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DISEÑO DE TUBERIAS DE PRODUCCION
1. FILOSOFIA DE DISEÑO.Básicamente, se diseña una tubería con la siguiente filosofía: Seguridad como primeras catastróficas, fallas dependientes del tiempo, fallas debido a manipuleo, etc.) Economicidad (costos de capital, costos de operación, costos de mantenimiento, etc.) Acciones futuras (exploraciones futuras, desarrollo del yacimiento, forma de producir el pozo, etc.) 2. OBJETIVO.El principal objetivo de las tuberías o (TUBING) de producción es de conducir los fluidos producidos por el pozo, desde el fondo del mismo hasta la superficie. Se instalan como un medio para permitir el flujo vertical hacia la superficie, son diseñados de acuerdo a los requerimientos de esfuerzos que establecen en el curso de producción de un pozo. De acuerdo a las condiciones de caudal y resistencia, también varían en diámetros y grados de acero. Estos tubing, y también llamados (EDUCTORES) o “sarta de producción”, constituyen arreglos de tubulares y equipos de fondo; pueden ir desde arreglos sencillos hasta arreglos muy complicados.
Su objetivo primordial es de conducir los fluidos desde la boca de las perforaciones hasta la superficie. La seguridad y el costo son factores muy importantes a tomar en cuenta en el diseño, ya que tomando en cuenta estos puntos minimizamos el riesgo con el mejor diseño técnico económico.
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3. CONCEPTOS.CASING DE PRODUCCION: El casing de producción es el que viene colgado desde los arreglo de superficie mediantes unos colgadores especiales o también puede ser de tipo “ LINER” o también es llamado casing de producción tipo “liner”, y puede tener un diámetro de 4,5 a 20 pulgadas de (O.D.),(diámetro externo).
TUBERÍAS DE PRODUCCIÓN (TUBING) :
El tubing de producción es una tubería conectada al árbol de producción y otros dispositivos que permiten el flujo de los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hasta la superficie. Es una tubería ligera, puede ser extraído y colocada con equipos mas ligeros que el de perforación, y su diámetro es de ¾ de pulgada a 4.5 de pulgada de (O.D.) (diámetro externo).
4. DISEÑO DEL (CASING – TUBING) DE PRODUCCIÓN.Al mencionar los diferentes tipos de determinación de pozo, aparece la utilización de una, dos hasta tres sartas de producción, según el número de estratos que independientemente amerita ser producción. Las reglas básicas para desarrollar un diseño de cañerías de producción en el pozo son: Determinar las dimensiones y longitudes de arreglo de cañería a ser corridos en el pozo. Calcular el tipo de magnitudes de los esfuerzos y cargas para las cañerías, que se estima encontrar en el pozo. Seleccionar el peso y grado de la cañería adecuados para soportar las condiciones extremas de esfuerzo y fatigas esperadas en el pozo.
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Las condiciones de esfuerzos y fatigas que deberán afrontar las cañerías al ser bajadas en el pozo se resumen en tres factores: La presión de reventamiento (estallido). La presión de colapso. Tensión.
Tension.- Una sarta de trabajo al estar suspendida verticalmente, sufrirá un esfuerzo axial llamado tensión, producto de su peso. El valor de este esfuerzo varia de cero en el punto neutro hasta un máximo en el punto de apoyo, es decir en la superficie.
Colapso.- este esfuerzo se debe principalmente al efecto de la presión exterior que ejerce la columna hidrostática de los fluidos de perforación. El valor de este esfuerzo aumenta con la profundidad y su valor máximo estará en el extremo interior de la tubería.
5. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE TUBERÍAS La lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseño mecánico de cualquier sistema de tuberías: Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de varias cargas. Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido. Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión, fragilisación y resistencia. Selección de las clases de válvulas.
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Cálculo del espesor mínimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido. Establecimiento de una configuración aceptable de soportes para el sistema de tuberías. Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear. 6. CARGAS DE DISEÑO PARA TUBERÍAS Un sistema de tuberías constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías. 6.1 CARGAS POR LA PRESIÓN DE DISEÑO Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal. CARGAS POR PESO Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc. Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso Efectos locales debido a las reacciones en los soportes CARGAS DINÁMICAS Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA
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en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos.
Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento. Este tipo de cargas no será considerado ya que forman parte de análisis este proyecto sólo se realizarán análisis estáticos.
6.2 PRESION DE DISEÑO La presión de diseño no será menor que la presión a las condiciones más severas de presión y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operación normal. La condición más severa de presión y temperatura coincidente, es aquella condición que resulte en el mayor espesor requerido y en la clasificación ("rating") más alta de los componentes del sistema de tuberías. Se debe excluir la pérdida involuntaria de presión, externa o interna, que cause máxima diferencia de presión.
6.3 TEMPERATURA DE DISEÑO La temperatura de diseño es la temperatura del metal que representa la condición más severa de presión y temperatura coincidentes. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseño para tuberías son como sigue: Para componentes de tubería con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido contenido. Para componentes de tubería sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperaturas de 32ºF (0ºC) y mayores, la temperatura del metal para UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA
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diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido reducida, según los porcentajes de la tabla 4.
6.4 ESPESOR DE PARED El mínimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presión interna o externa es una función de: El esfuerzo permisible para el material del tubo. Presión de diseño. Diámetro de diseño del tubo. Diámetro de la corrosión y/o erosión. Además, el espesor de pared de un tubo sometido a presión externa es una función de la longitud del tubo, pues ésta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mínimo espesor de pared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricación.
7. IDENTIFICACIONES DE LAS TUBERÍAS DE PRODUCCIÓN.Las tuberías de producción pueden identificarse según su: a) Grado b) Peso c) Diámetro d) Conexiones e) Longitud a) GRADOS DE LAS TUBERIAS DE PRODUCCION.Los grados de las tuberías son similares en su denominación a los de cañería, donde el grado de acero define el esfuerzo de cadencia (yield strength) de las tuberías. Usualmente consiste en una letra y de dos y tres letras. El código numérico indica el mínimo (yield strength). En la mayoría de los casos, la letra en el orden alfabético indica mayor(yield strength). El mínimo (yield strength) es usado para calcular la resistencia al reventamiento (estallido) y el colapso de las tuberías de producción UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA
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Orden
Grado
1
H – 40
Especificacion Marcado con 40
2
J – 55 (TUBING) Codigo color verde
3
J – 55 (CASING) Codigo color verde – blanco
4
K – 55 Codigo color verde
5
M – 65 Codigo color verde- azul
6
N – 80 Codigo color rojo
7
L – 80 Codigo color rojo- - verde
8
C – 90 Codigo color rosado
9
T – 95 Codigo color blanco
10
C – 95 Codigo color rojo
11
P – 110 Codigo color blanco
12
Q - 125 Codigo color naranja
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CLASIFICACIÓN DE LA TUBERÍA DE PRODUCCIÓN POR SU USUALIDAD
Blanca clase I
Dos blancas clase optima Amarilla clase II Azul Clase III Roja: desechar (agrietada)
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b) PESO DE LAS TUBERÍAS DE PRODUCCIÓN.El peso unitario de cada tubería es generalmente definido en (Lbs/ Pies). Y representa el peso nominal API de la tubería sin conexiones. El calculo del peso de la tubería esta definido por la siguiente ecuación.
Wc = Wuc * L + Wtj
Donde:
Wc: peso calculado de la tubería de longitud “ L” (lbs). Wuc: peso unitario de la tubería en (lbs/pies) L: longitud de la tubería incluyendo conexiones Wtj: ganancia o pérdida de peso debido alas conexiones
El área transversal de la tubería puede calcularse aproximadamente en base al peso de la tubería, utilizando la siguiente formula: Ac = 0.29 * Wc (peso de tuberia) = (pulg.2)
c) DIÁMETROS DE CASING – TUBING DE PRODUCCIÓN.El diámetro del tubing es reducido lo que permite una fácil operación de bajada al pozo dentro de las cañerías instaladas y asimismo una eficiente producción del petróleo o gas, siendo fácilmente removible al surgir algún problema de producción. Al incrementar el diámetro del tubing se reducirá la fricción y permitirá un mayor flujo o producción de petróleo o una mayor inyección (de fluido de fracturamiento, ácidos u otros fluidos de tratamiento). UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA
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Pero el incremento de diámetro conlleva un mayor costo y asimismo puede traer problemas con el diámetro interno del casing usado. La optima relación de diámetros tubería/cañería es en función del régimen de flujo deseado y del costo de los arreglo. La selección de la tubería para un arreglo de intervención de pozo se basa en las mismas consideraciones que la selección de cañería. Diámetros desde 1,05 pulgadas hasta 4 1/2 pulgadas son las mas usados. Las dimensiones mas usadas en las operaciones de BOLIVIA son de 23/8” y 27/8” de pulgadas, comúnmente conocidas como “TUBING” de 2 o 3 pulgadas: en grados J-55 API.
Las tuberías se caracterizan por tres tipos de diámetro: diámetro externo, diámetro interno, y diámetro drift. el diámetro externo e interno definen el espesor de la tubería. El diámetro drift es diámetro máximo de herramienta que puede pasar por esa tubería.
d) CONEXIONES.Las conexiones pueden ser de tres tipos: Conexiones NU (non upset) o conexiones API STANDARD con 10 hilos. Estas conexiones tienen menos resistencia (strength) que el cuerpo de la tubería. Conexiones EUE (external upset) o conexiones API STANDARD de 8 hilos (8RD) donde la junta tiene mas resistencia que el cuerpo de la tubería. Conexiones integrales, manufacturadas para brindar más espacio interior sin pérdida de la resistencia a esfuerzos ni fricción en las juntas.
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e) LONGITUDES DE LAS TUBERÍAS DE PRODUCCIÓN Los rangos de las tuberías es un valor aproximado de la longitud de una tubería, para facilitar el manejo de las mismas tuberías. El API especifica los siguientes rangos de longitudes: Rango
Longitud (pies)
Rango 1
De 20 a 24 (ft)
Rango 2
De 28 a 32 (ft)
8. CONSIDERACIONES SOBRE ARREGLOS DE TUBERÍAS Después de que el diámetro y el material de la tubería han sido seleccionados y de que el espesor requerido de pared de los tubos y la clase ("rating") de las bridas han sido establecidas, el diseñador de la tubería tendrá que elaborar una disposición económica de tuberías para el nuevo sistema. Además, el diseñador de tuberías debe familiarizarse con los problemas de soportaría, los tipos disponibles de soportes y su aplicación. Por ejemplo, las líneas de tubería deben ser proyectadas para usar las estructuras existentes en los alrededores para proveer puntos lógicos de soporte, si hay espacio disponible en tales estructuras y se puede usar el soporte apropiado.
9. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE LAS CAÑERÍAS DE PRODUCCIÓN.La sarta de producción son usualmente diseñadas para soportar las siguientes condiciones o factores de diseño: a) Presión de reventamiento (estallido) b) Presión de colapso c) Tensión
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a) DISEÑO AL REVENTAMIENTO.La cañería de producción estará sometida una presión interna igual ala presión del fondo (BHP), en caso de que exista una fisura en la tubería de producción. En el peor de los caso ocurre cuando existe una fisura en el fondo de la tubería, a la altura del packer, permitiendo que el gas ingrese al espacio anular que contienen fluidos de empaque (fluidos de terminación), y migre hacia la superficie. Por lo tanto la máxima presión al reventamiento ocurrirá con una (BHP) en superficie, actuando sobre la presión hidrostática del fluido de empaque. El fluido de contrapresión es ejercida por una presión equivalente ala densidad del fluido de formación (9 LPG). Generalmente se usan bajas densidades para fluidos de empaque, si consideramos que la densidad del fluido de empaque es igual a (9 LPG), la presión hidrostatica del mismo anulara la contrapresion. Por lo tanto la carga resultante al reventamiento, es una linea vertical igual ala presión de fondo del pozo (BHP). La linea de diseño, es iguala la resultante multiplicada por un factor de 1.0. En caso de que se estime hacer futuros trabajos de intervención en el pozo, es aconsejable utilizar un factor de diseño de (1.05) a (1.1.).
b) DISEÑO AL COLAPSO.La línea de carga al colapso, es calculada en base al lodo y lechada del cemento que queda en el espacio anular, después de bajar y cementar la cañería. El fluido de contra presiones considera nulo, cuando se produce el pozo mediante elevación artificial (gas lift). Si no se emplea este método de producción (gas lift), la contra presión será ejercida por la columna de fluidos de empaque
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La línea de diseño al colapso, es igual a la resultante, multiplicado por un factor de diseño de (1.0).
c) DISEÑO A LA TENSIÓN.El diseño a la tensión, es idéntico al procedimiento descrito en las anteriores cañerías, usando un factor de diseño de (1.6) y (100000 de sobretensión).
EJERCICIO DE DISEÑO DE CAÑERIA DE PRODUCCION.-
DATOS
CAÑERÍA
7”
hz
13500 ft
Densidad lodo
13.5 ppq
Tope cemento
10.500 ft
Cemento
16.4 ppg.
BHP
7600 psi (0.563 psi/ft)
Densidad empaque
9.0 LPG (fluido empaque)
GfN
0.468 psi/ft (D. Eq. F.=9.0 ppq)
DISEÑO AL REVENTAMIENTO Presión al Reventamiento PR = BHP + Ph EMP. PR = 7600 + (0.052*9*13.500)=13.918 psi
Contrapresión PF = 0.468 psi/ft * 13.500 ft = 6.318 psi
Resultante PRR = PR - PF = 13.918 – 6.318 = 7.600 psi
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Línea de diseño (FSR = 1.0 @ 1.15) PRR = 7.600 * 1 = 7.600 psi
DISEÑO AL COLAPSO
Presión al colapso PC (A) = 0 psi PC (B) = Phlodo = 7.371 psi PC (C) = Phlodo + Phcemento = 9.928 psi Contrapresión PC (A) = 0 psi PC (B) = 0 psi PC (C) = 0 psi Resultante PC (A) = 0 psi PC (B) = 7.371 psi PC (C) = 9.929 psi Línea de diseño (FSC =
[email protected]) PC (A) = 0 psi PC (B) = 5.371 * 1.1 = 8.108 psi PC (C) = 9.929 * 1.1 = 10.922 psi
Usando como Fs = 1.1, nos obliga a buscar otra cañería + resistencia. Cañería 7”, P-110, 35 lb/ft, LTC ID = 6.004 RR = 9.520 psi RC = 13.020 psi RTB = 1.119.00 lbs RTC = 996.000 lbs
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DISEÑO A LA TENSIÓN π .(6004)2 25.31pulg 2 4 π A 2 .(7)2 38.5 pulg 2 4 PH1 0.052 *13.5 *13.500 9.477 psi A1
PH2 0.05 * [(13.5*10.500) (16.4* 3000) 9.929.4 psi
F1 = 268.294 lbs. F2 = 382.282 lbs. W1 = 35 * 3700 = 129.500 W” = 35*9800 =
34300 472500 lbs
Fuerzas Axiales (+)
(-)
Faxial base cañería FaxB = F1 – F2 = 268294-382282 = -113988 lbs Faxial tope cañería Fax A = F1 – F2 + W1 = -113988+472500 = 358512 lbs Punto Neutro LPN
268294 382282 3257 ft 35
PN = 13500-3256.8 = 10243 ft Línea de diseño (FST = 1.6 o + MOP = 100000 lbst) FX A = 358512*16 = 573620 lbs FAX B = --13988 lbs.
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Las cañerías de producción son utilizadas generalmente para facilitar el trabajo y la extracción de la producción de petróleo y gas de cada pozo en cada campo petrolífero, también son usadas para el aislamiento de zonas de producción ya que posteriormente van a ser producidas mediante sistemas de inyección (gas lift), u otro sistema que sea necesario para la producción de petróleo y gas.
CONCLUSIÓN.El diseño de cañería de producción es de mucha importancia ya que al diseñar dichas cañerías se deben tomar en cuentas los factores de diseño para que posteriormente no se produzcan fallos en el interior del pozo y así tenga una producción útil de petróleo y gas.
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