PRODUCCION 1

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DISEO DE TUBERIAS

1. INTRODUCCION:El Tubing de Produccin es la tubera a travs de la cual se conducen los fluidos desde el reservorio hacia las instalaciones de superficie. Como es bien conocido en la Industria, esta tubera se compone de tramos de aproximadamente 30 pies unidos a travs de conexiones roscadas que pueden ser del tipo Premium o bien uniones API. Esta tubera, al igual que la porcin de Casing (o Liner) debajo del packer, deber tolerar las condiciones corrosivas de los mencionados fluidos de manera simultnea con las condiciones termodinmicas del reservorio.Por lo cual, los materiales seleccionados, debern satisfacer de igual modo criterios del tipo mecnico y requerimientos de resistencia a la corrosin, en definitiva, un ingeniero responsable de la seleccin de un Tubing deber obtener, al final de su tarea, una tubera que asegure como mnimo, los siguientes objetivos primarios: Dimetro necesario para la produccin ptima. Peso mtrico adecuado, el grado de acero y las conexiones para asegurar integridad en servicio. Procedimientos operativos claros para correr la tubera. Certeza sobre las mximas cargas esperadas y los valores mximos admisibles de resistenciade la instalacin. Mencionados estos puntos, la cuestin es determinar el proceso de seleccin con el que se puede asegurar el diseo correcto de un Tubing de produccin. En este proceso habr cuestiones de diseo que asemejan a este tipo de tubera a las dems existentes en el pozo (es decir los diferentes tipos de Casing), y habr otras cuestiones que le confieren un carcter distintivo.

1.1. En que es similar a un Casing?Existen numerosos puntos de coincidencia en el enfoque de diseo de un Tubing respecto de un Casing, entre los cuales vale la pena mencionar:1.2. Las teoras de resistencia de los materiales son las mismas: Estallido: API 5C3, prximamente ISO 10400. Colapso: API 5C3, Tamano, etc. Multiaxial: Anlisis de Von Mises. Axial: API 5C3, prximamente ISO 10400.1.3. Los conceptos de diseo son los mismos: Generalmente el diseo se basa en las tensiones de trabajo (Working Stress Design) aplicando el lmite de fluencia de los materiales como criterio de falla. Correcta definicin de las Condiciones de Carga. Correcta especificacin de la resistencia de los tubulares y las conexiones. Prediccin del posible deterioro con el tiempo y su influencia en la resistencia del tubo.1.4. Las consideraciones respecto de los materiales son las mismas.1.5. En que es diferente a un Casing?Por otro lado tenemos otros tpicos que requieren mayor nfasis en los diseos de este tipo de tuberas como por ejemplo: El Tubing se trata de un consumible (es decir, siempre es posible la sustitucin medianteworkovers). La excepcin se da en instalaciones de aguas profundas. El Tubing se encuentra mayormente expuesto a los fenmenos erosivos si el pozo es de caudal importante. Necesita un enfoque distinto respecto de la resistencia a la corrosin. Requiere total compatibilidad con el fluido de empaque cuando se utilizan materiales resistentes a la corrosin. Las hiptesis de carga que se consideran son diferentes: Los esfuerzos axiales se tornan muy importantes. La temperatura es muy importante. Las consideraciones de diseo dependen de su vinculacin al Casing en el fondo del pozo, esto es del tipo de Packer con el que se lo instala y por ende, con su capacidad de movimiento. Finalmente, como un tema muy importante, las tensiones de pandeo y post-pandeo deben tener una especial atencin ya que, por su condicin de tubera esbelta, posee una marcada tendencia a la prdida de estabilidad.En las secciones siguientes de este trabajo se muestra los factores arriba mencionados que hacen caracterstico a diseo de Tubing relacionado con cuestiones como hiptesis de cargas tpicas, resistencia a la corrosin, erosin, tendencia al pandeo y los movimientos resultantes.

2. CRITERIOS DE DISEO DE TUBERIA

2.1. PRESION DE DISEO

La presin de diseo no ser menor que la presin a las condiciones ms severas de presin y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operacin normal. La condicin ms severa de presin y temperatura coincidente, es aquella condicin que resulte en el mayor espesor requerido y en la clasificacin ("rating") ms alta de los componentes del sistema de tuberas. Se debe excluir la prdida involuntaria de presin, externa o interna, que cause mxima diferencia de presin.

2.2. TEMPERATURA DE DISEO

La temperatura de diseo es la temperatura del metal que representa la condicin ms severa de presin y temperatura coincidentes. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseo para tuberas son como sigue: Para componentes de tubera con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseo ser la mxima temperatura de diseo del fluido contenido. Para componentes de tubera sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperaturas de 32F (0C) y mayores, la temperatura del metal para diseo ser la mxima temperatura de diseo del fluido reducida.

3. TIPO DE FLUIDO

El tipo de fluido nos ayuda a determinar a que caudal se producir el pozo y con este determinaremos la velocidad del fluido, el cual ser de gran importancia para la erosin.

4. COMPOSICION DEL FLUIDODependiendo de la composicin del fluido se analiza que tipo de tubera se a usar dndole mayor importancia al porcentaje de contaminantes que presenta el fluido (hidrocarburo), si el fluido tendra un alto de porcentaje de contaminante corrosivo entonces la solucin inmediata para el diseo seria usar una tubera cromada resistente a la corrosin.

5. DISEO DE TUBERIAS DE PRODUCCIONDebe entenderse como un proceso para determinar las especificaciones que deben tener la sarta de produccin con la premisa de seleccionar la mas conveniente a partir de especificaciones pre establecidas para una aplicacin en particular en un pozo.Una tubera debe invariablemente seleccionarse baso dos esquemas de ingeniera diferente: 5.1. DISEO HIDRAULICOAl ser conductos que permiten el flujo de fluidos en el interior del pozo las tuberas estn sujetas a las condiciones de operaciones prevalecientes durante la circulacin de los diferentes fluidos que la ocupan, estas condiciones deben regularse, controlarse, y manejarse apropiadamente para satisfacer los requerimientos ptimos desde el punto de vista de ingeniera.Una de las tcnicas ms utilizadas para optimizar la seleccin geomtrica de los aparejos de produccin es el ANALISIS NODAL, el resultado de aplicar esta tcnica permite a los ingenieros de diseo obtener dimetros de tubera de produccin ms propicios para la extraccin de los hidrocarburos.

5.2. DISEO MECANICOProceso que permite determinar o definir tubulares que conforman una sarta de produccin bajo la premisa principal de mantener una capacidad de resistencia superior a cualquier condicin de carga que se le imponga, dentro de las consideraciones de operacin en la cual se utilizara, y seleccionar bajo una estricta revisin de costos la sarta de tuberas que resulte ser ms rentable.Para entender el diseo mecnico de tuberas de produccin debemos tener claros los siguientes conceptos:a) Condiciones de falla.- ocurre cuando un miembro cesa de realizar satisfactoriamente la funcin para la cual estaba destinado, en el caso de las tuberas colocadas en el pozo, si estas alcanzan cualquier nivel de deformacin se debe entender la situacin como una condicin de falla.b) Capacidad de resistencia.- la capacidad de resistencia de una tubera se define como aquella aptitud o condicin que ofrece una tubera para reaccionar y evitar cualquier tipo de falla o deformacin ante la accin combinada de cargas.Para analizar las cargar a las que es sometida la tubera de produccin debemos conocer el concepto de cedencia en las tuberas.6. CEDENCIAPara entender el comportamiento de falla iniciaremos por definir el concepto de cedencia o fluencia, que es aquella propiedad o condicin del material para soportar la deformacin elstica, o bien, la resistencia que opone el material a la deformacin ante la exposicin de una carga. Se dice que un material alcanza la cedencia o fluencia cuando experimenta una carga que le provoca una deformacin permanentemente. Es decir, el material se comporta plsticamente o se dice que tiene afluencia. Antes de esta deformacin, al liberar la carga, el material recupera su estado original. El punto a partir del cual el material se fractura o se rompe, se dice que alcanza su ltimo valor de resistencia a la cedencia.En cuestin de las tuberas el nmero de cada tipo de tubera indica la cedencia mnima de cada tubera.

Los tipos de cargas a los que son sometidos los aparejos de produccin y de los cuales estudiaremos sus resistencias son: Colapso Estallamiento Tensin Corrosin Erosin

7. RESISTENCIA AL COLAPSOLa resistencia al colapso se define como la presin externa que se requiere para sumir un espcimen de tubera.

7.1. TIPOS DE COLAPSO

7.1.1. Colapso de cedencia.- en la cual el material es fuertemente dependiente de la cedencia del material, se presenta en las tuberas de dimetro grande (mayor a 7 5/8).

Dnde: = (). = Cedencia mnima del material = (). = ().

7.1.2. Colapso elastico.- es el que se presenta posteriormente a la etapa de colapso elstico que obedece a la naturaleza propia de la deformacin del tubo en la etapa de plasticidad o posterior a la cedencia.

Dnde: = o (). = (). = (). = ().,,= Los coeficientes empricos A, B y C se encuentran dados por las siguientes ecuaciones (a dimensionales).

7.1.3. Colapso elstico.- es producido mediante la teora clsica de la elasticidad y se presenta en tuberas esbeltas y de dimetro pequeo (menor a 7).

Dnde: = (). = ().2 = (). = (). = ().

7.1.4. Colapso de transicin.- entre el colapso plstico y el colapso elstico, comportamiento correlacionado en forma numrica por el API para tener en forma completa el modelado del comportamiento del colapso.

Dnde:= ()= () = (). = (). =

8. RESISTENCIA AL ESTALLAMIENTO

La falla por estallamiento de una tubera es una condicin mecnica que se genera por la accin de cargas de presin actuando por el interior de la misma. La resistencia que opone el cuerpo del tubo se denomina resistencia al estallamiento. Por efecto de las traducciones y el manejo del trmino burst, generalmente se le ha denominado como resistencia a la presin interna. Sin embargo, es claro anotar que este utilizado debido a que la presin interna es la carga y la propiedad del material es la resistencia. Esta opone el material a fallar por estallamiento o explosin debido a la carga a la que est sometido por la presin acta en la cara interior del tubo.

Dnde:= ()= ()= ()= ()La ecuacin calcula la presin 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%.

9. RESISTENCIA A LA TENSION

La resistencia a la falla por tensin de una tubera se puede determinar a partir de la cedencia del material y el rea de la seccin transversal. Se debe considerar la mnima cedencia del material para este efecto. Se define como el esfuerzo axial que se requiere para superar la resistencia del material y causar una deformacin permanente.

Dnde: = /2 (). = . = . = /2 ().

10. RESISTENCIA A LA CORROSION

Establecer un programa de tuberas para un pozo incluye la seleccin del producto adecuado desde el punto de vista tcnico-econmico tomando en cuanta la performance de los materiales y requiriendo de la evaluacin minuciosa del ambiente en donde se van a utilizar.De esta manera, definido el grado de deterioro permitido al material (nos referimos a la prdida de material debido a corrosin por disolucin y al probable desgaste), las opciones para compensar esta prdida ser incrementar el espesor con el material necesario durante la vida til en servicio, o bien utilizar materiales de mayor resistencia a la corrosin generalizada.

Lo usual en la industria del gas y del petrleo es que la corrosin (generalizada) sea aceptable cuando es menor a 0.25 mm/ao, mientras que, valores entre 0.5 y 1.0 mm/ao la decisin depender de otros factores tales como el tiempo requerido de servicio, las posibilidades de inspeccin, inhibicin, reparacin, etc. y de las consecuencias econmicas de una 1 falla. Por otro lado la corrosin localizada deber ser minimizada, y la corrosin bajo tensin o fallas por hidrgeno debern ser eliminadas por completo en la etapa de diseo.La mejor forma de resistir la corrosin es usando tuberas cromadas debido a que estas son mas resistentes a la corrosin dependiendo del porcentaje de cromo, las tuberas cromo 13% son muy utilizadas por ser las mas convencionales tanto en resistencia como en economa.

11. RESISTENCIA A LA EROSIN

En lo que se refiere a los efectos generados en el interior de un Tubing que transporta fluido a gran caudal la erosin es esencialmente, la prdida de material debido a la remocin mecnica de superficie mediante el flujo de los entornos. Dicha remocin es ms intensa cuando hay slidos presentes en el medio ambiente. La erosin se debe tomar muy en consideracin en los sistemas de produccin de petrleo y gas cuando la velocidad ascensional (y por lo tanto la produccin) generan condiciones que pueden poner en riesgo a las instalaciones. Debido a esto se fijan lmites para evitar la erosin. Si estos lmites son demasiado conservadoras entonces la produccin se pierde, y si estos los lmites son demasiado optimistas entonces hay un riesgo de posible prdida de integridad del sistema.En general, cuando se trata de sistemas de produccin de gas, agua y petrleo, la erosin se clasifica en estos 4 grupos: La erosin de ocasionada por lquidos no corrosivos (impacto de gotas de lquido) Erosin debido a fluidos no corrosivo que contiene partculas slidas Erosin-corrosin debido a un medio corrosivo en ausencia de slidos Erosin-corrosin mediante un fluido corrosivo que contiene slidos.Una regla ya establecida en la Industria del petrleo es la utilizacin de la ecuacin de la API 14E para limitar problemas erosivos. La ecuacin se utiliza para determinar velocidades erosinales lmites para mezcla de gases y lquidos. La principal deficiencia de esta expresin es que no considera presencia de slidos:

En la expresin anterior: Ve = Velocidad erosional lmite (ft/seg) C = Constante erosional (emprica) = Densidad de la mezcla (lbs/ft3)En la expresin arriba mencionada se sugieren algunos valores de la constante C emprica, como se muestra a continuacin: C = 100 para servicio continuo C = 125 para servicio intermitente C = 150 a 200 para servicio continuo con fluidos no corrosivos C = 250 para servicio intermitente con fluidos no corrosivosTomando en consideracin las limitaciones anteriores, se propone una metodologa a seguir que permita determinar valores de velocidades lmites mediante las cuales se puede asegurar una prdida de espesor de 0,1 mm/ao o menos debido a erosin son normales en los sistemas en donde se produce hidrocarburos acompaados de una cantidad importante deslidos no es posible establecer un criterio de velocidad mnima para garantizar una prdida de espesor inferior a 0,1 mm/ao.

12. FACTOR DE DISEOFactor de Diseo

El Factor de Diseo se parece mucho al Factor de Seguridad. Sin embargo, el primero se relaciona con la resistencia terica o asumida del tubular, mientras que el segundo se relaciona con la resistencia real.

13. CONCLUSIN

El diseo de tubera de produccin es de mucha importancia ya que al disear dichas tuberas se deben tomar en cuentas los factores de diseo para que posteriormente no se produzcan fallos en el interior del pozo y as tenga una produccin til de petrleo y gas.

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