Tuberias de Revestimiento PDF

Diseño de tuberías de revestimiento

David Hernández Morales Servicios Técnicos Petroleros 12.02.09

Contenido ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü

Asentamiento de las tuberías Carta de selección de las tuberías Arreglos de tuberías Eficiencia en la cementación Funciones de una tubería conductora Funciones de una tubería superficial Funciones de una tubería intermedia Funciones de una tubería explotación Fuerzas principales Factores de seguridad

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

2

Contenido ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü

Diseño para una tubería de revestimiento superficial Diseño para una tubería de revestimiento intermedia Diseño para una tubería de revestimiento de explotación Condiciones de servicio Desgaste de tubería Colapso Efecto temperatura Tectónica de la sal Disparos en tuberías Esfuerzos biaxiales Esfuerzos triaxiales

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3

Asentamiento de las tuberías Gradientes de poro, fractura y densidades Gradiente de Poro

Perfil de Conductividades.

2.000

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3.000

4.000

Zona de pérdidas

20 30

50

100

200 300

Conductividad (mmohs/m)

Diseño de tuberías de revestimiento

densidad Gradiente de Fractura

1.000

Profundidad (m)

Profundidad de asentamiento Con la información de los gradientes de poro, gradientes de fractura y de la experiencia del campo petrolero, aunado al objetivo del pozo y de los requerimientos de explotación, entonces se definirá el arreglo de las tuberías de revestimiento (selección de diámetros y profundidades de asentamiento).

5.000

1

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Densidad (gr/cc)

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4

Carta de selección del API 4”

TR y linear Diámetro barrena

4 ¾”

TR y linear Diámetro barrena TR

5 7/8”

6 5/8”

7 7/8”

4 ½”

5”

5 ½”

6 1/8”

6 ½”

7 7/8”

7 5/8” 7 ¾”

7”

8 ½”

8 ¾”

9 5/8” 9 7/8”

8 5/8”

8 5/8”

9 5/8”

9 ½”

10 5/8”

12 ¼”

10 3/4”

11 ¾” 11 7/8”

13 3/8” 14”

Diámetro barrena

10 5/8”

12 ¼”

14 ¾”

17 ½”

TR

11 ¾” 11 7/8”

13 3/8” 14”

16”

20”

Diámetro barrena

14 ¾”

17 ½”

20”

26”

16”

20”

24”

30”

TR

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5

Arreglos de tuberías 30”

30”

30”

20”

20”

20”

13 3/8”

13 3/8”

11 ¾”

16”

13 3/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

7” ó 7 5/8”

7” ó 7 5/8”

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½”

5” ó 5 ½”

5” ó 5 ½”

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6

Arreglos de tuberías 13 3/8”

13 3/8”

9 5/8”

30”

9 5/8”

7”

7”

5”

16”

10 ¾”

3 ½”

Arreglos esbeltos y tecnología tubing less 7 5/8” 5” Arreglo que fue muy utilizado para pozos de desarrollo Diseño de tuberías de revestimiento

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Arreglos de tubería 30” Colgador de 16” 20” BCN 16” lisa

12 ¾” lisa

9 5/8” lisa

7 5/8” ó 7” lisa 5 ½” ó 5” lisa

Barrena 26” – claro radial = 3”

Barrena 17 ½” – claro radial = ¾”

Barrena 14 ¾” – claro radial = 1”

Barrena 11 ¼” – claro radial = 0.8125”

Barrena 8 ½” ó 8 3/8” Barrena 6” ó 5 7/8”

De nueva generación con 6 tuberías y no se requiere de barrena biscéntrricas ó ampliadoras Diseño de tuberías de revestimiento

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Eficiencia en la cementación Estudio realizado por la Compañía Halliburton (cortesía) 100

Porcentaje de

75 50

éxito 25 0

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Claro radial anular (pg)

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Tubería Conductora 165 m

30”

Funciones ü Es un tubería que va desde 50 a 150 m en

20”

1089 m

tierra y de 150 a 500 m en el mar.

ü

Es común su uso en terrenos suaves pantanos ó lechos marinos. Se pilotea.

13 3/8”

1840 m

ü

Evitar los derrumbes alrededor del equipo de perforación.

11 3/4”

2754 m

ü ü

Permitir el retorno del fluido.

ü

Soportar el cabezal del pozo ó en el se instala el sistema de desviador de flujo. Las tuberías se utilizan con extremos lisos para soldarse ó con conexiones rápidas.

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4558 m 9 5/8” 5462 m 7”

4758 m

5”

6106 m

5667 m

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Tubería Conductora Fotografías

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Tubería Superficial 165 m

30”

Funciones ü Esta en la primera tubería de revestimiento, y va

20”

1089 m

desde profundidades de 50 a 1200 m.

ü

Proteger los contaminación.

de

13 3/8”

1840 m

ü

Prevenir los derrumbes y pérdidas de circulación en formaciones porosos de baja profundidad.

11 3/4”

2754 m

ü ü

Soportar las conexiones superficiales de control.

ü

acuíferos

superficiales

Soportar el árbol de válvulas y el aparejo de producción. Se requiere que se cemente totalmente, hasta la superficie.

Diseño de tuberías de revestimiento

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4558 m 9 5/8” 5462 m 7”

4758 m

5”

6106 m

5667 m

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Tubería Superficial Levantamiento de cabezales. Caso terrestre.

Casing 24”

Casing 16”

(conductor)

(superficial)

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Casing 11 ¾”

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Tubería Superficial Levantamiento de cabezales. Caso Marino.

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Tubería Superficial Descontrol subterráneo de un pozo (blowout).

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Tubería Intermedia 165 m

30”

Funciones ü Continuar la perforación, incrementando o

20”

reduciendo la densidad del lodo para alcanzar la 13 3/8” siguiente etapa.

ü ü

Proteger al agujero de derrumbes.

ü

Cubrir zonas de presiones anormales de lutitas, cubrir formaciones carbonatadas y en ocasiones se utilizan como tuberías de contingencia.

ü

Sellar zonas que causen pérdidas de circulación, aislar domos salinos, anhidrita ó problemas relacionados con la tectónica de placas.

Se requiere que se cemente totalmente. Sin embargo, solo se cementa con un traslape.

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11 3/4”

1840 m

2754 m

4558 m 9 5/8” 5462 m 7”

4758 m

5”

6106 m

5667 m

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Tubería Explotación 165 m

30”

Funciones ü Proteger al agujero totalmente de zonas de posibles derrumbes, de baja permeabilidad que puedan ocasionar pérdidas de circulación y de sellar zonas contaminadas.

ü

Aislar el yacimiento indeseables.

ü

Instalar empacadores y accesorios para la terminación del pozo.

ü

de

los

fluidos

Se requiere que se cemente totalmente cuando es un liner, y normalmente no se cementa hasta la superficie cuando es corrida.

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20”

1089 m

13 3/8”

1840 m

11 3/4”

2754 m

4558 m 9 5/8” 5462 m 7”

4758 m

5”

6106 m

5667 m

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Fuerzas Principales Fuerzas principales que actual sobre la TR 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, etc.

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

Fuerza de compresión Fuerza generada por el fluido de perforación durante la introducción o por el cemento durante la cementación. Diseño de tuberías de revestimiento

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Factores de seguridad Factores de seguridad comúnmente utilizados en la industria Petrolera. Diseño

F. Seguridad

F. S. 38 Operadoras

Presión interna

1.00 – 1.10

1.125

Colapso

1.0 – 1.125

1.125

Tensión

1.60 – 1.80

1.60

Compresión

1.20 - 1.25

1.20

1.25

1.25

Elipse Von Misses

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Fuerzas Principales Tensión La tensión de la tubería es la capacidad que tiene la tubería para resistir su propio peso cuando es introducida. Durante el diseño de las tubería deberá considerarse un valor adicional de tensión, debido a que durante la introducción pueden presentarse eventos operativos tales como pegaduras, derrumbes, fricciones, etc. El factor se seguridad comúnmente utilizado en la Industria Petrolera y Geotérmica a la tensión es de 1.8 para conexión API y de 1.6 para conexión Premium. Diseño de tuberías de revestimiento

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Fuerzas Principales Tensión Existen dos métodos para calcular la tensión de la tubería de revestimiento:

üMétodo del factor de flotación. üMétodo de presión-área.

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Fuerzas Principales Compresión La fuerza de compresión es generada por el empuje del fluido (lodo, cemento, etc.) sobre el área de la sección transversal de la tubería, cuando esta es introducida. La fuerza de compresión desaparece después de que el cemento haya fraguado. Sin embargo, se han observado casos en que la tubería queda sometida a esfuerzos de compresión cuando las cementaciones son defectuosas. Altos valores de compresión se presentan cuando la tubería de revestimiento es introducida en altas densidades del fluido de perforación. Diseño de tuberías de revestimiento

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Fuerzas Principales Compresión Los diseñadores deben tener presente este fenómeno, principalmente en la selección de la conexión; puesto que la resistencia de la conexión a la compresión se ven reducida por sus características y diseño, principalmente en las conexiones integrales lisas ó suajeadas. Es importante revisar y comparar el valor de compresión a la que será sometida la sarta de tubería de revestimiento contra la resistencia de la conexión a la compresión. Diseño de tuberías de revestimiento

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Fuerzas de tensión y compresión Compresión (1,000 lb)

Tensión (1,000 lb)

e

la

in

tro du

cc ió

n

W TR = W unitario* D W TR = (4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR = 988,723 lb

er

za

s

du ra

nt

d = 8.625”

747 lb-f

Fu

D = 9.875” de 62.8 lb/pie

Tensión

P.N. = (747,328)/(3.28)(62.8) = 3628 m

Compresión δ = 1.95 gr/cm3 -241 lb-f 4800 m A = π(D2-d2)/4 = π(9.8752-8.6252)/4 = 18.162 pg2 PH = δ (D) /10 = 1.95(4800)/10 = 936 kg/cm2 = 13, 291 psi F = PH * A = (13, 291 lb/pg2)(18.162 pg2 ) = - 241,391 lb-f Diseño de tuberías de revestimiento

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Criterios de Diseño para Revestidores Presión Interna

aire

Colapso

Respaldo agua de formación congénita

Carga: Brote de gas

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Carga: densidad del fluido cuando se perforó

Pérdida de circulación

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Diseño para TR superficial Presión Interna üSe considera un brote de gas metano y toda la tubería llena de gas.

üTener

cuidado de no sobrepasar la presión de fractura por debajo de la zapata.

Carga: Gas metano

Respaldo: Presión de formación normal

presión de fractura

üEl

respaldo se considera la presión de formación del área.

üEl efecto de cemento

despreciable. Brote de gas

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Diseño para TR superficial

üSe

considera una pérdida de circulación cuando se esta perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura equivalente a la presión de formación normal de la zona; ó un tercio de la evacuación.

üEl efecto de cemento despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

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aire

Colapso üLa carga es el fluido de perforación cuando se perforó esa etapa. Respaldo: Donde haya quedo el nivel del fluido

Carga: Fluido de perforación con la que se perforó

Pérdida de circulación

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Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos: 1) Presión de inyección debajo de la zapata P. inyección = (δfractura + 0.12) D/10 = (1.60 + 0.12) (1,000)/10 P. inyección = 172

Kg/cm2

Prespaldo

= 2,445 psi

δmetano=0.27gr/cm3

2) Presión superficial esperada en la cabeza del pozo P bop’s = P inyección – PH gas = 172 – (0.27)(1,000)/10

20” a 1000 m

δ fractura=1.60gr/cm3

P bop’s = 172 – 27 = 145 kg/cm2 = 2,060 psi 3) Presión de respaldo P respaldo = 1.07(1,000)/10 = 107 kg/cm2 = 1,520 psi

δ lodo =1.54 gr/cm3 3500 m brote gas metano

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Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Presión Interna

δmetano=0.27gr/cm3

δ = 1.07 gr/cc

2,060 psi 2,270 psi

1.1 P r o f u n d i d a d

Respaldo

Resultante Diseño

Carga

925 psi

1,020 psi

20” a 1,000 m

1,000

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1,520 psi

Presión (psi)

2,445 psi

2,000

3,000 David Hernández M Enero, 2009.

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Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso 1) Presión de colapso. P colapso = δ (D)/10 =1.20(1,000)/10 =120 Kg/cm2 =1,704 psi Respaldo 2) Presión hidrostática ejercida por el fluido de la siguiente etapa (hasta la profundidad del siguiente asentamiento) PH lodo - próxima etapa = δD/10 = 1.54 (3,500)/10 = 539 kg/cm2

δ lodo =1.20 gr/cm3

Cálculos:

δ fract.=1.60 gr/cm3

20” – 1000 m

3) Presión Hidrostática simulando una columna de agua congénita. PH agua congétita = 1.07 (3,500) /10 = 375 Kg/cm2 = 5,325 psi 4) Diferencial de presión

Nivel = 1065 m

δ lodo =1.54 gr/cm3

∆P = 539 – 375 = 164 Kg/cm2 Prof. próxima 3500 m

5) Nivel del fluido

Pérdida de circulación

N fluido = ((∆P) 10/δ lodo) = 164 (10) / 1.54 = 1,065 m Diseño de tuberías de revestimiento

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Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso

δ = 1.20 gr/cm3

Nota: En este caso el nivel del fluido por el interior se localiza a 1,065 m, por lo que la TR esta vacía . P r o f u n d i d a d

Carga y resultante Diseño 1.125 1,704 psi

20” a 1,000 m

1,000

Diseño de tuberías de revestimiento

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Presión (psi)

1,920 psi

2,000

3,000 David Hernández M Enero, 2009.

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Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso (con experiencia, nivel a 500 m) 1) Presión de colapso. P colapso = δ (D)/10 =1.20(1,000)/10 =120 Kg/cm2 =1,704 psi Respaldo 2) Presión de respaldo Prespaldo = δD/10 = 1.54 (500)/10 = 77 kg/cm2 =1,095 psi

δ lodo =1.20 gr/cm3

Cálculos:

20” – 1000 m

Nivel = 500 m

δ fract.=1.60 gr/cm3

δ lodo =1.54 gr/cm3

3500 m

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Pérdida de circulación equivalente a 1.32 gr/cm3

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Diseño para TR superficial

δ lodo= 1.54 gr/cm3

δ = 1.20 gr/cm3

Ejemplo. Caso: Colapso (con experiencia de campo)

P r o f u n d i d a d

958 psi

852 psi

Respaldo

Nivel del fluido por el interior a 500 m

1.125 Diseño Carga

Resultante 609 psi

685 psi

1,095 psi

20” a 1,000 m

1,000

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

1,704 psi

Presión (psi)

2,000

3,000 David Hernández M Enero, 2009.

33

Diseño para TR superficial Ejemplo. Diseño a Presión Interna y Colapso

1,020 psi

Diseño

K – 55, 133 lb/pie – 1,500 psi

P r o f u n d i d a d

K – 55, 106.5 lb/pie – 770 psi

Diseño

K – 55, 106.5 lb/pie – 2,410 psi

K – 55, 94 lb/pie – 2,110 psi

P r o f u n d i d a d

Colapso

2,270 psi

K – 55, 94 lb/pie – 520 psi

Presión interna

Nivel del fluido

685 psi

1,000

2,000

3,000

Presión (psi)

1,000 Presión (psi)

2,000

Conclusión: 20” K-55, 106.5 lb/pie de 0 a 550 m. Drift = 18.813 pg 20” K-55, 133 lb/pie de 550 a 1000 m. Drift = 18.543 pg Diseño de tuberías de revestimiento

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Diseño para TR intermedia Presión Interna üSe considera un brote de gas metano; por lo que la tubería contendrá en su interior fluido de perforación y gas.

Carga: Gas metano

Respaldo: Presión de formación normal

üTener

cuidado de no sobrepasar la presión de fractura en la zapata (durante la circulación del brote).

presión de fractura

üEl

respaldo se considera la presión de formación del área.

üEl efecto de cemento

despreciable.

Diseño de tuberías de revestimiento

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Brote de gas

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Diseño para TR intermedia

üSe

considera una pérdida de circulación cuando se esta perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura equivalente a la presión de formación normal de la zona.

üEl efecto de cemento

despreciable.

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

aire

Colapso üLa carga es el fluido de perforación cuando se perforó esa etapa. Respaldo: Donde haya quedo el nivel del fluido

Carga: Fluido de perforación con la que se perforó

Pérdida de circulación

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Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos: BOP’S – 5M

1) Presión de inyección en la zapata Pinyección = (δfractura + 0.12) D/10 = (2.00 + 0.12) (3,500)/10

Pformación normal

δ lodo =1.90 gr/cm3

Pinyección = 742 Kg/cm2 = 10,540 psi Interfase gaslodo = 1810 m

2) Ecuaciones para determinar interfase gas-lodo P inyección = Pbop’s + (Xlodo) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 ---(1)

13 3/8”–3500m

δ fract.=2.00 gr/cm3

Xlodo + Ygas = D ---(2) Despejando de la ecuación (2) Xlodo y sustituyéndola en (1), tenemos: Xlodo = 3,500 – Ygas Sustituyendo en la ecuación (1), tenemos:

5000 m

brote gas metano de 0.27 gr/cm3

P inyección = 352 + (3,500 – Ygas) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 Diseño de tuberías de revestimiento

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Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos: BOP’S – 5M

742 = 352 + (3,500 – Ygas) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 742 = 352 + (3,500 - Ygas) (1.90)/10 + (Ygas) (0.27) /10

Pformación normal

δ lodo =1.90 gr/cm3

742 = 352 + 665 – 0.190 Ygas + 0.027 Ygas Interfase gaslodo = 1810 m

742 – 352 -665 = – 0.163 Ygas - 275 = – 0.163 Ygas Ygas = 275 / 0.163 = 1,690 m

13 3/8”–3500m

δ fract.=2.00 gr/cm3

Despejando de la ecuación (2), tenemos: Xlodo = 3,500 – 1,690 = 1,810 m 3) Cálculo de la presión en la interfase gas-lodo Pgas= (Ygas) (δgas)/10 = (1,690)(0.27)/10=46 Kg/cm2=650psi

5,000 m

brote gas metano de 0.27 gr/cm3

P interfase = P inyección – Pgas = 10,540 – 650 = 9,890 psi Diseño de tuberías de revestimiento

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Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos: BOP’S – 5M

4) Cálculo de la presión de respaldo P respaldo = (δformación normal) D/10 =

Pformación normal

δ lodo =1.90 gr/cm3

P respaldo = (1.07)(3,500)/10 = 375 Kg/cm2 = 5,320 psi Interfase gaslodo = 1810 m

13 3/8”–3500m

5,000 m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

δ fract.=2.00 gr/cm3

brote gas metano de 0.27 gr/cm3

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39

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna δ = 1.90

δ = 1.07 gr/cc

5,000 psi

P r o f u n d i d a d

5,500 psi

Respaldo 1,810 m

2,750 psi

7,140 psi

Resultante

7,854 psi

9,890 psi

Diseño Carga

5,742

13 3/8” a 3,500 m

5,220 psi

10,540 psi

5,320 psi

5,000

10,000

15,000

Presión (psi)

Diseño de tuberías de revestimiento

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40

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Colapso 1) Presión hidrostática del fluido de perforación de la siguiente etapa hasta la profundidad próxima PH lodo - próxima etapa = δD/10 = 1.90 (5,000)/10 = 950 kg/cm2 2) Presión hidrostática del fluido de formación normal PH form. normal = 1.07 (5,000) /10 = 535 Kg/cm2 3) Diferencial de presión

δ lodo =1.54 gr/cm3

Cálculos:

13 3/8”–3,500m

∆P = 950 – 535 = 415 Kg/cm2

Nivel=2185m

δ fract.=2.00 gr/cm3

4) Nivel del fluido N fluido = ((∆P) 10/δ lodo) = 415 (10) / 1.90 = 2,185 m

δ lodo =1.90 gr/cm3

5) Presión de colapso en el fondo Pcolapso = δ (D)/10 = 1.54(3,500)/10 =539 Kg/cm2 =7,650 psi

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

5,000 m

Pérdida de circulación

David Hernández M Enero, 2009.

41

Diseño para TR intermedia

δ = 1.90

δ = 1.54 gr/cc

Ejemplo. Caso: Colapso P r o f u n d i d a d

2,135 m

5,253 psi

4,670 psi

Resultante Respaldo

Diseño

3,680 psi

13 3/8” a 3,500 m

Diseño de tuberías de revestimiento

3,970 psi

4,470 psi

5,000 Presión (psi)

TenarisTamsa

Carga 7,650 psi

10,000

David Hernández M Enero, 2009.

42

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Diseño a presión Interna y Colapso Colapso

Presión Interna 5,500 psi P r o f u n d i d a d

13 3/8” P-110 77lb/pie – 7,920 psi

Lodo gas

7,854 psi

Diseño

5,000 Presión (psi)

13 3/8” TAC-140 77lb/pie – 10,070 psi

10,000

P r o f u n d i d a d

13 3/8” P-110 77lb/pie – 3,490 psi Diseño

5,253 psi Nivel del fluido 2,135 m 13 3/8” TAC-140 77lb/pie – 5,320 psi 4,470 psi 5,000 Presión (psi)

10,000

Conclusión: 13 3/8” P-110 de 77 lb/pie de 0 a 1,200 m. Drift = 12.119 pg 13 3/8” TAC-140 de 77 lb/pie 1,200 a 3,500 m. Drift = 12.119 pg Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

43

Tubería Explotación 165 m

30”

Observaciones a considerar ü La tubería de explotación deberá ser 20” diseñada a su máximo colapso, debido a que en operaciones de terminación 13 3/8” del pozo, porque pueden presentarse eventos que causan una evacuación 11 3/4” total dentro del pozo.

1089 m

1840 m

2754 m

ü La

tubería de explotación debe de ser diseñada a su máxima presión interna debido a que se considera un manejo de altas presiones por la inyección durante las estimulaciones ó fracturamientos.

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

4558 m 9 5/8” 5462 m 7”

4758 m

5”

6106 m

5667 m

David Hernández M Enero, 2009.

44

Diseño para TR explotación Presión Interna üSe considera que se presenta una fuga de presión de la tubería de producción a la tubería de revestimiento cerca de la superficie. La presión será igual a la presión de formación.

Carga: Comunicación de la presión del yacimiento

Respaldo: Fluido empacante

üSe

considera gas por la tubería de producción.

üSe considera el fluido por el exterior,

presión de fondo

que sufre una degradación. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

45

Diseño para TR explotación Colapso üLa tubería de explotación considera completamente vacía.

se

Carga: Fluido de perforación cuando fue introducido.

üSe

considera una fuga del fluido empacante.

Tubería vacía

üSe

considera por el exterior de la tubería la densidad del fluido de perforación. presión de fondo

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

46

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos: BOP’S – 10M

1) Presión interna en la zona de los disparos.

Comunicación de la presión del yacimiento hacía la TR

Si se conoce el valor de la presión de fondo fluyendo, este será el valor a ser considerado. P interna en el fondo = (D disparos) (δ lodo)/10 = (5,300) (1.35) / 10= 715 Kg/cm2 = 10,160 psi Nota: Obsérvese que las conexiones superficiales de control son para 10,000 psi de presión, por lo que en términos generales la resistencia que deberá de tener la tubería de revestimiento a la presión interna es de 10,000 psi.

9 5/8”– 5,000m

Disparos 7” –5,500m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

δ lodo=1.35 gr/cc 5,300 m Presión de fondo fluyendo

David Hernández M Enero, 2009.

47

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Presión Interna Pff

BOP = 10,000 psi

P r o f u n d i d a d

Carga, Diseño

Resultante

y

10,150 psi

Intervalo de los disparos Presión fondo fluyendo

7”a 5,500 m Diseño de tuberías de revestimiento

5,000 TenarisTamsa

Presión (psi)

10,000

15,000 David Hernández M Enero, 2009.

48

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Colapso Cálculos: BOP’S – 10M

1) Presión para el colapso en el fondo del pozo.

Vació

P colapso = (D total) (δ lodo)/10 = (5,500) (1.35) / 10 = 742 Kg/cm2 = 10,540 psi

9 5/8”– 5,000m

Densidad del fluido cuando se perforó Disparos 7” – 5,500m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

δ lodo=1.35 gr/cc 5,300 m Presión de fondo fluyendo

David Hernández M Enero, 2009.

49

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Colapso vació

BOP = 10,000 psi

δ = 1.35 gr/cc

P r o f u n d i d a d

Diseño

10,535 psi

7”a 5,500 m Diseño de tuberías de revestimiento

5,000

Presión TenarisTamsa (psi)

10,000

15,000 David Hernández M Enero, 2009.

50

Diseño para TR explotación Ejemplo. Diseño a Presión Interna y Colapso Presión Interna P r o f u n d i d a d

Colapso

BOP = 10,000 psi

7” TRC-95 32 lb/pie – 9,740 psi

7” TRC-95 32 lb/pie – 10,760 psi

Carga, Resultante y Diseño 7” P-110 32 lb/pie – 12,460 psi

Intervalo de los disparos 5,000

BOP = 10,000 psi

P r o f u n d i d a d

Diseño 7” P-110 32 lb/pie – 10,780 psi

10,150 psi Presión (psi)

10,000

10,535 psi 15,000

5,000

Presión (psi)

10,000

15,000

Conclusión: 7” TRC-95 32 lb/pie de 0 a 3,000 m (por H2S). Drift = 6.000 pg 7” P-110 32 lb/pie de 3,000 a 5,500 m. Drift = 6.000 pg Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

51

Desgaste en tuberías Problemática El desgaste en la tubería se debe principalmente al paso de las herramientas, altas horas de rotación y operaciones de pesca. Cuando se tenga la evidencia de desgaste, es recomendable que durante el diseño se incremente el espesor del cuerpo del tubo, siempre y cuando el diámetro de las herramientas (drift) lo permita. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

52

Desgaste en tuberías Comportamiento de las propiedades con desgaste Tubería de revestimiento de 13 3/8” N-80 72 lb/pie. La diferencia de un 5% con respecto a una tubería de revestimiento de 68 lb/pie)

Espesor Tensión Colapso Presión interna

Sin desgaste 0.514 pg 1,661,000 lb-f 2,670 psi 5,380 psi

Diseño de tuberías de revestimiento

Desgaste 10% 0.463 pg 1,501,000 lb-f 2,060 psi 4,840 psi

TenarisTamsa

Desgaste 15% 0.437 pg 1,420,000 lb-f 1,750 psi 4,570 psi

Desgaste 20% 0.411 pg 1,339,000 lb-f 1,450 psi 4,300 psi

David Hernández M Enero, 2009.

53

Desgaste en tuberías Presión Interna

Problemas de desgaste Colapso

Corrosión Diámetro exterior

Pérdida de espesor de 0.2646”, equivalente al 42% del espesor total

Diámetro interior

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

54

Desgaste en tuberías Fuerza de Tensión

Fuerza lateral

20” 1000 m

Fuerza de Tensión

Fuerzas sobre la TR

Fuerza Lateral

Desgaste sobre la TR

Alta severidad en el intervalo

Fuerza torsional 16” 2481 m

Fuerza de compresión

Pegadura 2625 m 2871 m Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Colapso

David Hernández M Enero, 2009.

55

Desgaste en tuberías

Lodo 1.25 gr/cc

Evaluación del desgaste del orden del 4%, lo que generó una reducción en su resistencia al colapso de 1,480 psi a 1,300 psi

(m)

1991 m Bache 1.00 gr/cc 2144 m

Anomalía 2065 y 2144 m

Sep.145 gr/cc

2207 m

máximo colapso 1,300 psi

resistencia nominal del tubo 1,480 psi

p r o f u n d i d a d

2384 m 2481 m - PD 2429 m - PV

TR - 16”

Resultante de la presión ejercida sobre la TR de 16” (psi)

cemento agujero 14 3/4” Diseño de tuberías de revestimiento

2868 m - PD 2758 m - PV TenarisTamsa

Desgaste de la TR

David Hernández M Enero, 2009.

56

Problema de colapso Análisis del casing de 9 5/8” a explotación Profundidad

Resistencia de la tubería 9 5/8” TRC-95 - 7,340 psi 20”

1,005 m 1,800 m

La intercepción de la carga con la capacidad mecánica de la tubería se ubicó a los 2,800 m.

Anomalía 9 5/8”a 2957 m

2,987 m

d = 2.02 gr/cc

13 3/8”

Resistencia de la tubería 9 5/8” P-110 - 7,950 psi

Carga y resultante

13,770 psi

4,801 m

9 5/8” B.L.5046 m

Resistencia del la tubería 7” TAC-140 de 35 lb/pie - 17,380 psi 7”

5”

5,295 m 5,874 m 5,000

Diseño de tuberías de revestimiento

10,000

TenarisTamsa

Presión (psi)

15,000

David Hernández M Enero, 2009.

57

16”

δ = 1.42 gr/cc

Problema de colapso Carga y Resultante

530 m

13 3/8”

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” TRC-95 60 lb/pie = 3,440 psi

916 m

TXC 1800 m

La intercepción de la carga con la capacidad mecánica de la tubería se ubicó a los 1,800 m.

Al colapsarse la TR, la formación (arena) se introdujo dentro del pozo arenándolo. B.L. 9 5/8”

3070 m

11 ¾”

3275 m

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” P-110 60 lb/pie = 3,610 psi B.L. de 9 5/8” 6,600 psi 2,000

4,000

6,000

Presión (psi) 9 5/8”

3920 m El problema se presentó al estar perforando con barrena de 8 3/8” a la profundidad de 4337 m, con bajo balance

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Presión (psi)

David Hernández M Enero, 2009.

58

Tectónica de sal 30”

30 m Intervalo: 5301 - 5419 m

20”

892 m

Exterior del tubo

Lodo 2.03 gr/cc

Temperatura 123 °C a 5259 m Interior del tubo

Lodo 1.72 - 1.80 gr/cc

B.L. 9 5/8” 2832 m 15,250 psi 13 3/8”

12,950 psi

2996 m Resultante 2,300 psi

Empacador 5078 m 9 5/8”

7” TAC-140 35 lb/pie con una resistencia al colapso de 17,380 psi

B.L. 5” 5081 m 5248 m

7”

5548 m 5” 5694 m 4 1/8” a 5762 m

Diseño de tuberías de revestimiento

La deformación por empuje real fue de 17,380 psi (capacidad del tubo) + 2,300 psi (resultante) = 19,680 psi

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

59

Tectónica de sal 30”

147.50 m

20”

551 m

13 3/8”

1788 m

Se aisló el intervalo activo de sal con una TR de 7” TAC-140 de 35 lb/pie.

B.L. 7 - 2845 m

2960 m SAL

B.L. 5” - 3492 m 7” a 3936 m

3655 m 9 5/8”-9 7/8”

3956 m 5”

4260 m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

60

Tectónica de sal Otro caso de actividad tectónica 30”

50 m Metió TR a 662 m donde se pegó. Fondo 1000 m (1-7/Marzo). Densidad = 12.7 gr/cc

20”

Metió TR a 715 m, donde se pegó, bajó densidad de 1.27 a 1.21 gr/cc, despegando y metió a 1000 m, fondo (8-12Abril)

16” Barrena biscentrica 14 ½” X 17 1/2”

KOP = 1610 m Densidad = 1.61 gr/cc

BL 11 ¾” – 2604 m 13 3/8”

2994 m (31/Mayo-5/Junio) Pilotea área y compacta área de bombas. Reinicia operación el 17/Julio

Agujero de 12 ¼” a 4079 m (fondo)

Severidad máx = 3.32 a 2751 m Ángulo máximo = 41° a 2835 m y lo mantuvo hasta 3850 m

Densidad = 2.17 gr/cc

SAL 3575 – 3950 m 11 ¾” BL 7” – 4326 m 9 7/8” -Conforma con water melon, cople de cementación VAMSLIJII 9

KOP = 1653 m

3756 m (10-/Sep). Para cubrir la sal. Fondo 4079 m Densidad = 2.14 gr/cc

Ángulo de 46° a 4500 m y empezó a reducirlo.

4487 m (7-14/Oct.)

7/8”

Densidad = 1.80 gr/cc

7”

5105 m (19-/Nov)

Fondo desarrollado 5700 m con un ángulo de 4°. Vertical = 4993 m

Densidad = 1.20 gr/cc

Fondo 5310 m Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

61

Esfuerzos biaxiales Concepto Los esfuerzos biaxiales se define como el cambio en el comportamiento de sus propiedades mecánicas que sufren los tubulares cuando son sometidos a la combinaciones de esfuerzos. Durante las operaciones que se realizan con los tubulares durante la introducción, cementación de la tubería y durante la vida productiva del pozo, las tuberías se encuentran sujetas a diferentes cargas combinadas. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

62

Esfuerzos biaxiales Tensión Esfuerzo de tensión

Cuando la tubería se encuentra a tensión la capacidad mecánica de la tubería de revestimiento a la presión interna se incrementa, mientras que al colapso disminuye. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Decremento en el diámetro, por lo tanto decremento en la resistencia al colapso

David Hernández M Enero, 2009.

63

Esfuerzos biaxiales Compresión Esfuerzo de compresión

Cuando la tubería se encuentra a compresión la capacidad mecánica de la tubería de revestimiento al colapso se incrementa, mientras que la presión interna disminuye. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Incremento del diámetro, por lo tanto incremento en la resistencia al colapso

David Hernández M Enero, 2009.

64

Esfuerzo biaxilaes Ecuación para la determinación del esfuerzo biaxial   2        σ  + σ     0.5  P Pc =  1 − 0.75  σy   −   σy   n           

Donde: Pc = Presión calculada con esfuerzo biaxial (psi). Pn = Presión nominal de la tubería (psi). σ = Esfuerzo a lo que esta sujeta la tubería de cálculo (psi). σy = Esfuerzo de cedencia del material (psi). Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

65

Fuerzas de tensión y compresión Compresión (1,000 lb)

Tensión (1,000 lb) 747 lb-f

tro du

cc ió

n

m)(62.8

e

la

in

W TR = W unitario* D W = (4800 TR lb/pie)(3.28) W TR = 988,723 lb

er

za

s

du ra

nt

d = 8.625”

Esfuerzo = 747,332 / 18.162 = 41,148 psi

Fu

D = 9.875” de 62.8 lb/pie

Tensión

P.N. = (747,328)/(3.28)(62.8) = 3628 m

Compresión δ = 1.95 gr/cc -241 lb-f 4800 m A = π(D2-d2)/4 = π(9.8752-8.6252)/4 = 18.162 pg2 PH = δ (D) /10 = 1.95(4800)/10 = 936 kg/cm2 = 13, 291 psi F = PH * A = (13, 291 lb/pg2)(18.162 pg2 ) = - 241,391 lb-f Diseño de tuberías de revestimiento

Esfuerzo = 241,391 / 18.162 = 13,290 psi

TenarisTamsa

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66

Esfuerzos biaxiales Cálculo para determinar los esfuerzos biaxiales. P-110 Fondo – 4800 m: Pbiaxial = { [1 – (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)(σ/σy) } Pnominal Pbiaxial = { [1 - (0.75)(13,290/110,000)2]0.5 + - (0.5)(13,290/110,000) } Pnominal Pbiaxial = (0.9945 + - 0.0604 ) Pnominal Pbiaxial (colapso) = (1.0549)(10,280 psi) = 10,844 psi Pbiaxial (estallamiento) = (0.9341)(12,180 psi) = 11,377 psi Cima – 3000 m: Fuerza = (-241,391 + 370,771 = 129,380 lb/18.162 = 7,123 psi) Pbiaxial = { [1 – (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)(σ/σy) } Pnominal Pbiaxial = { [1 - (0.75)(7,123/110,000)2]0.5 + - (0.5)(7,123/110,000) } Pnominal Pbiaxial = (0.9984 + - 0.0323 ) Pnominal Pbiaxial (colapso) = (0.9661)(10,280 psi) = 9,930 psi Pbiaxial (estallamiento) = (1.0307)(12,180 psi) = 12,553 psi Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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67

Esfuerzos biaxiales Cálculo para determinar los esfuerzos biaxiales. TRC-95 Fondo – 3000 m: Pbiaxial = { [1 – (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)(σ/σy) } Pnominal Pbiaxial = { [1 - (0.75)(7,123/95,000)2]0.5 + - (0.5)(7,123/95,000) } Pnominal Pbiaxial = (0.9978 + - 0.03749 ) Pnominal Pbiaxial (colapso) = (0.9603)(9,320 psi) = 8,950 psi Pbiaxial (estallamiento) = (1.03529)(10,520 psi) = 10,890 psi Cima - Superficie: Pbiaxial = { [1 – (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)(σ/σy) } Pnominal Pbiaxial = { [1 - (0.75)(41,148/95,000)2]0.5 + - (0.5)(41,148/95,000) } Pnominal Pbiaxial = (0.9270 + - 0.2166 ) Pnominal Pbiaxial (colapso) = (0.7104)(9,320 psi) = 6,620 psi Pbiaxial (estallamiento) = (1.1436)(10,520 psi) = 12,030 psi Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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68

Esfuerzos biaxiales Representación gráfica. Propiedades nominales Presión Interna P r o f u n d i d a d

5,000

Colapso P r o f u n d i d a d

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 10,520 psi

9 7/8” P-110, 62.8 lb/pie. Nominal 12,180 psi

7,500

10,000

12,500

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 9,320 psi

5,000

Presión (psi)

Diseño de tuberías de revestimiento

9 7/8” P-110, 62.8 lb/pie. Nominal 10,280 psi

7,500

10,000

12,500

Presión (psi)

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

69

Esfuerzos biaxiales Representación gráfica. Esfuerzos biaxiales Presión Interna

Colapso 12,030 psi

P r o f u n d i d a d

6,620 psi

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 10,520 psi

10,890 psi

12,553 psi

9 7/8” P-110, 62.8 lb/pie. Nominal 12,180 psi

P r o f u n d i d a d

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 9,320 psi

8,950 psi

9,930 psi

9 7/8” P-110, 62.8 lb/pie. Nominal 10,280 psi 10,844 psi

11,377 psi 5,000

7,500

10,000

12,500

5,000

Presión (psi)

Diseño de tuberías de revestimiento

7,500

10,000

12,500

Presión (psi)

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

70

Esfuerzos triaxiales Von Misses σa Axial

σh

Tangencial

σr

Radial

Utilizando la teoría clásica de elasticidad (ecuaciones de LAME) se obtienen para el esfuerzo tangencial y radial. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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71

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

[

σe = σr2 +σh2 + (σa +σb ) −σrσh −σr (σa +σb ) −σh (σa +σb ) + 3τ 2

 ( Pi − Po )d 2 D 2  2 2  Pi d − Po D −  2 4 r  σr =  D2 − d 2

(

]

1 2 2 ha

)

d D ≤r≤ 2 2

 ( Pi − Po )d 2 D 2  2 2  Pi d − Po D +  2 4 r  σh =  D2 − d 2

(

)

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M Enero, 2009.

72

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

σ

a

Fa = Ap

σ b = ± M b rlI = ± Ecr

t ha

=

tr J p

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Componente del esfuerzo axial debido al pandeo

Esfuerzo de torsión TenarisTamsa

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73

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

[

σ e = σ + σ + σ + 2σ aσ b + σ − σ rσ h − σ rσ a + σ rσ b − σ hσ a − σ hσ b + 3t 2 r

2 h

2 a

2 b

]

1 2 2 ha

Se considera que la componente axial del esfuerzo axial debido al pandeo y el esfuerzo torsional = 0; se tiene:

σ e2 =

[

1 (σ a − σ h )2 + (σ h − σ r )2 + (σ r − σ a )2 2

]

Sustituyendo los esfuerzos radiales y tangenciales en función de la presión diámetro y espesor, se tiene:

σ

2 VME

= σ + (C1 Pi + C2 Pe )σ a + C P + C P + C5 Pi Pe 2 a

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2 3 1

TenarisTamsa

2 4 e

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Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes 2 σ VME = σ a2 + (C1 Pi + C 2 Pe )σ a + C 3 P12 + C 4 Pe2 + C 5 Pi Pe

Donde: 2

D   t C=   D  2 − 1  t 

C3 = C

2

= C

2

C1 = 2 − C

C

C2 = C

C 5 = −2C

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

4

− C +1

2

+ C David Hernández M Enero, 2009.

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Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna Representación API F. S. Representación con Factor de seguridad F. S.

F. S.

Compresión

Tensión

F. S.

Colapso

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TenarisTamsa

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76

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna Representación API

Representación Von Misses Compresión

Tensión

Colapso

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TenarisTamsa

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77

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna Representación API

Representación con Factor de seguridad

Compresión

Tensión

Representación Von Misses con factor de seguridad

Colapso

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78

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Misses

Diseño de tuberías de revestimiento

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79

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Misses

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80

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David Hernández Morales Servicios Técnicos Petroleros 12.02.09