y sostiene las conexiones superficiales de control definitivas.

INTERMEDIA: Es la tubera que asla zonas inestables del agujero, zonas con prdida de circulacin de baja presin y zonas de produccin. Se utiliza en la zona de transicin de presin normal a presin anormal. La cima del cemento de esta tubera debe aislar cualquier zona de hidrocarburo. Algunos pozos requieren de mltiples sartas intermedias.

DE EXPLOTACIN: Es la tubera que asla zonas de produccin y debe soportar la mxima presin de fondo de la formacin productora, tener resistencia a la corrosin as como resistir las presiones que se manejarn en caso de que el pozo se fracture para aumentar su productividad. El buen trabajo de cementacin primaria es crtico para esta sarta.

TUBERA CORTA (LINERS): Es una sarta de tubera que no se extiende a la cabeza del pozo. En cambio, se sostiene por otra sarta. La tubera corta se usa para reducir costos y mejorar la hidrulica durante perforaciones profundas. La tubera corta puede ser usada tanto en la sarta intermedia como en la de explotacin. La tubera corta es cementada tpicamente a lo largo de toda su longitud.

2.2.4. DISEO DE TUBERA CONDUCTORA

Diseo a la presin interna de la TR conductora

Consideraciones

Se considera un brote de gas metano y toda la tubera llena de gas. Tener cuidado de no sobrepasar la presin de fractura por debajo de la zapata. El respaldo se considera la presin de formacin del rea. El efecto de cemento despreciable.

Diseo por colapso de la TR conductora

La carga es el fluido de perforacin cuando se perfor esa etapa. Se considera una prdida de circulacin cuando se est perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura equivalente a la presin de formacin normal de la zona; un tercio de la evacuacin. El efecto de cemento despreciable.

Grfica del diseo de colapso para la TR superficial

2.2.5. DISEO DE TUBERA INTERMEDIA

Diseo a la presin interna de la TR intermedia Se considera un brote de gas metano; por lo que la tubera contendr en su interior fluido de perforacin y gas. Tener cuidado de no sobrepasar la presin de fractura en la zapata (durante la circulacin del brote). El respaldo se considera la presin de formacin del rea. El efecto de cemento despreciable.

Diseo por colapso TR Intermedia

La carga es el fluido de perforacin cuando se perfor esa etapa. Se considera una prdida de circulacin cuando se est perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura equivalente a la presin de formacin normal de la zona. El efecto de cemento despreciable.

2.2.6. DISEO DE TUBERA DE EXPLOTACIN

Diseo para la presin interna de la TR de explotacin

La tubera de explotacin debe de ser diseada a su mxima presin interna debido a que se considera un manejo de altas presiones por la inyeccin durante las estimulaciones fracturamientos. Se considera que se presenta una fuga de presin de la tubera de produccin a la tubera de revestimiento cerca de la superficie. La presin ser igual a la presin de formacin. Se considera gas por la tubera de produccin. Se considera el fluido por el exterior, que sufre una degradacin.

Diseo para el colapso para la TR de explotacin

La tubera de explotacin deber ser diseada a su mximo colapso, debido a que en operaciones de terminacin del pozo, porque pueden presentarse eventos que causan una evacuacin total dentro del pozo. La tubera de explotacin se considera completamente vaca. Se considera una fuga del fluido empacante.