Asentamiento y diseno de TR 22_12_2010

Guía de Diseño  para el Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimiento CONTENIDO 1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. CONCEPTOS CONCEPTOS GENERALES 4. METODOLOGÍA PARA EL ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO REVESTIMIENTO 5. DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO 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 impuest impuestas as durante durante la Perforación P erforación,, T Term erminación inación y Reparación de P ozos, al mínimo mínimo cost cos to.

Guía de Diseño

1. OBJETIVO

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. 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 intermedia. 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. 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. 2

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

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. A continuación se describe brevemente la finalidad del asentamiento de cada uno de los tipos de tuberías de revestimiento:  ASENTAMIENTO DE TR'S Asentamientos

GRADIENTE (g/cc) 1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 TA 384 m

500

1000

G. Fractura

1500

2

2000

   )   m    (    D    A    D    I    D    N    U    F    O    R    P

2500

3000

3500 4000 4500

G. Formación

1

T.R. Superficial T.R. Intermedia T.R. Explotación

P. T otal 5000

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. Tubería superficial.- Tiene como objetivo, aislar acuíferos superficiales e instalar conexiones superficiales de control. Gerencia de Ingeniería

 Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimi ento

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. Tubería de explotación.- Permite la explotación selectiva de los intervalos que presenten las mejores características Los principales parámetros que influyen en la determinación de la profundidad de asentamiento de las TR’s son:

1. Diámetro requerido al objetivo. 2. Tipo de formación y su 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 de las sartas de tuberías. 2. Calcular el tipo y magnitud de esfuerzos que serán encontrados. 3. Seleccionar los pesos y grados de  T.R que no fallaran al estar sujetos a las cargas. 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 Subgerencia de Perforación de Pozos

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.

Fuerza de Tensión .Fuerza generada por el peso de la propia tubería

Colapso.- Generada Por los fluidos de la formación, tales como: gas, aceite, agua salada, lodo, etc.

Presión Interna.Generada por los fluidos utilizados durante la perforación o terminación. Sin embargo, se pueden presentar manifestaciones de la formación, tales como: gas, aceite, agua salada, etc.

Fuerza de compresión.Fuerza ejercitada por el fluido de perforación durante la introducción o por el cemento durante la cementación.

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

4. METODOLOGÍA  ASENTAMIENTO DE REVESTIMIENTO

PARA TUBERÍAS

EL DE

La metodología propuesta en esta guía es un método gráfico y consta de los siguientes puntos: 3

Guía de Diseño

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

 ASENTAMIENTO DE TR'S 1.2

y

Para la planeación del asentamiento de  TR’s es necesario considerar la siguiente información1:

1.4

1.6

1.8

2

2.2

TA 384 m

500

1000

G. Fractura

1500

4.1. Recopilación de Información graficación de parámetros

Asentamientos

GRADIENTE (g/cc) 1 0

2000

   )   m    (    D    A    D    I    D    N    U    F    O    R    P

2500

3000

G. Formación

3500 4000 4500

P. T otal 

    





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.

4

5000

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. 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 literatura3,4 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. Asumiendo lo anterior, se puede definir el margen de control como la suma del margen de viaje y el factor de seguridad dando como resultando valores entre 0.05 a 0.10 gr/cc sobre el gradiente de presión de poro. Los valores recomendados se muestran en la siguiente tabla: Gerencia de Ingeniería

 Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimi ento

Margen sobre la Pp Viaje Seguridad

Valores Valor Publicados recomendado [gr/cc] [gr/cc] 0.024-0.060 0.030 0.024-0.036 0.025 0.055  Total

 Tabla 1 Márgenes de Control para la Presión de Poro

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 viaje (0.024 a 0.060 gr/cc)3,4. 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.

Margen sobre la Pf  Viaje

Valores Valor Publicados recomendado [gr/cc] [gr/cc] 0.024-0.060 0.030  Total 0.030

 Tabla 2 Márgenes de Control para la Presión de Fractura

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 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.

Subgerencia de Perforación de Pozos

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: (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 ). Zonas de transición

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. 5

Guía de Diseño

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

GRADIENTE (g/cc) 1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 TA 384 m

500

 E b

=

1000



Para el asentamiento de la TR (1) (Figura 3), en la zona de presión anormalmente alta : ∆ p lim