07-asentamiento y diseño de tuberias de revestimiento

Para el Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimiento

7 GUÍA DE DISEÑO

Perforación

GUÍA DE DISEÑO PARA EL ASENTAMIENTO Y DISEÑO DE TUBERIAS DE REVESTIMIENTO

GUIA DE DISEÑO PARA EL ASENTAMIENTO Y DISEÑO DE TUBERIAS DE REVESTIMIENTO

CONTENIDO 1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. CONCEPTOS GENERALES 4. M E T O D O L O G Í A P A R A E L ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO 5. D I S E Ñ O D E T U B E R Í A S D E REVESTIMIENTO 6. CONSIDERACIONES ADICIONALES Nomenclatura. Referencias

Las tuberías de revestimiento tienen un papel muy importante en la perforación de pozos, ya que representan una porción muy significativa del costo total del pozo, entre el 15 y 35%. Por lo anterior, una selección óptima de los tubulares puede generar un ahorro importante en el costo total del pozo. En esta guía se muestran los conceptos que se deben considerar para el asentamiento y diseño de las tuberías de revestimiento, para que éstas puedan resistir las cargas impuestas durante la Perforación, Terminación y Reparación de Pozos, al mínimo costo.

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1. OBJETIVO

intermedia.

El objetivo de esta guía es establecer los criterios básicos para el Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimiento, que nos permitan usar TR's con características suficientes para resistir las cargas impuestas durante la Perforación, Terminación y Reparación de Pozos, al mínimo costo.

La determinación de las profundidades de asentamiento esta en función de las condiciones geológicas a perforar. El criterio de selección de la profundidad de asentamiento varía de acuerdo a la función específica de cada sarta de tubería de revestimiento. El aislamiento de zonas deleznables, zonas de pérdida de circulación y zonas de presión anormal, rigen los principales criterios de selección.

2. INTRODUCCIÓN En la construcción y durante la vida útil de un pozo petrolero, las tuberías de revestimiento son preponderantes, para lograr el objetivo del pozo. Por lo tanto la determinación de la profundidad de asentamiento y la selección de cada sarta de TR's, forman parte importante del diseño de la perforación. Además, las TR's representan una considerable porción del costo total del pozo, que varía entre el 15 y 35%, del mismo. Por lo anterior, cualquier reducción en el costo de los tubulares, puede generar ahorros sustanciales en el costo total del pozo. De acuerdo con las funciones específicas de las tuberías de revestimiento, las cuales se describen en la sección de conceptos generales, éstas se clasifican como: tubería superficial, tubería intermedia y tubería de explotación o producción. Dependiendo de la profundidad y complejidad del pozo, en ocasiones es necesario utilizar más de una tubería .

Por lo que respecta al diseño se establece que las tuberías de revestimiento deberán resistir las cargas impuestas durante la perforación, terminación y reparación de un pozo, al mínimo costo. El alcance de esta guía es definir los criterios para determinar las profundidades de asentamiento de las tuberías, tomando en cuenta las condiciones de cada tipo de tubería, así como los principales esfuerzos que actuarán sobre la tubería de revestimiento, las consideraciones para el diseño de cada tipo de tubería y el análisis de esfuerzos biaxiales. Lo anterior, como antecedente necesario para el uso de software técnico especializado para el asentamiento y diseño final de los diferentes tipos de tuberías de revestimiento. 3. CONCEPTOS GENERALES

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Una vez construido el perfil de geopresiones, el siguiente paso, en el diseño del pozo, es determinar el asentamiento de las tuberías de revestimiento. El proceso se realiza partiendo del fondo del pozo, hacía la parte superior, como se indica en la Figura 1.

Tubería intermedia.- Se cementa en la cima de la zona de presión anormalmente alta, para cambiar la base al lodo de perforación e incrementar la densidad del mismo. Cuando las zonas de presión anormal se extienden en profundidad, o se presentan intercalaciones de zonas de alta y baja presión, será necesario emplear más de una tubería intermedia.

A continuación se describe brevemente la finalidad del Tubería de explotación.- Permite la asentamiento de cada uno de los explotación selectiva de los intervalos tipos de tuberías de revestimiento: que presenten las mejores características. Los principales parámetros que influyen en la determinación de la profundidad de asentamiento de las TR's son:

Figura 1 Asentamiento de TR's

Tubo conductor.- Su objetivo es aislar acuíferos superficiales y tener un medio para la circulación del fluido de perforación.

1. Diámetro requerido al objetivo. 2. Ti p o d e f o r m a c i ó n y s u contenido de fluidos 3. Presión de formación y fractura 4. Densidad del fluido de control 5. Presión diferencial 6. Máximo volumen al brote durante la perforación Respecto al diseño de la tubería de revestimiento, se consideran tres pasos básicos: 1.Determinar el diámetro y longitud

Tubería superficial.- Tiene como de las sartas de tuberías. objetivo, aislar acuíferos 2. Calcular el tipo y magnitud de esfuerzos que serán superficiales e instalar conexiones encontrados. superficiales de control.

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T.R que no fallaran al estar las cargas.

sujetos a Fuerza de Tensió n .-

Por lo tanto, el objetivo del diseño es permitir el control de las condiciones esperadas del pozo, para que las sartas sean seguras y económicas. En la evaluación apropiada de las cargas que actúan a lo largo del pozo, se deberán hacer consideraciones especiales, de acuerdo a la profundidad. Así, el diseño de los tubulares debe hacerse por separado. Estos es: (1) Tubería superficial, (2) Tubería intermedia, (3) Tubería intermedia como liner, (4) Liner de explotación, (5) Tubería de producción. La carga de presión interna debe ser considerada en primer lugar, ya que dictará las condiciones iniciales para el diseño de la tubería de revestimiento. El siguiente criterio a considerar es la carga al colapso que deberá ser evaluada y las secciones deberán ser recalculadas de ser necesario. Una vez que los pesos, grados y longitudes de las secciones han sido determinados para cumplir con las cargas de presión interna y colapso, se deberá evaluar la carga por tensión. El paso final es verificar las reducciones por efectos biaxiales en esfuerzo de presión interna y resistencia al colapso causados por las cargas de tensión y compresión respectivamente. La representación gráfica de los diferentes esfuerzos se muestra en la figura 2.

Presión Interna.-

Colapso.-

Fuerza de compresión. -

Figura 2.- Esfuerzos que actúan en la tubería de revestimiento.

4 . M E T O D O L O G Í A PA R A E L ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO La metodología propuesta en esta guía es un método gráfico y consta de los siguientes puntos: 1.Recopilación de Información y graficación de parámetros. 2.Asentamiento de la TR de Explotación 3. Asentamiento de la TR Intermedia 4. Asentamiento de la TR Superficial

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4.1. Recopilación de Información y graficación de parámetros Para la planeación del asentamiento de TR's es necesario considerar la 1 siguiente información :

Diámetro de la T.R. de producción o del agujero en la última etapa. Trayectoria programada. Columna geológica programada Sección estructural Presión de poro y de fractura. Márgenes de viaje empleados durante el movimiento de tuberías. Margen del fluido de perforación para control de posible brotes. Densidades del fluido de control Con esta información disponible, se procede a generar un gráfico de gradientes de densidad equivalente de la presión de poro y de fractura2 (Figura 3). A los valores de la presión de poro y fractura se les deberá afectar por un margen de control que considere los efectos de viaje de la tubería (pintoneo y succión) y la posible ocurrencia de un brote. El rango de valores que se maneja para estos márgenes se explica más adelante. Además, es conveniente conocer el

área donde se planea perforar el pozo para tomar en cuenta, en el programa final, la posible presencia de: estratos salinos, zonas de lutitas hidratables y/o deleznables, acuíferos, estratos con H2S o CO2, zonas depresionadas, fallas, zonas de alta presión, formaciones no consolidadas, formaciones altamente fracturadas o vugulares, formaciones con aportación de agua, etc. ASENTAMIENTO DE TR`S GRADIENTE GRADIENTE (gcc) (gcc)

Asentamiento

Figura 3.- Graficación de gradientes para el Asentamiento de TR's.

4.1.1 Márgenes de Control sobre la Presión de Poro (MPp) El margen de control sobre la presión de poro estará conformado por la suma del margen de viaje y un factor de seguridad. Para estos márgenes es necesario realizar cálculos de las presiones de empuje y succión en pozos de correlación o suponiendo una geometría conocida del pozo a perforar.

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Esto se debe realizar a diferentes profundidades, en función de las propiedades del fluido de control, la geometría del pozo y a diferentes velocidades de viaje de la sarta de perforación en condiciones críticas (barrena embolada) y/o diferentes velocidades de introducción de las tuberías de revestimiento. Sin embargo, existen valores reportados en la 3,4 literatura que varían entre 0.024 a 0.060 gr/cc para el margen de viaje (succión y empuje). Además de estos márgenes, es deseable emplear pesos de lodo que ejerzan una presión mayor a la presión de formación ( 20 kg/cm2), por lo que se debe considerar un factor de seguridad para la densidad equivalente del lodo a utilizar, de entre 0.024 a 0.036 gr/cc.

4.1.2 Margen de Control sobre la Presión de Fractura (MPf) Así mismo, se debe utilizar un margen de fractura por efecto de empuje durante la introducción de tuberías o en el caso del control de un brote, por lo que se debe reducir al gradiente de fractura pronosticado en el rango del margen de 3,4 viaje (0.024 a 0.060 gr/cc) . Este valor puede ser obtenido para cada área en particular de pozos de correlación donde se hayan realizado operaciones de control de brotes, es decir, la densidad del fluido para controlar el brote menos la densidad del fluido de perforación antes de que ocurriera el brote. El valor recomendado es de 0.030 gr/cc.

Asumiendo lo anterior, se puede Margen Valores Valor definir el margen de control como la sobre la Pf Publicados recomendado suma del margen de viaje y el factor (gr/cc) (gr/cc) d e s e g u r i d a d d a n d o c o m o Viaje 0.024-0.060 0.030 Total 0.030 resultando valores entre 0.05 a 0.10 gr/cc sobre el gradiente de presión de poro. Los valores recomendados Tabla 2 Márgenes de Control para la Presión de Fractura se muestran en la siguiente tabla: Margen sobre la Pp Viaje Seguridad

Valores Publicados (gr/cc) 0.024-0.60 0.024-0.036 Total

Valor recomendado (gr/cc) 0.030 0.025 0.055

Tabla 1 Márgenes de Control para la Presión de Poro

4.1.3 Margen por efecto de presión diferencial La presión diferencial se define como la diferencia entre la presión hidrostática del fluido de control y la presión de formación, a cierta profundidad. Se deben obtener dos rangos, uno para

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la zona de transición (normal a anormal) y otro para la zona de presión anormal. Se pueden utilizar valores de acuerdo con la experiencia en cada área en particular. Además, existen valores generales reportados en la literatura3 sobre la cantidad de presión diferencial que puede tolerarse sin que ocurran pegaduras de tuberías, los cuales están entre: Zonas de transición (normal a anormal) 2,000-2,300 lb/pg2 (140 y 160 kg/cm2) Zonas de presión anormal 3,000-3,300 lb/pg2 (210 y 230 kg/cm2 ). Como se mencionó previamente, una vez determinados los gradientes de poro y fractura y los márgenes de control, la determinación de las profundidades de asentamiento se realiza desde la profundidad total programada hacia arriba. En pozos donde no exista evidencia de zonas de presión anormalmente alta, se establece que sólo se asentarán las tuberías de explotación y la superficial, siempre y cuando las condiciones litológicas así lo permitan. A continuación se describe la metodología para cada tipo de tubería de revestimiento. 4.2. Asentamiento de la Tubería de Explotación

Aunque generalmente la tubería de explotación se asienta hasta la profundidad total programada, se debe considerar que la premisa es asentarla a la profundidad donde se permita la explotación de los intervalos definidos. 4.3. Asentamiento de Tubería Intermedia Se grafica la presión de formación más su margen de control, y la presión de fractura, menos su margen respectivo, (todos expresados en gradiente de densidad de lodo equivalente) contra la profundidad. A partir del máximo valor de densidad a utilizar en el fondo del pozo, se proyecta una línea vertical hasta interceptar la curva del gradiente de fractura afectado por su margen de seguridad. La profundidad de esta intersección definirá el asentamiento de la tubería intermedia más profunda. En función de la profundidad total del pozo y del comportamiento de las geopresiones pronosticado, se procederá de la misma manera, en caso de que se requieran tuberías intermedias adicionales, como se ilustra en la Figura 4. Esto, hasta alcanzar la profundidad de asentamiento de la tubería superficial, que difiere del procedimiento anterior. Para cada asentamiento de tubería intermedia, será necesario revisar el margen por presión diferencial para

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asegurar que no se exponga al pozo a un riesgo de pegadura por presión diferencial.

( r r * Di fin inicio ) D p= 10

(1)

ASENTAMIENTO DE TR`S GRADIENTE GRADIENTE (gcc) (gcc)

Asentamiento

Donde r fin es la densidad del fluido de control a la profundidad final de la T.R. que se esta revisando, y r la densidad del fluido de control a la profundidad del asentamiento o etapa anterior, en (gr/cc). inicio

La condición que deberá cumplirse es:

Figura 4.- Asentamiento de TR's

4.3.1 Corrección por Presión Diferencial Una vez que las profundidades de asentamiento de las tuberías intermedias han sido establecidas, se deberán tomar en cuenta los problemas de pegadura por presión diferencial, para determinar si la sarta de tubería de revestimiento pudiera pegarse cuando sea introducida al pozo. Para esto, se evalúa la máxima presión diferencial que se puede presentar con el arreglo seleccionado. Esta revisión deberá hacerse desde la tubería más superficial (Figura 3. Asentamiento 2) hasta la más profunda (Figura 3. Asentamiento 1). La presión diferencial ( y D p , en kg/cm2) a cualquier profundidad (Di en m), se obtiene con la siguiente ecuación:

Para el asentamiento de la TR (1) (Figura 3), en la zona de Presión anormalmente alta : 2 D p lim