2.- diseño de la sarta de perforación_2

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“Perforación Vertical, Direccional, Horizontaly Bajo Balance de Pozos Petroleros”

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“Diseño de la Sarta de Perforación”

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DISEÑO DE SARTADE PERFORACION

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1.0 Componentes de la Sarta de Perforación1.1 “Kelly” (Flecha) o Sistema de “Top Drive” (TDS)1.2 Tubería de Perforación (DP)1.3 Tubería de Perforación Extrapesada (HWDP)1.4 Lastra Barrenas (DC)1.5 Otras Herramientas de Fondo1.6 Barrenas

2.0 Consideraciones de la Sarta de Perforación2.1 Tubería de Perforación2.2 Lastra Barrenas2.3 Estabilización2.4 Percusores de Perforación2.5 Aceleradores2.6 Amortiguadores2.7 Barrenas Ampliadoras y Ampliadoras

3.0 Diseño de la Sarta de Perforación3.1 Objetivos3.2 Suposiciones3.3 Factores de Diseño

4.0 Diseño de Pozos de Ángulos Verticales a Moderados4.1 Etapas de Diseño4.2 Tamaño de las Lastra Barrenas4.3 Conexiones BHA / Características4.4 Colocación de Percusores de Perforación y Estabilizadores4.5 Longitud de la Sección de BHA4.6 Capacidad de Torsión de la Junta4.7 Proporción de Inflexibilidad4.8 Diseño de Tensión de la Tubería de Perforación4.9 Presión de Ruptura4.10 Presión de Colapso4.11 Cargas Combinadas4.12 Fuerzas de Estabilidad y Pandeo de la Tubería de Perforación4.13 Aplastamiento por la Acción de las Cuñas4.14 Componentes Soldados

5.0 Diseño para Pozos de Alcance Extendido5.1 Consideraciones Generales de Diseño5.2 Estimando las Cargas de la Sarta de Perforación5.3 Coeficiente de Arrastre5.4 Angulo Critico de Agujero5.5 Torsión

Contenido




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5.6 Juntas No-Estándar5.7 Factores que Afectan la Capacidad de Torsión5.8 Fatiga en Pozos ERD

6.0 Fatiga6.1 Fuentes de Fatiga-Inducción de Esfuerzos Cíclicos6.2 Mitigación6.3 Velocidades Rotarias Criticas6.4 Corrosión en Fluido Base Agua6.5 Practicas de Operación de la Sarta de Perforación

ANEXO 1Calculo de BSRCaculo de Torsión de Conexión de un Tramo




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1.0 COMPONENTES DE LA SARTA DE PERFORACIONLos componentes de la sarta de perforación son:

1.1 “Kelly” (Flecha) o Sistema de “Top Drive” (TDS)No es exactamente parte de la tubería de perforación, pero transmite y absorbe torsión hacia yde la sarta de perforación, mientras soporta toda la carga de tensión de la sarta de perforación.

1.2 Tubería de Perforación (DP)Transmite potencia por medio del movimiento rotatorio del piso del equipo de perforación a labarrena, y permite la circulación del lodo.Están sujetas a complejos esfuerzos, así como el resto de la sarta de perforación. La tubería deperforación nunca debe ser corrida en compresión o utilizada para peso en barrena, excepto enagujeros de alto ángulo u horizontales, en donde la estabilidad de la sarta y la ausencia depandeamiento debe ser confirmada por medio del uso de un software de modelado.

1.3 Tubería de Perforación Extrapesada (HWDP)Ellas hacen la transición entre la tubería de perforación y las lastra barrenas, evitando así, uncambio abrupto en las áreas seccionales cruzadas. También son utilizadas con lastra barrenaspara proveer peso en barrena, especialmente en agujeros de 6” o 8½” en donde el efecto depandeo de la HWDP debido a la compresión, es mínimo.

La HWDP reduce la inflexibilidad del BHA, también son mas fáciles/rápidas de manejar que lasDC’s y mas importante aun, reducen la posibilidad de atrapamiento diferencial.

1.4 Lastra Barrenas (DC)Proveen el peso en barrena, manteniendo la sección de la tubería de perforación en tensión,durante la perforación. El punto neutral que debe estar localizado en la parte superior de lasección de lastra barrenas: 75 a 85% (máximo), debe estar disponible para ponerse bajocompresión (Peso Disponible en Barrena).

1.5 Otras Herramientas de FondoIncluyen: Estabilizadores, Combinaciones, Percusores de Perforación, MWD, Barrenas deAmpliación, etc.

Todas tienen distintas funciones, pero dos puntos mayores en común: Su colocación es crucialcuando se diseño una sarta de perforación e introducen “irregularidades” en la sarta deperforación, es decir, diferente ID/OD y diferentes características mecánicas (torsión/flexión,etc.), que deben ser tomadas en cuenta durante el diseño de una sarta de perforación.

1.6 BarrenasVea la Sección 6. Barrenas

2.0 CONSIDERACIONES DE LA SARTA DE PERFORACION

2.1 Tubería de PerforaciónLos factores principales envueltos en el diseño de una sarta de tubería de perforación son:

Resistencia al colapso y ruptura. Esfuerzo de tensión (Tensión). Torsión




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CELULARES: 01-993-188 38 41 Y 01-993-2 01 15 [email protected] R.F.C. CDH040920RF7, REG. STPS CDH-040920-RF7-0013

Se encuentran disponibles diferentes grados de acero para corresponder a los diferentesrequisitos del agujero, siendo los más comunes G105 y S135. El G105 es el más comúnmenteutilizado para ambientes poco profundos o de H2S. El S135 es considerado un estándar paraoperaciones costa afuera. El U150 es un grado relativamente nuevo, que es utilizado paraoperaciones en aguas profundas.

El recubrimiento (también denominado Banda Dura) de tramos, es realizado para limitar el gradode desgaste circunferencial, producido en la junta. Se ha comprobado que el recubrimiento eseficiente, pero también puede proveer considerable desgaste al revestimiento, llevando a unareducción en las propiedades de desempeño de la tubería de revestimiento.

Se debe tener cuidado con el uso de materiales de banda dura (generalmente de carburo detungsteno). Un suave soldado de banda dura, con el diámetro exterior del tamo, es preferible. LaBanda Dura recomendad es ARNCO 200XT o ARMACOR M.

Si una tubería recién recubierta o una tubería que ha sido recientemente vuelta a recubrir, estasiendo utilizada, todo esfuerzo debe ser hecho para correr esta tubería en la sección del agujerodescubierto. Esto resultara en la remoción de asperidad del acabado de la nueva superficie yminimizara cualquier impacto adverso en desgaste de de la tubería de revestimiento.

La Tubería de Perforación de desempeño Mejorado, es una tubería de perforación “estabilizada”,que puede ser utilizada en pozos desviados/horizontales, para:

Ayuda a prevenir el atascamiento diferencial Reduce la torsión y el arrastre Reduce el contacto con la pared o desgaste de la junta Ayuda a disturbar los estratos de recortes

2.2 Lastra BarrenasLas lastra barrenas son utilizadas para aplicar peso en la barrena. Su gran grosor de pared, lesprovee de mayor resistencia al pandeo que la DP. El punto neutral deberá ser localizado El puntoneutral que debe estar localizado en la parte superior de la sección de lastra barrenas (nunca enla sección de la DP), 75 a 85% (máximo), de la sección de las lastra barrenas debe estar bajocompresión (esto incluirá la HWDP, en caso de ser utilizada)>

La parte baja de la sección de la lastra barrena esta bajo compresión, y debido a esto esta sujetaa pandeo. Esto genera altos esfuerzos y posibles fallas por fatiga, particularmente en lasconexiones.

Resistencia contra el aplastamiento por medio de la acción de las cuñas. Presencia de fluidos agresivos (Ej. H2S y CO2)/resistencia a la corrosiónLas fuerzas que actúan sobre las tuberías de la sarta de perforación, incluyen: Tensión, el peso combinado de las lastra barrenas y la tubería de perforación mas cualquiersobretensionamiento Deberá haber disponible un margen de seguridad de sobretensionamiento,para tensionar una sarta atrapada. Torsión, altos valores de torsión pueden ser obtenidos en condiciones estrechas de pozo. Laherramienta recomendada de torsión para conexión de tramos, deberá ser utilizada y sus limitesno excedidos. Fatiga en un ambiente corrosivo Fatiga asociada a muescas mecánicas. Esfuerzo Cíclico de Fatiga mientras se rota a través de pozos desviados, Severidad de patasde perro de mas de 3deg/30m (3deg/100pies) debe ser evitada, de ser posible. Fricción abrasiva Vibración, a velocidades rotarias críticas




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El espacio vacío entre las lastra barrenas y el pozo es mas pequeño que con la DP, y por lo tantoincrementa la posibilidad de un atrapamiento diferencial. Si se piensa que esto podría convertirseen un problema, se puede utilizar una lastra barrena ranurada para reducir el área de contactocon el pozo y por subsiguiente, el riesgo de atrapamiento diferencial.

En los pozos desviados y para evitar el atrapamiento del ensamble de perforación, se deberáutilizar la mínima cantidad de lastra barrenas (y estas deberán ser del tipo ranurado). La tuberíade perforación extrapesada en conjunción con estabilizadores bajo calibrados, deberá serutilizada para sustituir el peso de la lastra barrena.

2.3 Estabilización

2.3.1 EstabilizadoresLos estabilizadores de medición completa, proveen una distancia fija desde la pared del agujeroy mantienen las lastra barrenas concéntricas con el pozo, reduciendo de esta manera, el pandeoy la flexión. Sin embargo los estabilizadores podrían incrementar la torsión y arrastre.

2.3.1.1 Tipo Recomendado de Estabilizadores El estabilizador integral con cuchillas es el tipo preferido de estabilizador. A pesar de que los estabilizadores integrales con cuchillas son generalmente preferidos, losestabilizadores con aletas soldadas pueden ser utilizadas para agujeros superficialeso conductores, dependiendo de la formación. Generalmente las formaciones blandas yen cualquiera de los casos, por encima del punto de desviación para pozos direccionales. Los estabilizadores reemplazables de manga solo se deben usar en áreas del mundo en dondela logística es un verdadero problema (consideraciones económicas). Su desventaja principal esque restringen la circulación de flujo en un agujero pequeño.

La posición, tamaño (completa, por debajo o Estabilizador Medido Ajustable) y cantidad deestabilizadores en el ensamble de fondo, son determinados por los requerimientos de laperforación direccional. En la sección vertical su propósito es el de mantener el ángulo dedesviación lo mas bajo posible.

Nota: El estabilizador cerca de la barrena puede ser reemplazado por un escariador de rodillos detamaño complete, en caso de que se experimente torsión excesiva. No coloque un estabilizador en la transición desde las lastra barrenas hasta el HWDP. El uso de estabilizadores dentro de la tubería de revestimiento debe ser evitado lo mas posible(o ser limitado a un espacio de tiempo corto), Ej. Mientras se limpia el cemento.

2.3.2 Escariadores de RodillosLos escariadores de rodillo pueden ser utilizados para la estabilización de la sarta de perforación,en donde sea difícil mantener la medición del agujero y en formaciones duras y profundas, endonde la torsión representa un problema.

Los escariadores de rodillo no estabilizan tan bien como los estabilizadores integrales concuchillas. Se experimentan más caminatas, especialmente cuando un escariador de rodillos esusado cerca de la barrena. Utilizado con un ensamble de armado, muchas veces incrementan lavelocidad de armado.

El tipo de cortadores, dependerá del tipo de formación. El mismo cuerpo de escariador de rodillopuede ser utilizado para diferentes aplicaciones.

2.4 Percusores de Perforación




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Los percusores de perforación hidráulicos de doble acción son preferidos. Los percusores deperforación son generalmente utilizados desde abajo del tubo conducto o la tubería superficial derevestimiento.

La cantidad de horas de perforación y horas uso de los percusores de perforación, deberán serregistradas para realizar el reemplazo al tiempo recomendado (esto debe ser provisto porel fabricante). Esto varía de acuerdo al fabricante, tamaño del agujero, tamaño del percusorde perforación y la desviación.

2.4.1 Posición de los Percusores de PerforaciónCorra un programa de posicionamiento de percusores de perforación, entonces optimice para elposicionamiento, considerando todos los aspectos del BHA:

La localización del punto neutral en la sarta de perforación deberá ser conocida y lospercusores de perforación deberán ser mantenidos fuera de esta are. Cuando sea apropiado (fíjese aquí abajo), posicione los percusores de perforación en la

sección de lastra barrenas por encima de la parte superior del estabilizador.Los percusores de perforación no deberán ser corridos directamente al lado de un estabilizador

(mínimo un cople entre ellos). Coloque un para de lastra barrenas sobre el percusor de perforación para peso de martillo,donde sea posible. Las HWDP son flexibles y no transmitirán un golpe hacia abajo, al igual quelas lastra barrenas. El problema anticipado también puede influenciar el sitio en donde será colocado el percusorde perforación:

1. Si es atrapamiento diferencial u ojo de llave, entonces el percusor de perforación deberá sercorrido en la HWDP para evitar quedarse atrapado con el resto del BHA.

2. Si los estabilizadores se están “embolando” o el agujero se esta hinchando, entonces lospercusores de perforación deberán ser posicionados sobre la parte superior del estabilizador.

3. Cuando se perfora en un área nueva en donde los problemas comunes de agujero no hansido aun identificados, un buen compromiso es el de correr lastra barrenas ranuradas de ODmas pequeño sobre el percusor de perforación Los percusores de perforación tienen una fuerza abierta de bombeo que debe ser superadacuando se percusione el percusor de perforación. Fuerza Abierta de Bombeo = Caída de presióndebajo de los percusores de perforación x área de CasquilloEl área de casquillo puede ser obtenida de los manuales de información del fabricante.

2.5 AceleradoresLos aceleradores (también llamados Impulsadores del Percusor de Perforación, son corridos enla sarta, encima de los percusores de perforación y son utilizados para incrementar la fuerza deimpacto ejercida por un percusor de perforación.

Consisten en una junta de cuñas que, como extensión de la herramienta, causa mayorcompresión de un gas inerte (generalmente nitrógeno en una cámara de alta presión. Entoncesel gas bajo fuerzas de presión devuelve a la herramienta a su longitud original, permitiendo a laslastra barrenas debajo del impulsador moverse rápidamente hacia arriba en el agujero.

Los aceleradores son útiles en una sarta de pesca o un ensamble de perforación,particularmente en agujeros de ángulo alto, en donde las sarta esta en contacto con el lado delagujero y grandes cantidades de fricción podrían ser desarrolladas.

2.6 AmortiguadoresLos amortiguadores son colocados en la sarta de perforación, idealmente, directamente encimade la barrena, para absorber vibración y cargas de choque.




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Son útiles, especialmente en sitios de poca profundidad, cuando se perforan rocas duras,formaciones partidas o líneas intermitentes duras y suaves, para limitar el desgaste y falla de loscomponentes de la sarta de perforación (MWD, barrena, etc.).

2.7 Barrenas Ampliadoras y AmpliadoraLas barrenas ampliadoras y las ampliadoras son utilizadas para ampliar los agujeros. Unaampliadora nunca es tan robusta como una barrena ampliadora, pero puede pasar a través deobstrucciones (Ej. sarta de tubería de revestimiento) de un diámetro mas pequeño que el agujeroque va perforar.

2.7.1 Barrenas Ampliadoras

2.7.1.1 AplicacionesUsados para ampliar un agujero piloto, el cual pudo haber sido requerido debido a las siguientesrazones: Se requirió un núcleo. El tamaño del equipo estándar de toma de núcleo comienza en 12 ¼”. Una alta calidad de registros eléctricos fue requerida, lo cual no es probable de conseguir en unagujero de gran diámetro. Es mas fácil controlar la trayectoria de un agujero mas pequeño, especialmente en unaformación muy blanda. Perforando a través de lo que podría ser una zona de presión transitoria o una burbuja de gas.En un agujero pequeño, la circulación fondo arriba toma menos tiempo y los influjos son másfáciles de controlar debido al volumen reducido.

Una barrena ampliadora también podría ser requerida si el diámetro del agujero ha sido reducidopor la formación que se expande dentro de el, de modo la barrena completa, ya no podrá pasar.Esto podría pasar en particular en secciones que contienen lutitas plásticas o sal.

2.7.1.2 Directrices para su usoUna barrena de ampliación es corrida, ya sea con una barrena piloto o con una boquilla, la queguía a la barrena de ampliación a lo largo del agujero piloto. Debido a esto no hay necesidad deguiar una barrena de ampliación y no hay riesgo de perforar alejándose del agujero piloto. Laboquilla puede ser fijada directamente a la barrena de ampliación o una junta por debajo, paradar mayor flexibilidad.

Como una alternativa para la barrena de ampliación, especialmente en agujeros de tamañosmenores a 17½”, una barrena “común” puede ser utilizada para ampliar el agujero. Esto no esrecomendado en formaciones blandas. En las formaciones duras, es mas probable que labarrena siga la vía con menor resistencia, pero es necesario medir la desviación del pozo aintervalos frecuentes, para revisar que este siguiendo la trayectoria del agujero piloto.

La mayoría de las barrena de ampliación aun utilizan conos, ya sea con dientes de acero oinsertos de carburo de tungsteno, dependiendo de la formación. Estas están disponibles desde 83/8” (6” de agujero piloto) a 48” (17 ½” agujero piloto). El número de conos (de 3 a 8), es unafunción del tamaño del agujero.

Las barrenas de ampliación de aletas fijas están disponibles para secciones más pequeñas delagujero (menos de 17½”). Ellas remueven el riesgo de que los conos se caigan. También cortanen dirección hacia arriba, en caso de que esto se vuelva necesario (“forzando formación”).

Mientras se usa una barrena de ampliación: La selección de cortadores dependerá de la formación, basada en las mismas consideracionesque las que se usan par alas barrenas.




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Las formaciones blandas normalmente responderán mejor a un RPM más alto y un WOB masbajo, mientras que las formaciones más duras requieren un WOB más alto y menos RPM. En caso de que se encuentren formaciones fracturadas, ajuste el parámetro de perforaciónpara evitar el rebote. Use un gasto de flujo suficiente para obtener una buena limpieza de agujero. Siempre estabilice la parte baja de la barrena de ampliación para prevenir que rote fuera delcentro. Una barrena de conos (es decir, en caso que la limpieza no haya sido anticipada) o unaboquilla media pulgada o una pulgada mas pequeña que el agujero piloto, deberían sereficientes.

2.7.2 AmpliadorasLas aplicaciones típicas incluyen: Abrir el agujero por debajo de la Zapata guía, para proveer un espacio anular más grande, parapoder cementar la próxima sarta de tubería de revestimiento. Esto permite, por ejemplo, el usode un diámetro, de tubería intermedia de revestimiento, más grande de lo que se puede utilizarnormalmente. Superar la restricción del tamaño del diámetro del BOP o del cabezal del pozo. Ampliar el espacio anular del agujero, dentro de la zona productora, para la completación conempaque de grava. Abrir una burbuja para comenzar un desvío. Reducir la severidad de las patas de perro. Ampliar “áreas levantadas” a través de la zona problemática fallida.

Debido a que la ampliadora tiene que pasar a través de un diámetro interior restringido, incorporacortadores expandibles, los cuales permanecen colapsados cuando la herramienta esta RIH. Loscortadores son entonces expandidos dentro de la formación utilizando la presión diferencial delfluido de perforación. Una vez que el agujero se encuentra ampliado a la profundidad deseada,las bombas son apagadas, permitiendo que los brazos se colapsen nuevamente hacia el cuerpopara POOH.

Las ampliadoras usualmente tenían conos en brazos extensibles, pero hoy en día la tendenciaes la de usar brazos extensibles con cortadores PDC. Estas pueden ser corridas con unaboquilla o una barrena de perforación pequeña como si fuera una ampliadora.

En caso de que la sobre medición sea requerida, una alternativa seria una barrena bi-céntrica(por ejemplo, 8 1/2” X 9 7/8”), lo cual elimina el riesgo asociado con una ampliadora.

3.0 Diseño de la Sarta de Perforación

3.1 ObjetivosEl objetivo del diseño de la sarta de perforación es: Asegúrese que el esfuerzo máximo, en cualquier punto de la sarta de perforación, es menorque el esfuerzo de cedencia reducido. Asegúrese que los componentes y la configuración de la sarta de perforación minimice losefectos de fatiga Provee equipo que sea resistente al H2S, en caso de que el H2S sea anticipado.

3.2 SuposicionesLas siguientes suposiciones son hechas: En agujeros de ángulo bajo, la tensiones aproximada utilizando el método de “peso de boya” oflotación. Esto ignora los efectos de la presión de circulación y ángulo de agujero, en tensión. Apesar de no ser tan exacto como el método “presión-área”, se compensa por cualquier error,




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seleccionando un margen apropiado de sobretensión. Los pozos ERD y los pozos horizontales,requerirán de un moldeado por computadora para evaluar los efectos de torque y arrastre. En los pozos verticales, se asume que se presentara el pandeamiento hasta el punto en lasarta en donde el peso de flotación de la sarta, iguala el peso en barrena. Esto esincorrectamente denominado “punto neutral en tensión”. En la practica, y si las fuerzas presión-área son considerados, el punto neutral siempre ocurrirá por debajo de este punto, a menos quela tubería quede atrapada o que la caída de presión en barrena se incremente con la barrena enel fondo. En agujeros inclinados se asume que se presentara el pandeo, cuando la carga compresiva enun componente, exceda la carga crítica de pandeo del componente. Los cálculos de tensión en agujeros verticales y de ángulo bajo, asuma una sarta verticalcolgada, es decir, el peor de los casos, sin soporte de agujero. Si el agujero no es vertical,entonces el diseño es un diseño conservador, el cual es realizado para compensar el arrastre detensión más alto, ya que el ángulo del agujero y el del adyacente se incrementan. En los diseños de ERD’s el arrastre de tensión es ignorado para los cálculos en modoperforación rotaria. Los errores son pequeños, a menos que se rote muy lento con altasvelocidades de perforación. Bajo condiciones normales de perforación, la velocidad de rotaciónexcederá la velocidad axial. La capacidad de carga de torsión de la sarta de perforación, es fija en la torsión de conexión dela junta. La fuerza de cedencia material para todos los componentes, es el mínimo especificado para elcomponente que esta siendo considerado. El grosor de la pared del tubo de la tubería de perforación es el mínimo para el peso y clase dela tubería de perforación especificada. La fuerza de torsión de conexión y la torsión de adición (de componente), son calculadosutilizando la formula de A.P. Farr de SPI RP 7G.

3.3 Factores de DiseñoLos factores de diseño son utilizados para disminuir las capacidades de carga de loscomponentes, para proveer un margen adicional de error causado por diferencias entre lassuposiciones hechas en el diseño y el mundo real.

Tensión (DFT)Esto es usado para reducir la capacidad de tensión de la tubería de perforación, para establecerla carga de tensión máxima permitida. DFT es típicamente 1.15

Margen de Sobretensionamiento (MOP)La tensión en exceso deseada sobre la carga normal de colgado/trabajo para que sirva en casode contingencias tales como, arrastre de agujero, atrapamiento de tubería, etc. Pudiera sercualquier cantidad positiva pero es típicamente especificado desde 50,000 a 150,000 lbsdependiendo de las condiciones del agujero.

Exceso de Peso en el BHA (DFBHA)Define la cantidad de peso en exceso de peso en barrena que un BHA dado pudiera contener.Este peso en exceso provee un margen extra para mantener al punto neutral por debajo de laparte superior del BHA. DFBHA recomendado es de 1.15.

TorsiónLa torsión aplicada esta limitada a la torsión de conexión de una junta. Una torsión de conexiónestándar es de 60% de fuerza torsional de cedencia de junta y las juntas estándar son masdébiles en torsión que los tubos a los que están anexos. Debido a esto un factor de diseño no esnecesario.

Presión de Colapso (DFC)




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Las capacidades de presiones de colapso son primero disminuidas para contar para el efecto decualquier tensión y después vueltos a disminuir, dividiendo las entre el factor de diseño decolapso. El DFC es típicamente 1.1 a 1.15.

Presión de Ruptura (DFBP)Esto es usado para reducir una capacidad de presión de ruptura de componentes para dar unmáximo permitido de presión de ruptura que puede ser aplicado. La capacidad de ruptura esincrementada cuando la tensión es aplicaba, pero esto es normalmente ignorado.

Pandeo (DFB)Este es el factor de seguridad del pozo de ángulo alto equivalente al factor de exceso del BHApara pozos verticales. Ambos sirven para prevenir el pandeo de la tubería de perforación enforma rotaria. La diferencia es que DFBHA incrementa la longitud del BHA en pozos verticales,mientras que el DFB disminuye el peso permitido en peso en barrena en pozos ERD y pozoshorizontales, en donde el BHA tradicional, esta ausente.

4.0 DISENO DE POZOS DE ANGULOS VERTICALES A MODERADOS

4.1 Etapas de DiseñoTrabajando desde la barrena hacia la superficie: Elija el tamaño de la lastra barrena, conexión y características de la conexión. Determine el esfuerzo de torsión de las conexiones de la lastra barrena. Determine las longitudes mínimas de las secciones de lastra barrena y HWDP. Revise las fuerzas de aplastamiento por cuñas. Establezca los factores de diseño y el margen de sobretensionamiento Calcule las cargas de trabajo y tensión permitidas. Calcule la longitud máxima permitida de cada sección de la tubería de perforación. Calcule la baja de capacidades de presión de colapso de los tubos de la tubería de perforaciónbajo carga de tensión.

4.2 tamaños de las Lastra Barrenas A menos que el atrapamiento mecánico sea un problema, se deberá utilizar el diámetro másgrande de BHA, en consistencia con las demás necesidades. La inflexibilidad incrementada se traduce en un mejor control direccional. La presencia de lastra barrenas significa menos conexiones para un peso especifico enbarrena. Grandes lastra barrenas significan longitud de BHA reducida y por lo tanto una reducción delriesgo de atrapamiento diferencial. Las lastra barrenas grandes tienen menos libertad de movimiento. Esto reduce la magnitud delos esfuerzos cíclicos generados por el pandeo y la vibración lateral y por lo tanto incrementa lavida de fatiga de las conexiones.Otras consideraciones incluyen: habilidad para pescar rango efectivo del equipo de manipuleo de tubería requerimientos de control direccional hidráulicos características deseadas (ranurados, ranurados con elevador, etc.).

4.3 Conexiones BHA / CaracterísticasLos siguientes puntos son aplicables a todos los componentes del BHA, incluyendocombinaciones, estabilizadores, motores, herramientas de LWD y MWD, ampliadores deagujeros, barrenas ampliadoras, percusores de perforación, etc.




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4.3.1 Proporción de Fuerza de Flexión (BSR)Esta es la proporción de flexibilidad de la caja hacia el piñón para una conexión dada.

BSR's altos pueden causar una acelerada falla de piñón.Los BSR’s bajos pueden causar fallas de caja.

La experiencia de campo sugiere que lastra barrenas OD mas grandes sufrenpredominantemente de roturas por fatiga en la caja, incluso cuando se esta en o cerca del BSRoptimo de 2.5. Esto sugiere que un BSR más alto podría ser una directriz mas apropiada paralastra barrenas OD más grandes. Al contrario, los coples de 4¾” con BSR’s de 1.8 rara vezexhiben roturas por fatiga en la caja. Esto sirve para destacar la importancia de la experiencia encampo, al elegir BSR’s para tamaños de lastra barrenas en particular.

El BSR recomendado para tamaños típicos de lastra barrenas, es mostrado en la tabla siguiente.Estos números deberán ser ajustados, según sea determinado por las condiciones operativaslocales.

Rangos recomendados de BSR

OD de Lastra Barrena Rango Tradicional de BSR Rango recomendado deBSR

< 6” 2.25 – 2.75 1.8 – 2.56” – 7 7/8” 2.25 – 2.75 2.25 – 2.75= o > 8” 2.25 – 2.75 2.5 – 3.2

Las transiciones entre las secciones de diferente inflexibilidad, actúan como concentradores deesfuerzo. Este problema es empeorado por medio de las combinaciones cortas y derechas. Siuna combinación derecha (no cuello de botella) es utilizada y su OD es más grande que el ODde la junta de la HWDP, el BSR resultante de la conexión de la combinación superior, podría serbastante alto, resultando en fatiga acelerada de piñón. Los cuellos de botella alivian esteproblema, proveyendo un cambio ligero en la sección cruzada.

Las ecuaciones utilizadas para el cálculo del BSR, están representadas en el Anexo 1.

4.3.2 Conexión de BHA en Forma de RoscaLas formas de rosca con una raíz de radio completo, deberán ser utilizadas en todas lasconexiones de BHA, para maximizar la resistencia a la fatiga. La conexión regular de API y lasconexiones NC y Agujero Completo, todas cumplen con este requisito, a pesar de que cabemencionar que la forma de rosca NC de API (V-038R), es superior a las otras. La forma de roscaH-90, también es considerada como aceptable, a pesar de que no tiene un raíz de radiocompleto.

Todas las conexión que utilizan una forma de rosca “estándar” V-065, excepto la PAC, sonobsoletas. La forma de rosca “NC” deberá ser especificada, en vez de los nombres obsoletos de“IF” o “XH”, ya que esto eliminara la posibilidad de recibir forma de rosca V-065, propensa a lafatiga.

4.3.3 Características de Alivio de EsfuerzoLas características de alivio de esfuerzo deberán estar especificadas en todas las conexionesNC-38 o mayores, del BHA. Estas características incluyen el “piñón libre de esfuerzo” y la “cajabore-back”. Ambos extienden la vida de la fatiga por medio de la eliminación de las raícesseparadas de rosca, que actúan como concentradores de esfuerzo. Las características de aliviode esfuerzo son beneficiosas en todas las conexiones de la HWDP. Los piñones acanaladosliberados de esfuerzo, no son recomendados para conexiones menores al NC-38, porque




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podrían debilitar las fuerzas de tensión y torsión de las conexiones y porque la fatiga es muchasveces un problema menor que las cargas no-cíclicas en conexiones pequeñas. El “bore-back”podría ser utilizado en conexiones mas pequeñas sin debilitarlas y debería ser considerado encaso de la fatiga de la caja, este ocurriendo.

4.3.4 Rodamiento en FríoEl rodamiento en frío de las raíces de roscas del BHA (y la HWDP) y de las superficies de aliviode esfuerzo, incrementa la vida de la fatiga por medio de la colocación de un esfuerzocompresivo residual en las raíces de las roscas. Esto no es beneficioso en tubería de perforaciónde peso normal, en donde la fatiga es rara vez un problema, debido a la relativa inflexibilidad delas juntas, comparadas a los tubos.

4.3.5 Esfuerzo de Torsión de Conexión de BHADebido a que la torsión es transmitida desde la parte superior hacia abajo, las conexiones delBHA están usualmente sujetas a cargas de torsión mas bajas, que las conexiones de arriba. Sinembargo, si esta ocurriendo “atrapamiento” / “corrida” o se esta utilizando un ensambletelescopiada, se deberá revisar la fuerza de torsión, para confirmar que es mas alta que latorsión esperada, dentro del BHA operativo. Los tabuladores de fuerza de torsión en juntas, nopuede ser directamente utilizado para este propósito, debido a que los materiales de las juntas ylas lastra barrenas, tienen fuerzas de cedencia distintas.

El esfuerzo de torsión de conexión de las lastra barrenas puede ser calculado como sigue:

Donde TS - esfuerzo de torsión de conexión de las DC (pies lbs)MUT - torsión de conexión de las DC (pies lbs)F - factores del tabulador siguiente

Factores para convertir el MUT de las lastra barrenas a Fuerza de TorsiónTipo de Conexión OD < o = 6-7/8” OD > 6-7/8”PAC f = 0.795 n/aH-90 f = 0.511 f = 0.562Otros f = 0.568 f = 0.625

4.4 Colocación de Percusores de Perforación y Estabilizadores

4.4.1 EstabilizadoresEl numero, tamaño y posición de los estabilizadores, es muchas veces determinado por lasconsideraciones direccionales.

Sin embargo, también tienen un impacto en otros aspectos del diseño.1. Durante la perforación rotativa en pozos verticales, la parte baja del BHA sufrirá de pandeo yserá soportado por los lados del agujero. Los estabilizadores reducen el esfuerzo deconexión/incrementan la vida de fatiga, por medio de la restricción de libertad de movimientolateral de la lastra barrena.2. En caso de que el atrapamiento diferencial sea una preocupación, mas estabilizadores oestabilizadores mas grandes, incrementaran la posibilidad de quedarse atrapado. Al mismotiempo y cuando el atrapamiento diferencial es una preocupación, la presencia deestabilizadores, puede reducir el riesgo, manteniendo las lastra barrenas fuera de los lados delpozo.




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4.4.2 Percusores de PerforaciónEl posicionamiento de los percusores de perforación es dictado por la necesidad de tener unimpacto máximo, en caso de que el BHA quede atrapado, mientras se trata de asegurar de queno ocurra una falla por fatiga. Hasta hace poco, la ley del dedo, era utilizada para correr lospercusores de perforación en tensión. Mas recientemente, en pozos de ángulo alto, se ha vueltoaceptable, el correr percusores de perforación bajo compresión. Esto ha llevado a confusionescon respecto al posicionamiento de percusores de perforación, es decir, si correr en tensión ocompresión y si correrlos durante el pandeo o sin pandeo. (Nota: un elemento rotador pandeadode la sarta de perforación, siempre es una preocupación en la perforación y por tanto deberánser evitados.

Para clarificar estos asuntos, la siguiente regla es impuesta:

“No corre los precursores de perforación pandeados, en ningúnmomento”.

Esta regla obviamente excluye a los percusores de perforación de ser corridos en compresiónmecánica en secciones verticales del agujero. En pozos de alto ángulo, sin embargo, sereconoce que un percusor de perforación puede estar sujeto a una gran carga compresiva, sinpandearse.

4.5 Longitud de la Sección de BHALa longitud de la sección de lastra barrenas dependerá del tipo de BHA siendo diseñado y de siel HWDP será utilizado o no para peso en barrena. Tres tipos de diseño de BHA sonconsiderados como en la ilustración en la figura 1, como sigue:

Tipo A: El peso completo en barrena es provisto por las lastra barrenas. La HWDP estapresente para extender la transición desde los DC’s hasta la DP.




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Tipo B: Suficientes DC’s son usados para lograr ya sea control direccional u otros objetivos,excepto el WOB El peso en barrena se deriva de ambos, DC’s y HWDP. Este BHA es más fácil dmanejar en el piso del equipo de perforación y aparenta haber reducido la posibilidad de falla dela lastra barrena. Tipo C: Se utilice mas de un tamaño de lastra barrena pero el peso en barrena aun es provistopor ambas DC’s y HWDP. Así como con el Tipo B, la cantidad de DC’s se encuentra influenciadapor objetivos direccionales u otros objetivos (no WOB).

4.5.1 BHA Tipo ALa longitud mínima de las lastra barrenas es calculado como sigue:

Donde LDC = Longitud mínima de lastra barrena (pies)WOB = Peso máximo en barrena (lbs)DFBHA = Factor de diseño para el sobrepesoKB = Factor de flotación = ángulo máximo del agujero en el BHA (grados)

WDC = Peso en aire de las lastra barrenas (lbs/pies)

El factor de diseño para sobrepeso del BHA es elegido para asegurar que el punto neutral semantenga por debajo de la parte superior del BHA. Este factor es típicamente asignado un valorde 1.15, para la mayoría de las aplicaciones, a pesar de que la perforación dura podría justificarun valor más alto. La longitud mínima de las lastra barrenas es muchas veces redondeado hastael próximo puesto de lastra barrenas.

La cantidad de HWDP para la transición, deberá ser determinado en base a experiencias previasy típicamente estará en el orden de 9 -30 juntas.

4.5.2 BHA's Tipo B y CLa cantidad de HWDP requerida para aplicar el peso necesario en barrena y mantener el puntoneutral dentro del BHA, puede ser determinado utilizando la siguiente formula:

Donde LHWDP = Longitud mínima de las HWDP (pies)WOB = Peso máximo en barrena (lbs)DFBHA = Factor de diseño para el sobrepeso

KB = Factor de flotación = ángulo máximo del agujero en el BHA (grados)

WDC1 = Peso en aire de las lastra barrenas en la primera sección (lbs/pies)LDC1 = Longitud de la primera sección de lastra barrenas (pies)WDC2 = Peso en aire de las lastra barrenas en la segunda sección (lbs/pies)LDC2 = Longitud de la segunda sección de lastra barrenas (pies)

WHWDP = Peso en aire de la HWDP (lbs/pies)

A medida que el ángulo del agujero se incrementa, se alcanzara un punto en donde un pesadoBHA seria más prejudicial, debido al incremento del arrastre por tensión y torsión, que




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beneficioso por proveer peso en barrena. Las dos formulas anteriores, cesaran entonces suaplicación, después de ese punto, es decir, para ángulos mas altos.

Para estos ángulos más altos de agujero, es una práctica aceptada el aplicar peso en barrena,por vía de una corrida normal de peso de tubería de perforación en compresión mecánica.

4.6 Capacidad de Torsión de la JuntaPara prevenir la falla de conexión de fondo y falla de torsión, la máxima torsión operativa nuncadebe superar la torsión de conexión de junta.

La torsión de junta como tal, deberá estar basada en el OD y el ID de la conexión que estasiendo utilizada, en vez de una torsión de conexión general para un tipo de conexión dada.

Cuando una torsión operativa alta es esperada, la torsión de conexión puede ser incrementada,pero el efecto de una posible reducción en la capacidad de tensión de la junta necesita serdeterminado. Esto será discutido en más detalle en la sección X.Y.

Las dimensiones de conexión y la exactitud de la medida de torsión siempre deben serrevisadas, independientemente de si la torsión operativa alta es esperada o no.

Las ecuaciones en el cálculo de conexión de la junta son dadas en el Anexo 1.

4.7 Proporción de InflexibilidadLa proporción de inflexibilidad (SR) de las secciones anteriores y siguientes a cada transición,debe ser comparada para ayudar en la cuantificación de la brusquedad del cambio de sección ydeterminar la necesidad de una tubería de transición. Esto se logra dividiendo el Modulo deSección (Z) de la sección mas baja entre el Modulo de la Sección superior.

Superior

Igual que con el BSR, la proporción de inflexibilidad no es un límite de desempeño estrictamentecuantitativo y la experiencia deberá ser utilizada para determinar el SR optimo. Si se estánexperimentando fallas de la tubería de perforación en la parte superior del BHA, a pesar de tenerel peso adecuado de lastra barrena para el WOB, se podría necesitar la tubería de transición.Las siguientes directrices, se han encontrado aceptables, de forma general:

1. Para la perforación de rutina o una experiencia de falla muy baja, mantenga el SR por debajode 5.5.2. Para perforación severa con una experiencia de fallas significativas, mantenga el SR pordebajo de 3.5.




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4.8 Diseño de Tensión de la Tubería de PerforaciónLa base para seleccionar varios grados de tuberías para conectar a una sarta de perforación, esla de siempre mantener el margen de sobretensionamiento (MOP) en todos los puntos de lasarta. Esto se logra adicionando el grado mas bajo de tubería, las juntas una por una,comenzando desde la parte superior del BHA hacia arriba. Cada junta debe soportar el peso delBHA más la tubería de perforación por debajo de esa junta. Cuando la carga de trabajo (PW) esalcanzada para ese grado de tubería de perforación, el grado próximo mas alto, deberá serutilizado y el proceso deberá ser repetido hasta que la sarta de perforación este completa.

Nota: El peso nominal de la tubería de perforación es meramente un término descriptivo parafines de identificación y se refiere a la tubería de linea. El peso real (peso en aire o pesoajustado), que incluye los pesos de las juntas, siempre deberá ser utilizado en estos cálculos.

Nomenclatura de Diseño de Tensión

4.8.1 Determine la Capacidad de Cargas de Tensión (PT)Este es el cálculo de la tirada de tensión necesaria para hacer ceder el cuerpo de la tubería. Losvalores de los tabuladores, permiten bajar la tensión basado en el grosor de la pared/tipo detubería.

4.8.2 Determine el Factor de Diseño en la Tensión (DFT)El factor usado para bajar la capacidad de la carga de tensión para obtener una carga permisible(PA). Típicamente es utilizado un DFT de 1.1.

4.8.3 Calcule la Carga Permitida (PA)La carga máxima colocada en una tubería, incluyendo contingencias PA= PT / DFT.




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4.8.4 Establezca el Margen de Sobretensionamiento (MOP)La capacidad de sobretensionamiento diseñada por encima de la carga de trabajo (PW), paracompensar el arrastre esperado, posible atrapamiento, aplastamiento por cuñas, y el efecto depresión circulante.Los valores del MOP son típicamente 50,000 – 150,000lbs

4.8.5 Calcule las Cargas de Trabajo (PW)La carga de trabajo es la tensión máxima esperada que puede ocurrir durante operacionesnormales.

4.8.6 Calcule la Longitud máxima de la Primera Sección de la Tubería dePerforaciónLa longitud máxima del grado mas bajo aceptable de tubería de perforación, en la primerasección de la DP sobre el BHA, puede ser determinada utilizando la siguiente formula.

Donde LDP1 = Longitud máxima de la tubería de perforación en la sección 1 (pies)PW1 = Carga de trabajo en tubería de perforación en sección 1 (lbs)

LHWDP = Longitud de la HWDP (pies)KB = Factor de flotación

WDC1 = Peso en aire de las lastra barrenas en la primera sección (lbs/pies)LDC1 = Longitud de la primera sección de lastra barrenas (pies)WDC2 = Peso en aire de las lastra barrenas en la segunda sección (lbs/pies)LDC2 = Longitud de la segunda sección de lastra barrenas (pies)

WHWDP = Peso en aire de la HWDP (lbs/pies)W1 = Peso en aire de la tubería de perforación en sección 1 (lbs/pies)

4.8.7 Calcule la Longitud máxima de la Segunda Sección de la Tubería dePerforaciónPara calcular la cantidad de tubería de perforación en la segunda sección sobre el BHA (en casode ser necesario):

Donde LDP2 = Longitud de la tubería de perforación en sección 2 (pies)PW2 = Carga de trabajo en tubería de perforación en sección 2 (lbs)PW1 = Carga de trabajo en tubería de perforación en sección 1 (lbs)W2 = Peso en aire de la tubería de perforación en sección 2 (lbs/pies)KB = Factor de flotación

4.8.8 Calcule la Longitud máxima de la Tercera Sección de la Tubería de

Perforación




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Donde LDP3 = Longitud de la tubería de perforación en sección 3 (pies)PW3 = Carga de trabajo en tubería de perforación en sección 3 (lbs)PW2 = Carga de trabajo en tubería de perforación en sección 2 (lbs)W3 = Peso en aire de la tubería de perforación en seccion3 (lbs/pies)KB = Factor de flotación

4.9 Presión de RupturaEn general, la tubería de perforación no es utilizada en aplicaciones que requieran una altapresión de ruptura, en caso de que el gas sea la fuente de la presión. Tubería de producción conconexiones premium es muchas veces mas adecuada.

La tubería de perforación nunca debería ser utilizada para llevar gas que contenga Sulfuro deHidrogeno a una presión parcial mayor a 0.05psi. Los gastos de ruptura puedenencontrarse tabulados y asumen propiedades mínimas de material y ninguna carga axial.Mientras que las cargas simultaneas de tensión incrementaran la capacidad de presión deruptura. Esto es usualmente ignorado y retenido como un factor adicional de seguridad.

4.10 Presión de ColapsoLa presión de colapso que actúa en cualquier punto en la sarta de perforación bajo condicionesestáticas es:

Donde PC = Presión de colapso sobre la tubería de perforación (psi)PA = Presión superficial del espacio anular (psi)PDP = Presión superficial de la tubería de perforación (psi)

D = Profundidad de interés (pies)GA = Gradiente del fluido en el espacio anular (psi/pies)

GDP = Gradientes de fluido en la tubería de perforación (psi/pies)

Nota: La tensión y la presión en el espacio anular simultaneas, reducirán la capacidad decolapso que deberá ser bajada, como se indica abajo, en caso de que se anticipen cargas detensión.

4.11 Cargas CombinadasEstos casos se refieren a situaciones en donde varias cargas están siendo ejercidas en unatubería, al mismo momento.

1. Las tensiones simultáneas reducen la capacidad de colapso de la tubería de perforación yviceversa.2. La torsión simultánea reduce la capacidad de tensión de la tubería de perforación y viceversa.3. El agregado de una conexión (torsión) más allá de un punto dado, reduce la capacidad detensión de conexión.4. La tensión simultanea reduce la fuerza torsional de Cedencia de las conexiones de piñonesdébiles.

4.11.1 Disminución de la Capacidad de Presión de Colapso en la Tubería dePerforación bajo TensiónEl factor de disminución para la capacidad de colapso de la tubería bajo tensión puede sercalculado de las ecuaciones dadas por API RP7G, Anexo A. Sin embargo, un método mas rápidoes el de usar el siguiente grafico (también de API RP7G). Las ecuaciones usan una fuerza decedencia promedio, mientras que el método grafico usa la fuerza de Cedencia mínima.




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Fuerzas de CedenciaGrado deTubería

Fuerza mínima deCedencia (psi)

Fuerza Promedio de Cedencia(psi)

E 75,000 85,000X 95,000 110,000G 105,000 120,000S 135,000 145,000

Elipse de Esfuerzo de Cedencia Biaxial

EjemploDetermine la capacidad de presión de colapso de una tubería grado E de 5”, 19.5lb/pies, bajouna carga de tensión de 50,000 lbs.

1. De los tabuladores de tubería de perforación, la capacidad de tensión para esta tubería es de311,535lbs y la capacidad de colapso es de 7041psi.2. Exprese la carga axial como un porcentaje de la Fuerza de Cedencia mínima.

% Min YS = (carga axial) x (100) / PT

= (50,000 x 100) / (311,535)= 16%

3. Plotee 16% en el eje horizontal de la figura 3. Tome una perpendicular hasta la curva ydespués una horizontal desde la curva para interceptar y el eje a 90% (un factor de disminuciónde 0.9)4. Multiplique la capacidad nominal de colapso por el facto de disminución.

= 7041 x 0.9= 6337 psi

5. Asumiendo un factor de diseño para colapso (DFC) de 1.125, la capacidad de colapsodisminuida es de

= 6337 / 1.125= 5632 psi




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4.11.2 Disminuya la Capacidad de Carga de Tensión bajo Torsión y TensiónCombinadaEsta situación puede ocurrir cuando se desamplia, halando de una tubería atrapada o pescando.Al insertar la carga de tensión o torsión en la siguiente ecuación, la máxima torsión o carga detensión, respectivamente, que pueden ser aplicadas simultáneamente, pueden ser calculadas.

Donde QT = Cedencia mínima de torsión bajo tensión, lb.-piesJ = momento polar de inercia

= (/32) (OD4 – ID4) para tuberíaOD = diámetro exterior, pulg.ID = diámetro interior, pulg.Ym = unidad mínima de fuerza de cedencia, psiP = total de carga en tensión, lbs

A = área de sección cruzada= (/4) (OD2 – ID2)

EjemploCual es la máxima tensión que puede ser aplicada a una tubería atrapada bajo cargas detensión, como sigue:3½” OD 13.3 lb. /pies tubería de perforación Grado E (nueva)Carga de tensión 100,000 lbs

ID (de las tablas) = 2.764”Ym = 75,000 psiJ = (/32) (3.54 – 2.7644) = 9A = (/4) (3.52 – 2.7642) = 3.6209in2




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4.11.3 Capacidad de Carga de Tensión de la Junta Bajo la Torsión deConexión AplicadaLa torsión de conexión no deberá exceder el valor recomendado, a menos que el impacto delexceso de torsión en la capacidad de tensión de la sarta, sea considerado primero.

La capacidad de tensión de los tubos es normalmente, significativamente mas bajo que lacapacidad de tensión de las juntas, debido a esto es comúnmente asumido que la capacidad detensión de la sarta es limitada por el tubo.El incremento en la tensión de conexión, coloca esfuerzo en el cuello del piñón, lo cual es aditivopara la carga de tensión en la sarta, en cada junta. De esta forma, se llegara a un punto en elcual el cuello del piñón se convertirá en la parte más débil de la sarta.

Para una junta en particular, es posible construir una curva de carga combinada para junta,similar a la mostrada en la Figura 4. Los puntos P1, T1, T2, T3 y, pueden todos ser derivados deecuaciones en API RP7G Anexo A.8.3.

Curva de Carga Combinada para Junta

Utilizando estas curvas es posible determinar el efecto, incrementando la torsión de conexión enla capacidad de tensión permitida de la junta. Es entonces necesario determinar si la junta o eltubo de la tubería de perforación serán entonces, la parte más débil de la sarta de perforación.

4.12 Fuerzas de Estabilidad y Pandeo de la Tubería de PerforaciónUsualmente, se establece circulación completa mientras que no se esta en el fondo, estopreviene cualquier incremento temporal de presión en la sarta de perforación. Sin embargo, si lacaída de presión en barrena se incrementa mientras esta en el fondo, la tubería de perforaciónpodría pandearse sobre el BHA (daños por fatiga), aun cuando el punto neutral este dentro delBHA. Esto ocurre porque la tubería de perforación no es capaz de estirarse para compensar por




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el incremento de presión interna. Sin embargo, cualquier pandeo que ocurra es puramentetemporal y se perderá una vez que se haya perforado suficiente agujero Nuevo, para permitir quela tubería se estire.

Dependerá de las condiciones del momento, si la tubería de perforación se pandea o no. Lascondiciones típicas incluirían:

Perforación a poca profundidad Tubería de perforación de paredes delgadas, en uso Grandes cambios en la caída de presión en barrena Alto WOB para peso disponible del BHA

La adherencia a la siguiente regla debería ayudar a evitar que esta situación ocurra:

Cada vez que ocurre un incremento en el gasto de bombeo mientras que la barrena estaen fondo, levante la sarta de perforación, hasta que un se note un aumento en el peso.Esto le permitirá que la sarta se estire y alivie la tendencia al pandeo.

4.13 Aplastamiento por la Acción de las CuñasLas cuñas ejercen una compresión de ahorcamiento en la tubería de perforación y la podríandeformar bajo ciertas condiciones. Una unidad de esfuerzo de tensión (St) de peso colgado,resultara en un esfuerzo de ahorcamiento (Sh), que es una función de muchos factores talescomo, longitud de las cuñas, coeficiente de fricción entre las juntas y el tazón, diámetro de latubería, etc. Las constantes de aplastamiento por cuñas (Sh/St) han sido calculadas paracondiciones variantes, en las que todas asumen un coeficiente de fricción entre las cuñas y eltazón de 0.08.

Constantes del Aplastamiento por Cuñas (Sh/St)Tamaño de Tubería

(pulg.)Longitud de Cuñas (ins)

12 162-3/8 1.25 1.1 82-7/8 1.31 1.223-1/2 1.39 1.28

4 1.45 1.324-1/2 1.52 1.37

5 1.59 1.425-1/2 1.66 1.47

6-5/8 1.82 1.59

Asumiendo que la tubería no ha quedado atrapada, la tensión máxima llevada por las cuñas,será la Carga de Trabajo (PW). Para asegurar que exista un margen suficiente para permitir elaplastamiento por cuñas, las siguientes condiciones deberán ser obedecidas:

Donde PW = Carga de Trabajo, lbsPA = Cargas máximas permitidas, lbs

Sh/St = Constante de aplastamiento por cuñas

Nota: Si la tubería esta atrapada y es necesario colocar las cuñas con tensión adicional,entonces el calculo anterior deberá incluir tensión extra de sarta.




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Si el margen de sobretensionamiento (MOP) es elegido para asegurar que siempre cumple conla relación siguiente, entonces siempre se suministrara para el efecto de aplastamiento porcuñas,

El anterior asume que las cuñas, elemento de cuñas y tazón están en buen estado y estánsiendo regularmente inspeccionadas.

4.14 Componentes SoldadosLos componentes soldados deberán ser evitados. La mayoría de los componentes sonrealizados de aceros de carbón relativamente altos que son tratados con calor para lograr laspropiedades requeridas. La soldadura altera permanentemente estas propiedades, y, a menosque se vuelvan a tratar con calor, el componente estar debilitado y resquebrajado.

5.0 DISENO PARA POZOS DE ALCANCE EXTENDIDO

5.1 Consideraciones Generales de DiseñoEn pozos de ángulo alto, los componentes tradicionales del BHA, son muchas veces eliminadosy es probable que el peso en barrena sea aplicado corriendo tubería de perforación encompresión y de peso normal (nunca es considerado en pozos verticales).

Para una profundidad medida dada, la carga de tensión superficial proveniente del colgado depeso, disminuirá al incrementar el ángulo de pozo, debido al incremento de soporte de pared. Sinembargo la torsión y arrastre incrementara a medida que se incremente el ángulo del agujero.Bajo estas circunstancias, el límite de carga será probablemente su capacidad de torsión.

En pozos verticales, las fuerzas de fricción son, ya sea ignoradas o tomadas en cuenta pormedio de la utilización de factores de diseño o margen de sobretensionamiento. Los pozosaltamente desviados necesitan tomar en cuenta las fuerzas de fricción. Por lo general esto esun proceso reiterativo y es más eficientemente emprendido utilizando técnicas de simulaciónpor computadora, como es representado en la Figura 5.




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La Figura 5 representa la mayoría de las consideraciones de diseño para pozos desviados, peroel aspecto más importante será la disponibilidad. Puede el pozo ser perforado el pozo con latubería que esta en el equipo de perforación seleccionado? Si es así, esta será inevitablemente,la opción más económica.

5.2 Estimando las Cargas de la Sarta de PerforaciónCalcular la torsión y arrastre a mano, es posible pero impractico, tomando en cuenta a grancantidad de cálculos requeridos. Una computadora puede completar las repeticiones, con másrapidez y eficiencia.

La mayoría de estos programas son basados en el modelo de Johancik, el cual analiza lascargas de tensión y de torsión de la sarta de perforación en secciones discretas y suma entonceslos resultados para el agujero entero.

5.3 Coeficiente de ArrastreLos programas de torsión y arrastre utilizan un coeficiente de fricción asumido, que esinicialmente basado en la experiencia en el área, utilizando el sistema propuesto de fluidos deperforación, cualquiera que sea. Una vez que la perforación comience, los programas puedenser calibrados contra las cargas reales, para refinar el modelo. Sin embargo las cargas de torsióny arrastre derivan, no solo de la fricción, pero también de los efectos tortuosos del agujero,aglomeramiento de recortes, hinchamiento de lutitas, atrapamiento diferencial, etc. El coeficientede fricción, será por lo tanto mas apropiadamente denominado, un coeficiente de arrastre. Este




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coeficiente variara, ya que ambos movimientos, el rotacional y el axial varían, y porque ladirección del movimiento, cambia también.

5.4 Angulo Critico de AgujeroA medida que se incrementa el ángulo del agujero, es menos probable que el BHA se deslicehacia abajo debido a su propio peso. En el punto en el que debe ser empujado para poderconseguir mas avance, el ángulo del pozo es denominado el ángulo critico.

Donde crit = ángulo criticof = Coeficiente de arrastre de pozo.

Esto se encuentra normalmente en el orden de 70-80 grados, dependiendo del coeficiente dearrastre como tal.

5.5 TorsiónLas juntas son mas débiles que los tubos cuando están bajo torsión y la capacidad de torsión deuna junta es tomada como su torsión de conexión. Si es probable que la torsión superficialpredicha, exceda la torsión de conexión, entonces la sarta estará limitada en su capacidad detorsión y las siguientes medidas deberán ser consideradas:

El diámetro y el peso de los componentes de la sarta de perforación en las secciones deángulo alto, deberán ser minimizados. Esto reduce la torsión operativa, pero deberá serbalanceado contra la necesidad de reducir las perdidas internas de presión y mantener laestabilidad de la tubería de perforación de peso normal. La torsión de conexión en la tubería de perforación existente, puede ser incrementada,mientras que la junta no este sobretensionada y la capacidad de tensión del cuello del piñón, nosea reducida por debajo de lo requerido por la operación. La tubería de perforación en el equipo de perforación, podría ser cambiada por una tubería conjuntas de mayor capacidad de torsión.

Esta podría ser una tubería con juntas de tamaño estándar, que tienen OD’s mas altos y ID’smas pequeños, si el modelo hidráulico así lo permite. La torsión operativa puede ser reducida por medio de la selección del lodo, aditivos del lodo o através del uso del equipo de reducción de tensión, por ejemplo, substitutos de reducción detorque.

5.6 Juntas No-EstándarJuntas nuevas y premium, son diseñadas para ser aproximadamente el 80% tan fuertes entorsión, como los tubos a los cuales están soldadas. Las juntas no-estándar existen por variasrazones, haciendo esencial que todas las juntas sean medidas para confirmar las dimensionescomo tales. Las juntas no-estándar son aceptables, pero tendrán valores diferentes de torsión deconexión.

5.7 Factores que Afectan la Capacidad de TorsiónTodas las juntas de API, son hechas de un material que tiene una fuerza de Cedencia mínima de120,000 psi. La capacidad de torsión de la junta, es solamente determinada por el tipode conexión, ID del piñón y el OD de la caja. El siguiente tabulador ilustra el impacto delas dimensiones de la junta para una tubería de perforación de 5” 19.5ppf, grado S, junto conlas torsiones de conexión, asumiendo grasa de rosca estándar (factor de fricción = 1.0).

Propiedades de Juntas Nuevas de Tamaño Estándar en una Tubería de Perforación de 5” 19.5ppf

Grado ID (ins) OD (ins) Torsión de Conexión(pies-lb.)




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E 3- ¾” 6 5/8 22,840X 3 ½” 6 5/8 27,080G 3 ¼” 6 5/8 31,020S 2 3/4 6 5/8 38,040

5.8 Fatiga en Pozos ERDLa causa principal de la fatiga en pozos de ángulo alto:

1. Pandeamiento de la tubería de perforación2. Encombamiento de la lastra barrena

Prevenir el pandeo mientras se rota tubería de perforación de peso normal y percusores deperforación operando bajo compresión mecánica, puede ser una preocupación. Debido al ánguloalto, es muchas veces necesario aplicar peso en barrena por medio de ambos, con y a través deuna tubería de perforación de peso normal en compresión mecánica. Mientras que no ocurrapandeamiento, los daños por fatiga deben ser evitados. Cuando se desliza pero no se rota,cualquier pandeo que ocurra, no debería producir daños por fatiga. Sin embargo y una vez que larotación ha sido aplicada, la fatiga a través del pandeo, se convierte en un problema.

El encombamiento de las lastra barrenas se relaciona a la tendencia de emcombamiento del ladobajo del BHA y su esfuerzo cíclico acompañante.

5.8.1 Pandeo de la Tubería de PerforaciónEl pandeamiento de la tubería de perforación mientras se rota puede causar una Rápida falla porfatiga. En pozos de ángulo alto, es necesario correr la tubería de perforación en compresiónmecánica, para poder colocar peso en barrena. Sin embargo y si la magnitud de la compresiónmecánica no exceda la carga critica de pandeo, entonces la tubería sufrirá poco daño.

La compresión mecánica máxima en una sarta vertical, debe mantenerse bajo carga crítica depandeo, para asegurar que no ocurran daños por fatiga.

En un pozo desviado, la carga crítica de pandeo será más alta que para una sección vertical,debido al soporte provisto por el pozo inclinado como tal. El factor limitante será la carga depandeo en las secciones verticales, medida como se indico anteriormente. El problema esdeterminar en donde y a cual peso en barrena, comenzara el pandeo. Si el peso en barrenarequerido para que ocurra el pandeamiento puede ser determinado, entonces, y asumiendo queel pozo puede ser perforado con un peso menor en barrena, el riesgo de pandeo puede serdisminuido.

Los puntos de inicio del pandeo son:1. La junta más baja en una sección tangencial2. En la sección recta del agujero, inmediatamente en o encima del punto de desviación.3. Sobre toda la longitud de la sección tangencial (iniciada justo debajo de la sección tangencial).

6.0 FATIGA La fatiga es el daño estructural permanente progresivo localizado, que ocurre cuando unmaterial esta sujeto a ciclos repetidos de esfuerzo. El daño por fatiga se acumula en los puntos de alto esfuerzo y como último se forma unaruptura por fatiga. Esto puede crecer bajo cargas cíclicas continuas, hasta que la falla ocurre. Para un material dado, la severidad del ataque de fatiga es mayor a un esfuerzo cíclico demayor amplitud y a un esfuerzo de tensión mayor al promedio.




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La falla ocurrirá en puntos de esfuerzo alto de cualquier componente y por lo tanto las fallas,casi siempre estarán cerca de algún concentrador de esfuerzos, tales como, muescas, presas,cambios de sección o raíces de roscas.

6.1 Fuentes de Fatiga-Inducción de Esfuerzos Cíclicos Rotar la sarta mientras parte de ella esta flexionada o pandeada. Vibración

6.2 MitigaciónAcciones que minimizaran la aparición de esfuerzos cíclicos dañinos. Configure los ensambles de fondo y limite el peso en barrena, para que la rotación y el pandeosimultáneos, no ocurran en tuberías de perforación de peso normal o en percusores deperforación Seleccione productos y componentes y configure las secciones de la sarta con transicionesgeométricas suaves (los cambios drásticos de sección, magnifican el esfuerzo y aceleran lafatiga). Reduzca el grado de flexión de la tubería de perforación (patas de perro) y el grado de flexión ypandeo del BHA al nivel más bajo, consistente con otros objetivos. Monitoree y reduzca la vibración.

6.3 Velocidades Rotarias CríticasA ciertas velocidades, definidas como criticas, la tubería de perforación, experimenta vibracionesque pueden causar desgaste y deformaciones al cuerpo de la tubería y conllevar a falla debido afatiga del metal.

Las velocidades críticas dependen de la longitud y tamaño de la tubería de perforación, lastrabarrenas y tamaño del agujero. Un indicador de advertencia de que la sarta de perforaciónpodría estar trabajando dentro del rango crítico de velocidad, es alta tensión y la eventualvibración en la mesa rotaria.

Para extender la vida del equipo de perforación, el RPM debe ser seleccionado y monitoreadopara así evitar velocidades rotarias criticas durante la perforación. Substitutos de Vibración deFondo (MWD o técnicas de medición superficiales de vibración de la sarta de perforación,pueden ser utilizadas.

6.4 Corrosión en Fluido Base AguaEn fluidos de perforación con base agua, la reacción de corrosión metálica, típicamente sucededebido a tres agentes corrosivos: gases sulfuro de hidrogeno, oxigeno y dióxido de carbono)sales disueltas (cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de calcio, etc.) y ácidos (acidocarbónico, acido fórmico y acido acético).

Para limitar la corrosión en fluidos de perforación con base agua, se deberán seguir lassiguientes directrices: Si la contaminación por H2S no es anticipada, mantenga el pH del fluido de perforación en 9.5o más. Esto minimizara la corrosión general y la corrosión en las presas, que ocurre debido a lapresencia del oxigeno disuelto. Si la contaminación por H2S es anticipada, mantenga el pH del fluido de perforación en 11 omás, por medio de adiciones de cáustico o cal. Si el H2S es detectado, se deberá utilizar desecho.

Si el sistema de fluido de perforación requiere que un pH bajo sea mantenido, trate el lodo conun desecho adecuado y/o con un inhibidor de corrosión. Las concentraciones deberán serespecificadas únicamente después de realizar una prueba piloto ya que el sobretratamientopodría incrementar el gasto de corrosión.




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Si el fluido de perforación se airea, opera el Desgasador hasta que la condición se disipe. Encaso de ser posible, premezcle los aditivos en un tanque de mezcla, para adicionar al sistemaactivo, esto disminuirá que el aire arrastrado entre al sistema de bombeo de lodoy consecuentemente la sarta de perforación. Utilice anillos de corrosión para el monitoreo.

6.5 Practicas de Operación de la Sarta de PerforaciónLas DP’s, HWDP’s y las DC’s son una parte importante del costo del equipo de perforación, perola consecuencia de una falla en el fondo puede ser aun mayor.

Se debe tener cuidado durante el manipuleo de estas tuberías, especialmente en las juntas, elcual es por lo general el “punto más débil”.

6.5.1 Recomendaciones para el Manejo de Tubería NuevaEl periodo de entrada de la vida de una junta, es la parte mas critica, ya que superficies nuevasmanejadas con maquina son las mas probables a sufrir embotamiento. Después de algúnservicio, la superficie sufre algunos cambios que las hacen más resistentes al embotamiento.

Como consecuencia, las primeras veces que las juntas sean utilizadas, lo siguiente deberá serconsiderado:1. Asegúrese de que el equipo de manipuleo en superficie esta en buenas condiciones. Reviselas cuñas y el buje maestro para prevenir daños. Revise que la llave doble automática/dadosestén en buenas condiciones.2. Asegúrese que el “top drive saver sub” este en buena condición, ya que este quedaraemparejado con la mayoría de las juntas.3. Utilice protectores de rosca cuando levante tuberías.4. Limpie completamente las roscas del piñón y la caja para remover toda la grasa, sucio, oxido,cobertura preventiva u otro material extraño.5. Inspeccione en busca de cualquier daño en las roscas y para manejar daños en roscas yhombros, tales como, raspaduras, excavaciones, y sitios aplanados.6. Cubra completamente el hombro y las roscas en la caja y el piñón, utilizando un compendiorecomendado para juntas.7. Rote las nuevas juntas hacia adentro “Despacio”. La rotación a altas velocidades puedecausar embotamiento. Conecte las juntas con la torsión recomendada.8. Desconecte las conexiones. Limpie e inspecciones en busca de daños, repare los dañosmenores, de ser posible.9. Vuelva a engrasar y reconecte, a la torsión recomendada.

6.5.2 Recomendaciones Generales Los componentes de la sarta de perforación deberán estar equipados con protectores de roscacuando no están en uso o cuando se les levanta o acuesta. Asegúrese de que las roscas de las juntas están limpias y secas antes de engrasarlas. Utilice el lubricador para juntas, especificado. No utilice lubricantes de tubería de producción ode tubería de revestimiento, ya que son demasiado aceitosas y pueden resultar en piñonesestirados o rotos. Después de la entrada, es recomendable engrasar efusivamente las roscas dela caja y el hombro, solamente. El niple elevador de piñones deberá ser limpiado, inspeccionado y lubricando en cada viaje.En caso de que el daño de estos piñones pase desapercibido, podrían eventualmente dañartodas las cajas de las lastra barrenas. Es una practica recomendada partir una junta diferente en cada viaje, dándole la oportunidad ala cuadrilla de mirar cada piñón y caja, en cada tercer viaje. Esto asegura que las conexionesestán adecuadamente engrasadas, en todo momento. Inspeccione los hombros en señal deconexiones flojas, embotamientos y posibles deslaves.




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No permita que la punta del piñón se clave contra el hombro de la caja. Esto puede produciruna hendidura en el hombro, que resultara en un deslave. No detenga el movimiento de la sarta de perforación hacia abajo, con cuñas. Esto puedecausar rotura o “cuelleo” del tubo de la tubería de perforación. El permitir que las cuñasnaveguen la tubería en los viajes hacia afuera del agujero, también puede dañar la tubería. El atrapamiento accidental de juntas con cuñas, dañará permanentemente las cuñas. Estopodría producir la caída de las cuñas o daños a la tubería. En caso de que un accidente asíocurra, las cuñas deben ser inspeccionadas, buscando deformaciones, roturas o rupturas. Asegúrese que las áreas de parado de tubería están limpias y que la Madera esta en Buenacondición. Utilice solamente herramientas diseñadas para mover juntas en el parador de tubería.Las herramientas de bordes afilados pueden causar daños en el hombro, lo cual conllevara adeslaves. Lave los componentes de la sarta de perforación cuando los coloque en descanso. Asegúreseque los protectores de las roscas están instalados. Inspeccione los componentes de la sarta de perforación en intervalos regulares, por ejemplo, alfinal de cada pozo, en intervalos de seis meses o como este especificado en el contrato de laoperadora. La inspección se deberá llevar a cabo según el estándar de API RP7G o DS Hill.

ANEXO 1Calculo de BSREl BSR es calculado utilizando la siguiente ecuación:

Donde BSR = Proporción de la Fuerza de FlexiónZb = Modulo de la Sección de la Caja (pulg3)Zp = Modulo de la Sección del piñón (pulg3)D = diámetro Exterior de la Caja (in)D = Diámetro Interior del piñón (in)b = diámetro de la raíz de las cuerdas de la caja al final del piñón

(pulg.)R = diámetro de la raíz de las cuerdas del piñón ¾” del hombro del

piñón (pulg.)

Donde C = diámetro de paso (pulg.)tpr = machuelo (pulgadas por pie en diámetro)Lpc = longitud del piñón (pulg.)

Donde H = altura de la cuerda no truncada (pulg.)frn = machuelo (pulgadas por pie en diámetro)




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Todas las variables en las ecuaciones anteriores son específicas para los diferentes tipos deconexiones y están disponibles en varias tablas en API 7, el Manual de Perforación de la IADC ocatálogos de fabricantes. Detalles de conexiones comunes API y conexiones regulares, semuestran en el Anexo 2.

Caculo de Torsión de Conexión de un TramoLa torsión recomendada de conexión, es calculada utilizando la siguiente ecuación:

Donde T = torsión de conexión (pies lb.)S = nivel deseado de esfuerzo de conexión (vea la siguiente tabla)

Tipo de Conexión Esfuerzo Deseado(psi)

Juntas usadas de DP 72,000Juntas nuevas de DP 60,000PAC DC 87,500H90 DC 56,200Otras DC 62,500

A = la mas pequeña de las áreas seccionales cruzadas ¾” desde el hombro del piñón o 3/8”desde el hombro de la caja

P = llaves de rosca (pulg.)Rt = promedio del radio de la rosca (pulg.)




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f = coeficiente de fricción (asuma 0.08)è = ½ ángulo de roscaRs = radio promedio del hombro (pulg.)

Todas las variables en las ecuaciones anteriores son específicas para los diferentes tipos deconexiones y están disponibles en varias tablas en API 7, el Manual de Perforación de la IADC ocatálogos de fabricantes




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2.- diseño de la sarta de perforación_2

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