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Session …
Nueva Conexión Premium Diseñada para Operaciones de Altas Cargas
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Nueva Conexión Premium Diseñada para Operaciones de Altas Cargas
SPE - ATW “Artificial Lift Systems”
Francisco Diaz TelliMatías PereyraRita ToscanoArgentina, Abril 2008
Varillas de Bombeo
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Nota:
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Atte, los Autores
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• Conexión Premium de Tenaris• Escenario del diseño API de la conexión.• Resolviendo el Problema…
– Análisis por Elementos Finitos (FEA)– Ensayos de Laboratorio a Plena Escala– Producción y controles de Calidad – Experiencias de Campo– Proceso de Make-up
• Conclusiones
Varillas de Conexión PremiumAgenda
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Objetivo del Proyecto- Optimización de los Sistemas de Elevación Artificial mediante el uso de una columna de varillas de bombeo con una conexión especial.
Principales aspectos de la Conexión Especial denominada “Premium”:
• Filete de rosca trapezoidal cortado
• Interferencia Diametral con contacto flanco-flanco
• Baja pre-tensión de armado en el pin
- Desarrollar una conexión especial capaz de trabajar bajo elevadas cargas mejorando la vida a la fatiga de la varilla.
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Escenario del diseño de rosca API• El Bombeo Mecánico es el sistema de producción de crudo más utilizado en el mundo (>600.000 pozos productores).
• Más del 30% de las fallas en el sistema se deben a fallas en la conexión.
• Resistencia a la Fatiga del Pin < Cuerpo (Eficiencia < 100%)
• Se requirió adoptar Grados de Alta Resistencia
• En la mayoría de los pozos, el diámetro de la varilla esta limitado por el diámetro interno del tubing (Ej. 2 7/8”)
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Diseño Estándar API
Condujo a desarrollar un nuevo concepto en conexiones de varillas !
Diversas limitaciones físicas:• Desajuste de la conexión (huelgo en la rosca).• Deformación en las roscas durante la operación y el make-up. • Distribución no-uniforme de la solicitación en el perfil de la rosca. • Operación de make-up (sobre torque o unión floja).• Rotura de la rosca (deformación de la rosca, alineamiento, etc.).• Corrosión.
Concentración de Tensiones
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7
Análisis por Elementos FinitosPRINCIPAL OBJETIVO: VIDA A LA FATIGAEsta herramienta de diseño fue utilizada para seleccionar la mejor rosca previo a las pruebas de laboratorio.Se realizó un gran número de comparaciones con la rosca API.
Design Alternatives
Production Controls & FEA evaluations
Lab Tests
Ok?
Field Trial
No Yes
Las simulaciones y las pruebas se realizaron con varillas Grado D con cupla UHS.
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Simulaciones 3D
(Evaluación de pozos Desviados)
Varillas con Conexión PremiumAnálisis por Elementos Finitos (FEA)
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Mejoras en la vida a la fatiga de la conexión: •Tendencia al desajuste (filete de rosca cilíndrico, contacto en un flanco y make-up basado en interferencia debida a un alto nivel de carga axial).
• Distribución poco uniforme de las tensiones en el perfil de la rosca.
• Elevado nivel de tensiones en el make-up que produce deformación plástica en las roscas y limita la capacidad de carga de las varillas.
• Reducción significativa en la zona de concentración de tensiones críticas.
Resolviendo el Problema
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Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaEnsayos de fatiga axial
Capacidad:
• Carga axial Máxima: +/- 50 ton (110000 lbs).• Carrera: 150 mm (5.9”). • Control de cargas, desplazamiento y deformaciones.• Frecuencia: 60 Hz. • Cuñas Neumáticas.
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279.8
5
104.87
Pesca en Pin
2.96Pesca en Pin
Ciclos (MM)
336308279.8% Goodman
5Cmin (Ton)
1716151515Cmax (Ton)
Premium 3/4”API 3/4”
Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión
Probetas de Ensayo: Trozos de 7/8” Grado D con Conexión Premium de 3/4”(Cuplas UHS)
10 Millones de Ciclossin fallas
(hasta 336 %Goodman)
Menos de5 Millones de Ciclos
10 Millones de ciclos sin falla(hasta 336 %Goodman)
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Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premiumde 7/8” (Cuplas UHS).
Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión
10 Millones de Ciclossin fallas
(hasta 336 %Goodman)
1.271Falla en
cupla
300.7
22
1.4Falla en
Pin
300.7
5
22
API 7/8”
336
24
318.7
23
300.7
22
230
18
221.2
17.5
212.3
17
203.4
16.5
10
194.6
5
16
Premium 7/8”
Ciclos (MM)
% Goodman
Cmin (Ton)
Cmax (Ton)
10 Millones de ciclos sin falla(hasta 336 %Goodman)
Menos de 1.5 Millones de
ciclos
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Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión
Probetas de Ensayo: Trozos de 7/8” Grado D con Conexión Premium de 3/4”(Cuplas UHS)
Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premiumde 7/8” (Cuplas UHS).
247.8
25
10
223.5
5
23
262.3
27
Ciclos (MM)
280.5
% Goodman
Cmin (Ton)
28.5Cmax (Ton)
Premium 1”
Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premiumde 1” (Cuplas UHS).
10 Millones de Ciclossin fallas
(hasta 280 %Goodman)
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Goodman Diagram HS & D Grade Rods
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Smin (Ksi)
Sm
ax (
Ksi
)
Min YS D Grade (Ksi)
S allowable D Grade (Ksi)
Min YS HS Grade (Ksi)
S allowable HS Grade (Ksi)
Smin (Ksi)
Varillas 7/8” D PCVarillas 3/4” D PC
Varillas 1” D PC
Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión
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Control de Calidad y FabricaciónControl de perfil de rosca
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Proceso de Make-up
El armado se divide en cinco pasos:
1- Limpieza de Roscas2- Engrase de las roscas (grasa de tubing) 3- Posición de Ajuste a Mano4- Contacto entre el pin y el box con la llave de torque5- Control con desplazamiento circunferencial
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El armado se divide en cinco pasos:1- Limpieza de Roscas2- Engrase de las roscas (grasa de tubing)3- Posición de Ajuste a Mano4- Contacto entre el pin y el box con la llave de
torque5- Control con desplazamiento circunferencial
Proceso de Make-up
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Paso #1: Limpieza de las roscas
Se debe asegurar la ausencia completa de partículas sólidas.
Proceso de Make-up
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Proceso de Make-up
Paso #2: Engrasado de la Rosca
Se debe aplicar grasa estándar de tubing para evitar el engrane de las roscas.
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Proceso de Make-up
Paso #3: Posición de Ajuste a Mano (Hand-tight)
Debido a la interferencia diametral, la conexión mantiene un tiraje después del ajuste a mano.
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Proceso de Make-up
Paso #4: Control de contacto entre espejos (Pin/Box)
Se requiere la aplicación de la llave de torque para hacer contacto entre los espejos (se utiliza un calibre de 0,05 mm).
Paso #5: Control del Desplazamiento Circunferencial
Después de asegurar el contacto de los espejos se dibuja una línea vertical y se logra el desplazamiento deseado con la llave de torque.
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Experiencia de Campo
2 7/8”Tubing:
2”Diámetro de Bomba:
M 912-365-168Unidad de Bombeo:
478 bpd (76 m3/d)Producción:
7.81GPM:
~10 °API
168”
7155 ft (2181 m)
Densidad del Crudo:
Carrera:
Profundidad de Bba.:
Principales Características del Pozo
1½”
¾”
7/8”
1”
Diám. SolicitaciónCanti.Grado
20
77
94
93
(Barra de Peso)
AltaResistencia
GRADO D PC
AltaResistencia
81% deGoodman (SF 0.9)
137% deGoodman (SF 0.9)
NA
83% deGoodman (SF 0.9)
Diseño de Sarta
Un pozo de ensayo opera con varillas Conexión Premium de 7/8”Grado D intercaladas entre tramos de Alta Resistencia:
Fecha de Instalación: 23 de Septiembre de 2005
Acumula >9 millones de golpes (ciclos) trabajando al 137 % Goodman (SF 0.9).
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23
Goodman Diagram HS & D Grade Rods
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Smin (Ksi)
Sm
ax (
Ksi)
Min YS D grade(Ksi)
S allowable D grade (Ksi)
S allowable UHS grade (Ksi)
Smin (Ksi)
137% (0.9 SF)83% (0.9 SF)
Varillas D PC
Varillas 1” AR
El tramo Grado D con varillas Conexión Premium ha trabajado en condiciones de solicitación de varillas Alta Resistencia, indicando que las últimas podrían ser reemplazadas por las primeras.
Experiencia de Campo
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Conexión Premium de VarillasConclusiones
• La Conexión Premium es 100% eficiente para Altas Cargas:Resistencia de la Conexión > Resistencia del Cuerpo
• Mayor resistencia a la fatiga que el diseño de rosca API comprobado en ensayos de fatiga
à Reducción de los niveles de tensiones en el área crítica.• La performance de la Conexión permite la utilización de Varillas
Grado D en pozos con elevadas cargas donde se requieren Varillas de Alta Resistencia (Aceros con TT y aleaciones especiales).
• La capacidad de carga de la Conexión Premium permite reducir el diámetro de las varillas en el diseño de la sarta.
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Muchas Gracias!Francisco Diaz Telli
Matías Pereyra
Rita Toscano