Ejemplo Diseños Trs

PROCEDIMIENTO PARA DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO

“EJEMPLOS DE DISEÑO DE TR´s”

Ejemplo 5.1.- “Selección de profundidades de asentamiento de TR´s”

Se desea diseñar un pozo con una terminación de TR de producción de 7 pulgadas a una profundidad de 15,000 pies. Determine el número de sartas de TR para alcanzar esta profundidad de manera segura y, seleccione la profundidad de asentamiento cada sarta. La presión de poro, el gradiente de fractura y los datos de litología tomados de registros de pozos cercanos se muestran en la figura A.1. Considere un margen por viaje de 0.5 lbm/galón, y un margen por brote de 0.5 lbm/galón para el asentamiento de las TR´s. La longitud mínima necesaria de TR superficial para la protección de las zonas acuíferas es de 2,000 pies. Se requieren aproximadamente 180 pies de conductor para prevenir derrumbes por la parte exterior de la TR conductora. También considere que la TR será cementada.

Figura A.1.- Gradiente de presión de poro y de fractura para el ejemplo 5.1

Solución.

El programa de planeación de las densidades de los lodos se grafica para mantener un margen por viaje de 0.5 lbm/galón para cualquier profundidad. La línea de diseño de fractura también se grafica para permitir un margen por brote de 0.5 lbm/galón a cualquier profundidad. Esas dos líneas se muestran en la figura A.1 por líneas discontinuas. Para poder perforar a la profundidad de 15,000 pies, se requiere un lodo con una densidad de 17.6 lbm/galón (punto a). Así, se requiere además una TR intermedia a una profundidad de 11,400 pies (punto b) para prevenir la

a-1


fractura de la formación. Similarmente, para perforar de manera segura a 11,400 pies y asentar la TR intermedia, se requiere una densidad de lodo de 13.7 lbm/galón (punto c). Esto, a su vez, requiere una TR superficial asentada a 4,000 pies (punto d). Ya que la formación a 4,000 pies está normalmente represionada, la profundidad de 180 psi para la TR conductora es apropiada.Únicamente 2000 pies de TR superficial se requieren para proteger las zonas de acuíferos. Sin embargo, si esta longitud mínima es utilizada, la TR intermedia puede ser asentada más arriba, en la zona de transición. Un liner adicional también puede ser asentado antes de la profundidad total del objetivo sea alcanza para mantener un margen por brote de 0.5 lbm/gal. Puesto que se considera el predominio de zonas arcillosas, únicamente se requieren variaciones mínimas en la profundidad de asentamiento para mantener la TR asentada en las formaciones arcillosas.

a-2


Ejemplo 5.2.- “Selección del tamaño de la TR”

Utilizando la información del problema 5.1, seleccione los tamaños de TR´s (D.E.) para cada sarta.

Solución.Se parte de la necesidad de colocar una TR de 7 pulgadas. De acuerdo con la tabla 5.1 (Cap. 5) se necesita una barrena de 8.625 pulgadas para perforar la sección inferior del pozo. Ahora, una barrena de 8.625 pulgadas puede pasar a través de la TR´s de 9.625 pulgadas más disponible (tabla 5.2, Cap. 5). Sin embargo, se deberá hacer una corrección después de se especifique el peso por pie de la TR. De acuerdo con la información de la tabla 5.1, una barrena de 12.25 pulgadas se necesita para perforar hasta la profundidad de la TR intermedia. Como se muestra en la en la tabla 5.2, una barrena de 12.25 pulgadas puede pasar libremente a través de una TR de 13.375. Posteriormente, se necesitará una barrena de 17.5 pulgadas para perforar hasta la profundidad de la TR superficial (tabla 5.1). Finalmente, como se muestra en la tabla 5.2, una barrena de 17.5 pulgadas puede pasar a través de una TR conductora de 18.625 pulgadas, la cual será asentada en la formación.

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Ejemplo 5.3.- “Tubería de revestimiento superficial”

Diseñar la sarta de TR 13 3/8” bajo las condiciones que se dan a continuación:Seleccionar las juntas.Hacer las correcciones biaxiales.

Utilice los márgenes de seguridad y factores de diseño estándar definidos en la sección 5.3.2 del Capítulo 5.

Datos:Profundidad = 3,000 piesDiámetro de la tubería = 13.375 pg.Diámetro mínimo del Drift (diámetro mínimo de trabajo) aceptable = 12.25 pg.Longitud mínima de la sección = 1,000 pies.Gradiente de fractura = 13.6 lb/gal.Densidad del Cemento: 0 – 2,700 pies 12.4 lb/gal.

2,700 – 3,000 pies 15.6 lb/gal.Densidad del lodo = 9.3 lb/gal.

Solución:

Diseño por presión interna.

1. Graficar la línea de carga por presión interna (Figura 12-11a)

1.1. Calcular la presión de inyección (PI):

1.2 Calcular la presión de superficie (Ps):

donde:

Phg= Presión hidrostática del gas.

2. Graficar de la línea de respaldo, usando un fluido de 9 lb/gal correspondiente a salmuera de la

formación como el peor caso de la degradación de la densidad en el anular.

2.1 Considerar la presión de superficie Ps = 0 psi.

a-4


2.2 Calcular la presión de fondo (Pf).

Construir la línea de carga por presión interna

Figura 12-11ª.- Condiciones de carga por presión interna, ejemplo 5.3

3. Graficar la línea resultante:

Resultante = Carga – Respaldo

Presión de Superficie = 1,932.6 psi – 0 psi = 1,932.6 psi

Presión de Fondo = 2,278 psi – 1,404 = 874 psi

4. Graficar la línea de diseño aplicando un factor de diseño de 1.1 por presión interna:

Presión de Superficie = 1,932.6 psi x 1.1 = 2,125.86 psi

Presión de Fondo = 873.6 psi x 1.1 = 960.96 psi

5. Seleccionar una selección tentativa de TR basado en la línea de diseño mostrada en la figura

12-11 b.

a-5


La presión máxima que la TR puede soportar de acuerdo a la línea de diseño es de 2,125.86 psi. Una selección adecuada para el peso y grado es 54.5 lb/pie y K-55, respectivamente. Las juntas no se pueden seleccionar aún en este punto (Ver la figura 12-11b)

Figura 12-11b.- Selección tentativa de TR en base a la presión interna, para el ejemplo 5.3

Diseño por Presión Externa o Colapso.

6. Graficar la línea de carga por presión externa o colapso, considerando las diferentes densidades

de la columna de cemento en el anular.

2,700 pies x 0.052 x 12.4 lb/galón = 1,740.96 psi

300 pies x 0.052 x 15.6 lb/galón = 243.36 psi

Total 1,984.32 psi

7. Graficar la línea de diseño por presión externa o colapso.

Ya que la tubería se diseña sin respaldo para el colapso (vacía), la línea de carga se convierte en la resultante. La línea de diseño es el producto de la resultante y un factor de diseño igual a 1.1 (ver la figura 12-12 a).

1740.96 x 1.1 = 1915.05 psi1984.32 x 1.1 = 2182.75 psi

a-6


Figura 12-12ª.- Líneas de diseño por colapso para el ejemplo 5.3

8. Se verifica que la selección tentativa de la tubería por presión interna cumpla con la línea de diseño del colapso. Como la TR de 54.5 lb/pie, K-55 tiene una resistencia al colapso de 1,130 psi, no cumple con la línea de diseño, como se puede observar en la figura 12-12b. Por lo tanto, se necesitará otra tubería que pueda cumplir con los requerimientos de carga. En este caso, se propone ahora otra tubería: que si cumpla con la línea de diseño, la cual es la T.R. de 68.0 lb/pie, C-75. La evaluación de la nueva tubería seleccionada bajo condiciones de tensión se muestra en la figura 12-13. El factor de 100,000 libras de sobre-jalón es la línea de diseño controlante. La resistencia a la cedencia del cuerpo de la TR, la cual es el producto del esfuerzo mínimo a la cedencia de la tubería y al área transversal, es aproximadamente 880,000 libras (15.84 pulgadas2 x 55,000 libras/pulgada2). Las tablas de TR´s muestran que las juntas STC para la TR K-55, 54.5 lb/pie, tienen una resistencia de 547,000 libras.Los cálculos biaxiales se realizan a partir de la línea de tensión de manera similar al ejemplo 12.2

9. Por economía se pueden seleccionar 2 tuberías como se muestra en la Figura 12-12b.

a-7


Figura 12-12b.- Evaluación de la selección tentativa de TR para el ejemplo 5.3

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Diseño por tensión.

10. Evaluar por tensión las tuberías seleccionadas (T.R.s de 13 3/8” ,68 lb/pie, C-75 y 54.5 lb/pie, K-55) por presión interna y colapso, considerando un margen para jalar de 100,000 lbs.

10.1 Calcular la fuerza de compresión a que estará sujeta la T.R. de 68 lb/pie, debida al lodo.

10.1.1 Calcular el diámetro interno (Di) de la tubería de 68 lb/pie, C-75, obteniendo el espesor de tablas (0.480 pg) y procediendo de la siguiente manera:

10.2 Calcular el área de la sección transversal de la tubería de 68 lb/pie a partir del diámetro interno.

10.3 Calcular el peso de la tubería en el aire de la siguiente manera.

10.4 Calcular la fuerza de empuje sobre el área de la sección transversal de la tubería a la profundidad de asentamiento de la tubería (3000 pies), considerando la densidad del lodo:

10.5 Calcular la fuerza de empuje a la profundidad de la cima de la T.R. de 68 lb/pie, C-75.

10.6 Calcular la fuerza de empuje sobre la diferencia de áreas de las secciones transversales entre las tuberías de 68 lb/pie, C-75 y 54.5 lb/pie, K-55 siguiendo los siguientes pasos:

Calcular el diámetro interno de la T.R. 54.5 lb/pie.

Calcular el área de la sección transversal de la tubería.

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Calcular la diferencia de áreas entre las 2 tuberías.

Fuerza de empuje sobre la diferencia de áreas de las secciones transversales entre las tuberías.

10.7 Calcular el peso de la tubería en el aire de la T.R. de 54.5 lb/pie de la siguiente manera.

10.8 Calcular el peso total de las tuberías en la superficie.

90,228 lbs + 59,986.5 lbs = 150,214.55 lbs

10.9 Graficar la línea de carga por tensión como se muestra en la Figura 12-13.

10.10 Aplicar el factor de diseño por tensión de 1.6 a los valores de tensión obtenidos en los puntos 10.3 a 10.9, compararlo con los mismos valores de tensión más 100,000 lbs y aplicar el mayor de estos resultados como se muestra a continuación:

150,214.55+ 100,000 = 250,214.55 lbs.59,986.5 + 100,000 = 159,986.5 lbs.56,653.2 +100,000 = 156,653.2 lbs.-28,210.8 +100,000 = 71,789.2 lbs.

10.11 Graficar la línea de diseño por tensión aplicando un margen de jalón de 100,000 lbs, como se muestra en la Figura 12-13.

10.12 Calcular la resistencia a la tensión del cuerpo de las tuberías de 68 lb/pie, C-75 y 54.5 lb/pie, K-55.

Para la T.R. de 54.5 lb/pie.FT=c x A= 0.785 (Dn2-Di2) x c=0.785(13.3752-12.6152) x 55,000=852,809 lbs

Para la T.R. de 68 lb/pie.FT=c x A= 0.785 (Dn2-Di2) x c=0.785(13.3752-12.4152) x 68,000=1’322,260 lbs

a-10


Figura 12-13.- Evaluación por tensión de la selección tentativa de TR.

10.12 Determinar si las tuberías seleccionadas por presión interna y colapso cumplen con la línea de diseño por tensión por lo tanto el diseño final es:

SecciónLongitud

(pies)Peso

(libras/pies)Grado

Resistencia a la

Tensión del Cuerpo

Resistencia de la Junta

Máxima Fuerza de Tensión

Tipo de la Junta

1 0 – 1,752 54.5 K-55 852,809 547,000 250,214.55 STC2 1,752 – 3,000 68.0 C-75 1’322,260 905,000 159,986.5 STC

Como se puede observar de la tabla anterior la resistencia a la tensión tanto del cuerpo de la

tubería, como de la rosca es mayor que la máxima fuerza de tensión a que estarán expuestas las

tuberías de acuerdo a la línea de diseño por tensión.

a-11


a-12


Ejemplo 5.4 “ Diseño de la tubería de revestimiento intermedia”.

Diseñar la siguiente sarta de TR intermedia.

Datos:

Diámetro de la TR = 9.625 pg.Profundidad de asentamiento = 9,800 pies.Longitud mínima de sección = 3,000 pies.Máxima presión superficial = 6,500 psi.Gradiente de fractura a 9,800 pies = 17.9 lb/gal.Peso máximo de lodo esperado = 13.1 lb/galPeso del lodo de asentamiento = 10.8 lb/gal.Cima del cemento = 7,000 pies.Densidad del cemento = 16.4 lb/gal.

Solución:

Diseño por presión interna

1.- Determinación de la línea de carga por presión interna:

Calcular la presión de inyección, utilizando la ecuación xx.xx

1.2.- Las longitudes de lodo y gas se calculan con las ecuaciones 12.1 y 12.2:

También conocemos que:

Resolviendo simultáneamente las ecuaciones 1 y 2, obtenemos:

a-13


Estos valores se grafican en la figura 12-17.

2.- Calcular la línea de respaldo utilizando un fluido de 9.0 lb/gal a una profundidad de 9,800 pies:

3.- Calcular la línea de carga por presión interna:

Con estas presiones se grafica la línea de carga.

4.- Calcular la línea resultante, restando a la línea de carga la línea de respaldo:

5.- Aplicar el factor de diseño de 1.1 para obtener la línea de diseño:

La línea resultante y de diseño se muestran en la figura 12-17.

6.- Seleccionar las TR´s que cumplan con la línea de diseño:

a-14


Se realiza una selección tentativa para la línea de diseño. La tubería S-95, 43.5 lb/pie se encuentra bajo diseño, ya que 7,510 psi es menor que la máxima presión de diseño de 7,980 psi. En este punto del diseño, se considera que la carga por tensión puede incrementar el nivel efectivo de presión interna más allá de 7,980 psi. Si esta consideración se demuestra ser incorrecta, la TR debe ser rediseñada. Un ingeniero sin experiencia en diseño de TR´s no deseará implementar esta técnica, ya que un error puede requerir un rediseño.

SecciónLongitud

(pies)Peso (lb/pie) Grado

Tipo de junta

1 5913 43.5 S-95 LTC

2 3887 40 S-95 LTC

Figura 12-17.- Diseño por presión interna para el ejemplo 5.4

a-15


Diseño por colapso

7.- Determinar la longitud del fluido de respaldo a partir de la ecuación 12.3:

8.- Determinar la línea de carga por colapso en la TR intermedia utilizando las densidades de un lodo de 10.8 lb/gal y el cemento de 16.4 lb/gal que se encuentra en el anular (ver figura 12-18).

Figura 12-18.- Evaluación por colapso para el diseño tentativo de TR´s del ejemplo 5.4

9.- Determinar la línea de respaldo considerando la densidad de los fluidos nativos:

a-16


La línea de respaldo inicia en la siguiente profundidad:

10.- Determinar la línea resultante por colapso, restando a la línea de carga la de línea de respaldo:

11.- Aplicar a la línea resultante el factor de diseño de 1.1 para obtener la línea de diseño por colapso:

12.- Seleccionar las TR´s que cumplan con la línea de diseño por colapso:

De tablas se puede verificar que las tuberías seleccionadas para la línea de diseño por presión interna, también cumple para la línea de diseño por colapso como se puede observar en la fig. 12.18.

Diseño por tensión

13.- Determinar la línea de carga por tensión:

Calcular el peso flotado, para la tubería S-95 de 43.5 lb/pie (diámetro exterior de 9.625 pg y espesor de 0.435 pg) y la tubería S-95 de 40 lb/pie (diámetro exterior de 9.625 pg y espesor de 0.395 pg):

a-17


14.- Aplicar el factor de diseño de 100,000 lbs. ó 1.6, lo que resulte mayor, a la línea de carga por tensión, para obtener la línea de diseño:

Para verificar que las tuberías que se habían seleccionado por colapso cumplan con el diseño por tensión, calcular la resistencia a la tensión de la tubería que soportará todo el peso, en este caso la tubería de 43.5 lb/pie que resiste 95,000 lbs.:

Como se puede observar la tubería que soportará toda la carga, si cumple con la línea de diseño por tensión.

Además, se verifica que las juntas que se habían seleccionado también cumplen el diseño a la tensión, ya que resisten 960,000 lbs.

El diseño a la tensión se puede observar en la fig. 12.19.

a-18


Pro

fund

idad

(pi

es)

Tensión (lbs)

Línea de carga por tensión

Línea de diseño por tensión

339,188 lbs 542,700 lbs0

9,8000 1’000,000

Figura 12-19.- Evaluación por tensión para el diseño de TR´s del ejemplo 5.4

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Ejemplo 5.5.-“Tubería de revestimiento intermedia y liner”

Diseñe la TR intermedia y el liner para las siguientes condiciones de asentamiento:

TR intermedia LinerDiámetro de la tubería, pulgadas 9.625 7.0

Diámetro mínimo drift aceptable, pulgadas 8.55 6.0Longitud mínima de sección, pies 3,000 2,000Profundidad de asentamiento, pies 9,800 12,200

Overlap, pies 0 500Densidad del lodo de asentamiento, lb/galón 10.8 13.1

Cima del cemento, pies 7,000 9,300Peso del cemento, lb/galón 16.4 16.4

Presión superficial de trabajo, psi 6,500 6,500Gradiente de fractura en el asentamiento, psi 17.1 18.1

Peso de lodo máximo esperado, lb/galón 14.2 16.0

Solución:La presión de inyección (PI) se calcula en el asentamiento del liner:PI = 0.052 x (18.1 + 1.0 lb/galón) x 12,200 pies = 12,117 psi.

Las longitudes del lodo y el gas se calculan como:Ps + x(Gm) + y(Gg) = IP6,500 + x(0.052 x 16.0 lb/galón) + y(0.115 psi/pie) = 12,117 psi.x + y = SDx + y = 12,200

Resolviendo:x = 5,878 pies (columna de lodo)y = 4,214 pis (6,322.73) (columna de gas)

La presión de respaldo en el fondo de la sarta se calcula con un fluido de densidad 9.0 lb/galón:0.052 x 9.0 lb/galón x 12,200 pies = 5,709 psi.

La línea resultante y de diseño se muestran en la figura 12-21

La selección tentativa incluye 43.5 lb/pie, P-110 y L-125 para la sarta de TR intermedia y 29.0 lb/pie, N-80 para la sarta de 7.0 pulgasdas.

La línea de carga por colapso, Figura 12-22, se calcula con un lodo de 10.8 lb/galón y un cemento de 16.4 lb/galón para la sarta intermedia. El liner utiliza un cemento de 16.4 lb/galón y un lodo de 13.1 lb/galón.

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Figura 12-22,. Diseño por colapso para el ejemplo 5.5

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La longitud de la columna de lodo de 16.0 lb/galón utilizada como respaldo para el colapso es de 6,862 pies a partir del asentamiento del liner. La cima de 5,337 pies desde la superficie se considera como “seca”.

Las línea de la resultante y de diseño se calculan como se muestra en la ilustración.

La selección tentativa de la tubería excede los requerimientos del colapso.

Después de evaluar por separado las cargas por tensión y los efectos biaxiales para cada sarta, el diseño final de las sartas queda como sigue:

SecciónDiámetro(pulgadas)

Peso(libras/pies)

Longitud(pies)

Grado Junta

1 9.625 43.5 4,803 P-110 LTC2 9.625 43.5 4,997 L-125 LTC3 7.000 29.0 2,900 N-80 LTC

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Ejemplo 5.6.- “Tubería de revestimiento de producción”.Diseñe la TR de producción para las siguientes circunstancias:

Diámetro de la TR = 5.0 pulgadas.Diámetro drift mínimo aceptable = 4.0 pulgadas.Longitud de sección mínima = 4,000 piesProfundidad de asentamiento = 13,500 piesDensidad del lodo para el asentamiento = 13.5 lb/galónCima del cemento = 10,500 piesDensidad del cemento = 16.4 lb/galónShutin bottom-hole pressure = 7,600 psi.Densidad del fluido empacador = 9.0 lb/galón

Solución:La presión en el fondo del pozo de 7,600 psi se grafica en la figura 12-25.


Ya que se utiliza un fluido empacador de 9.0 lb/galón, su presión hidrostática cancela el efecto del fluido de respaldo. Por lo tanto, la resultante es igual a BHP de 7,600 psi.Un factor de diseño de 1.0 convierte la resultante en la línea de diseño. La TR es seleccionada de esta manera, como se muestra en la figura 12-25.La línea de carga por colapso, figura 12-26, se calcula con el lodo de 13.5 lb/galón y el cemento de 16.4 lb/galón.

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Figura 12-26.- Diseño por colapso para el ejemplo 5.6

Ya que no se utiliza un fluido de respaldo, la línea de carga se convierte en la resultante y línea de diseño.Después de evaluar las cargas por tensión y los efectos biaxiales, el diseño final consiste de TR N-80, 18.0 lb/pie, 5 pulgadas y 13,500 pies

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