clase de diseo de revestidores (1)

Diseño de Revestidores y Tubería de Producción

Perforación Avanzada Ing. Wilmer Mogollón

Establecer una metodología de diseño uniforme.

Definir las cargascargas a considerar en el diseño de revestidores y tuberías de producción.

Definir los factores de diseñofactores de diseño mínimos que deben cumplir los revestidores y las tuberías de producción.

Diseño: SEGURO, ECONÓMICO y FACTIBLEDiseño: SEGURO, ECONÓMICO y FACTIBLE

OObjetivos


1.- Definición y funciones de la tubería de revestimiento y producción

2.- Procedimiento de diseño2.1.- Selección de profundidades de asentamiento2.2.- Selección de diámetros2.3.- Determinación de espesores y grados

2.3.1.-Métodos convencional de diseño y de cargas de servicio

2.3.2.- Materiales2.3.3.-Selección de

conexiones2.3.4. Cargas que actúan

en la sarta, ecuaciones

3.- Consideraciones especiales3.1.- Pandeo3.2.- Temperaturas3.3.- Desgaste

Programa


Definición y funciones de la

tubería de revestimiento y

producción


Tubería de revestimiento:Tubería de revestimiento:La que se utiliza para

recubrir las paredes del pozo con el propósito general de protegerlo.

Definiciones generales

En general, se pueden hacer las siguientes definiciones:

•Tubería de producción:Tubería de producción:

– Aquella por donde circulará el fluido


Revestidor/Camisa/Tieback Revestidor/Camisa/Tieback “de producción”:“de producción”:La que está (o puede estar)

en contacto directo con el fluido.

Camisa (liner):Camisa (liner):Tubería que no llega hasta

la superficie sino que está colgada de otra.

Tieback:Tieback:Tubería que va desde una

camisa hasta la superficie.



Conductor

Revestidor superficial

Revestidor Intermedio

Tieback de producción

Tubería de producción Camisa de producción



• Reduce al mínimo la pérdida de

circulación a poca profundidad

• Conducto por donde el lodo regresa a la

superficie al comienzo de la

perforación

• Minimiza la erosión de sedimentos

superficiales debajo del taladro

• Protege de la erosión las tuberías de

revestimiento subsiguientes

• Sirve de soporte para el sistema

desviador en caso de afluencia

inesperada a poca profundidad.

• ConductorConductor (Puede referirse también la primera

tubería de revestimiento)::



• Soporta el resto de los revestidores

• Protege de la corrosión cualquier tramo de tubería de revestimiento subsiguiente

• Previene los derrumbes de los sedimentos no consolidados, más debilitados, que se hallan próximos a la superficie

• Protege de la contaminación las arenas someras que contienen agua dulce

• Proporciona resistencia a las arremetidas para poder perforar a mayor profundidad

• Sirve de apoyo primario para los impiderreventones

•Tubería de superficie:Tubería de superficie:



• Permite utilizar grandes pesos de lodo sin dañar las formaciones superficiales

• Controla las zonas de sal y las lutitas desmoronables de fácil desprendimiento.

• Revestidor intermedio, camisas y Revestidor intermedio, camisas y tiebacks de perforación:tiebacks de perforación:

• Protege el ambiente en caso de una falla de tubería• Permite cambiar o reparar la tubería de producción• Aísla la zona productora de las demás formaciones• Crea un conducto de paso de dimensiones

conocidas

• Revestidor de producción, camisas y Revestidor de producción, camisas y tiebacks de producción:tiebacks de producción:



• Constituye el conducto

por donde fluye el fluido

en la fase de producción

• Sirve para controlar la

presión del yacimiento

• Permite estimular el

yacimiento

• Tubería de producción:Tubería de producción:



Procedimiento GeneralProcedimiento Generalde Diseñode Diseño


Procedimiento de diseño

Para diseñar eficientemente una sarta de revestimiento, así como la tubería de producción óptima, hay que conocer una serie de datos del yacimiento, como por ejemplo:

Las presiones de poro y de fractura hasta la profundidad final del mismo,

La distribución de temperaturas, Las funciones del pozo, actuales y futuras, Caudal de fluido esperado.


Una vez en disponibilidad de los datos antes mencionados se procede a:

Seleccionar las profundidades de asentamiento.Escoger los diámetros de los distintos

revestidores.Determinar los tipos de material, espesores y

conexiones de las sartas.


Procedimiento de diseño

Selección de la profundidad Selección de la profundidad de asentamientode asentamiento


Selección de prof. de asentamiento

Pro

fund

idad

Gradiente de presión, peso equivalente de lodo

Gradiente defractura

Gradiente depresión de poro

0

Prof. final

Para ésto, se requiere del gráfico de gradiente de Para ésto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidadpresiones vs. profundidad


Presiones vs. profundidad ó Presiones vs. profundidad ó Gradiente de presiones vs. profundidadGradiente de presiones vs. profundidad

Profundidad

Presión

p

prof

Gradientede presión

pprof=

Profundidad


Profundidad

Presión Gradientede presión

Profundidad

Zona depresiónnormal

Zona depresiónanormal




Pro

fund

idad

Gradiente de presión, peso equivalente de lodo

Gradiente defractura

Gradiente frac.menos margen de arremetida

Gradiente depresión de poro

Grad. PP mássobrebalance

0

Prof. final

Para esto, se requiere del gráfico de gradiente de Para esto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidadpresiones vs. profundidad

Sobrebalance: 0,5 lpgMargen de arremetida: 0,5 lpgMargen de seguridad: 0,5 lpg


Gráfico de gradiente de presiones vs. profundidadGráfico de gradiente de presiones vs. profundidad

Peso de lodo necesario para controlar el pozo a la profundidad requerida

Pro

fun

did

ad

Peso equivalente de lodo

0

Prof. final

Profundidad mínima a la que la formación puede ver ese peso de lodo sin que ocurra fractura


Hay que proteger toda la formación por encima

RevestidorRevestidor


Selección de prof. de asentamientoP

rofu

nd

idad


Intermedio

Superficial

Rev. de producción

Camisa

Así, por ejemplo, se obtiene:Así, por ejemplo, se obtiene:



• Adicionalmente se tiene que verificar:

- Riesgo de pega por presión diferencial- Resistencia de la formación contra

arremetidas



Riesgo de pega por presión diferencialAl ser mayor la presión ejercida por el lodo que la ejercida por la formación, hay el riesgo de que la tubería “se pegue” a la pared del hoyo.

Para prevenir ésto, se trata de que la diferencia entre ambas presiones:

P = 0,052 * (Plodo - Pporo) * D

sea menor a 2.000 psi

D

Plodo

Pporo


Selección de prof. de asentamientoP

rofu

nd

idad


Visto en el diagrama:Las máximas diferencias entre el peso de lodo y la presión de poro no deben superar el límite establecido{

!Perforación Avanzada Ing. Wilmer Mogollón


Revestidor superficial

Verifica que el revestidor superficial se encuentre a una profundidad lo suficientemente grande como para evitar que una arremetida de gas salga por debajo de éste

• Resistencia de la formación contra arremetidas

Lodo

Lodo

GasHoyo abierto



• Resistencia de la formación contra arremetidas

La presión que ejerce la arremetida, como función de la profundidad, se calcula con la siguiente fórmula:

Parre = (Profhoyo/Profcalc) * M + Plodo

Para determinar la profundidad correcta del revestidor superficial se tantea con Profcalc hasta que la presión de arremetida Parre sea menor que la presión de fractura.

M = 0,5 lpg, incremento del peso del lodo en la arremetida



Ejemplo: 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

9 11 13 15 17 19

Gradiente de presión (lb/gal)Pr

ofun

dida

d (p

ies)

Gradientede fractura

Gradientede presiónde poro

Determine las profundidades de asentamiento para el pozo cuyas gradientes se muestran en la figura



Solución:

Considerando los márgenes de 1 lpg, las profundidades de asentamiento resultaron:Revest. producción: 12.000’Revest. intermedio: 10.000’Revest. superficial: 3.200’

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

9 11 13 15 17 19

Gradiente de presión (lb/gal)

Pro

fun

did

ad

(p

ies)

Gradientede fractura - MS


de poro + MS



Solución:0

2000

4000

6000

8000

10000

120009 11 13 15 17 19


Pro

fun

did

ad (

pie

s)

Verificando la posibilidad de pega diferencial del revestidor superficial a 3.200 pies:

P = 0,052 * (MW - PP) * D =

P = 0,052 * (10,0 - 9,0) * 3.200 = 166 psi < 2.000 No habrá problemas

Repitiendo la operación para el revestidor intermedio a 10.000 pies:

P = 0,052 * (MW - PP) * D =

P = 0,052 * (13,0 - 9,0) * 8.000 = 1.664 psi < 2.000 Tampoco habrá problemas

Y para el revestidor de producción a 12.000 pies:

P = 0,052 * (MW - PP) * D =

P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000 Puede haber problemas



Solución:

P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000

Este último resultado significa que no se puede usar un lodo de 16,2 lpg porque a la profundidad de 10.000’ se pegaría la tubería.

0

2000

4000

6000

8000

10000

120009 11 13 15 17 19


Pro

fun

did

ad (

pie

s)

La decisión se centraría en utilizar un lodo más liviano. ¿Cual sería el lodo más liviano que se puede usar?:

0,052 * (MW -12,0 ) * 10.000 pies = 2.000 psi

MW = 2.000/(0,052*10.000) + 12,0 =15,8 lpg


Selección de los diámetros Selección de los diámetros de los distintos revestidoresde los distintos revestidores


Rev. de producción

Superficial

Intermedio

Camisa

Selección del Diámetro

La selección del diámetro se hace principalmente en función de que cada revestidor pueda contener al siguiente. El último, es decir, la tubería de producción debe tener suficiente diámetro para conducir el fluído del pozo hasta la superficie.

Tub. de producción


Superficial

Intermedio

Camisa


Así pues, se escoge primero la tubería de producción y luego, sucesivamente los demás revestidores.

Un segundo criterio de selección es la consideración de dejar suficiente espacio para herramientas o para bajar un revestidor intermedio, debido a algún problema imprevisto. Rev. Intermedio

(no previsto en el diseño)


4

4 3/4

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 5/8

14 3/4

16

4 1/2

5 7/8

7

8 1/2

9 5/8

12 1/4

13 3/8

17 1/2

20

5

6 1/8

7 5/87 3/4

8 3/4

10 3/4

14 3/4

16

20

24

5 1/2

6 1/2

8 5/8

9 1/2

17 1/2

20

26

30

7 7/8

9 5/8

10 5/8 12 1/4

11 3/411 7/8

13 3/814

11 3/411 7/8

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Este árbol muestra los diámetros más usuales de hoyos y revestidores.

Las líneas contínuas representan las selecciones más usuales.




EjemploEjemplo

Utilizando los datos del problema anterior, seleccione los diámetros adecuados para el pozo, si la tubería de producción será de 3 1/2”.


NOTA: TENIENDO UN MARGEN DE SEGURIDAD PARA CUALQUIER EQUIPO QUE SE NECESITE INTRODUCIR AL HOYO Y DE IGUAL FORMA TENER ESPACIO PARA ASENTAR DE FORMA EFICIENTE LAS EMPACADURAS.

4

4 3/4

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 5/8

14 3/4

16

4 1/2

5 7/8

7

8 1/2

9 5/8

12 1/4

13 3/8

17 1/2

20

5

6 1/8

7 5/87 3/4

8 3/4

10 3/4

14 3/4

16

20

24

5 1/2

6 1/2

8 5/8

9 1/2

17 1/2

20

26

30

7 7/8

9 5/8

10 5/8 12 1/4

11 3/411 7/8

13 3/814

11 3/411 7/8

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

12.000’

10.000’

4.000’ Superficial

Rev.de Producción

Camisa deProducción

Del ejemplo anterior:

Conductor320’


4

4 3/4

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 5/8

14 3/4

16

4 1/2

5 7/8

7

8 1/2

9 5/8

12 1/4

13 3/8

17 1/2

20

5

6 1/8

7 5/87 3/4

8 3/4

10 3/4

14 3/4

16

20

24

5 1/2

6 1/2

8 5/8

9 1/2

17 1/2

20

26

30

7 7/8

9 5/8

10 5/8 12 1/4

11 3/411 7/8

13 3/814

11 3/411 7/8

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

12.000’

10.000’

4.000’ Superficial

Producción

Producción

Resultado:

5 5 1/21/2””

9 9 5/85/8””

13 13 3/83/8””

Conductor320’20”20”


Determinación de Determinación de espesores y gradosespesores y grados


Una vez que se sabe la longitud y los diámetros que tendrán los diferentes revestidores y tuberías, se procederá a determinar el espesor de los tubos y el material de que estarán hechos.

Para ello se necesitan saber las cargas a que estarán sometidos estos elementos:

Espesores y grados

Casos de cargaCasos de cargaCasos de cargaCasos de carga


Se denomina Casos de CargaCasos de Carga a aquellas condiciones a las que se supone se verá sometido la tubería a lo largo de su vida de servicio, por ejemploPrueba de presiónArremetida de gasFuga de gas en la tubería de producciónEtc.

Casos de carga


PDVSA ha definido, para cada tipo de revestidor y para la tubería de producción unos Casos de CargaCasos de Carga para los cuales se tiene que verificar la capacidad de resistencia de la tubería.

Casos de carga


Conductor:Conductor:Prueba de presión.1/3 de vacío.

Tubería de superficie, revestidores, Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios:camisas y tiebacks intermedios:

Prueba de presión.1/3 de vacío. Arremetida de gas.Perforación.

Casos de carga


Revestidores, camisas y tiebacks de Revestidores, camisas y tiebacks de producciónproducción:

Vacío total.Fuga de la tubería de producción cerca de la

superficie con temperatura estática.Fuga de la tubería de producción cerca de la

superficie en caliente.Estimulación a través de la tubería de producción. Tratamiento de fractura del revestidor.

Casos de carga


Tubería de producción:Tubería de producción:

Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática.

Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática, en caliente.

Vacío completo, con temperatura estática.

Vacío completo, en caliente.

Después del cañoneo.

Estimulación a través de la tubería de producción.

Casos de carga


Pint

Profundidad

Presión/Temperatura

Pext

Presión interna:Gradiente de Fracturade Seguridad x Prof.

Casos de carga

• ConductorConductor, Prueba de presión.-

Temperatura estática

.

Presión externa:Presión natural deporo


PT/ 3

Lodo

Profundidad

Presión externa:Peso del lodo utilizado albajar la última sarta ó presión de poro

Profundidadtotal

Vacío

Casos de carga

• ConductorConductor, 1/3 de vacío.-



Presión interna:Peso del lodo actual


Casos de carga• EjemploEjemplo,, determinar los perfiles de presiones internas, externas y determinar los perfiles de presiones internas, externas y

temperatura (Casos de carga) del conductor del ejemplo anterior:temperatura (Casos de carga) del conductor del ejemplo anterior:

Superficial, 4.000’

Producción, 10.000’

Camisa de Producción, 12.000’

Conductor, 320’


.

Profundidad




Casos de carga• EjemploEjemplo, Prueba de presión.-


320’

0’

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

9 11 13 15 17 19


Prof

undi

dad

(pie

s)


Gradientede presiónde poro

Presión externa:Hasta 320’ es igual a la presión natural de 8,5 lpg:@ 0’ = 0 psi@ 320’ = 0,052 * 320 * 8,5

= 141 psi


.

Profundidad




Casos de carga• EjemploEjemplo, Prueba de presión.-


Presión interna:

@ 320’ = 0,052 * 320 * (11,2 + 0,2) = 190 psi

@ 0’ = @PT - columna de lodo@ 0’ = 190 - (0,052 * 320 * 10,0) = 23 psi

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

9 11 13 15 17 19


Prof

undi

dad

(pie

s)


Gradientede presiónde poro Grad. Fract.


.

Profundidad




Casos de carga

• EjemploEjemplo, Prueba de presión.-


Temperatura estática:Si no se tienen medidas reales, se puede utilizar un gradiente de 0,8 °F/100 pie

@ 0’ = 80° F

@ 320’ = 80 + (0,8 * 320/100) = 83 °F


.

Profundidad


Presiónexterna:

Presión interna:

Casos de carga

• EjemploEjemplo, Prueba de presión.-

Temperatura

320’

0’ 23 psi

190 psi

0 psi

141 psi

80 °F

83 °F


Una vez determinados los casos de carga hay que analizar cómo se van a emplear:

Espesores y grados

MétodoMétodoCONVENCIONALCONVENCIONAL


Método de laMétodo de laVIDA DE SERVICIOVIDA DE SERVICIO



Determina cuál caso de carga genera mayor diferencial de presión (dint > dext) y verifica la resistencia al estallido.

Determina el caso de carga que genere mayor presión externa y vacío interno y verifica la resistencia al colapso.

Verifica la resistencia a la tracción versus el peso sumergido de la sarta

Considera un caso de carga base: revestidor colocado y cementado y le superpone los diferentes casos de carga:

Caso base + Caso de carga 1Caso base + caso de carga 2Caso base + caso de carga...

Para cada uno de estos cálculos se compara el resultado con la resistencia de la tubería. Además se calcula el esfuerzo equivalente (Von Mises) y se compara con la resistencia a la fluencia del material.

Espesores y grados




Continuación...NO CONSIDERA

• Cementación (parcialmente)• Pandeo• Efectos de la temperatura• Esfuerzos debidos a la

flexión• Variaciones del área

transversal de la tuberíaEs conservador para pozos

somerosInsuficiente para pozos profundosEs posible realizar los cálculos a

mano

Continuación...SI CONSIDERA

• Cementación• Pandeo• Efectos de la temperatura• Esfuerzos debidos a la

flexión• Variaciones del área

transversal de la tubería

En general se necesita de una computadora para realizar los cálculos

Espesores y grados




Analizados los casos de carga, se deben comparar los resultados con la resistencia del material a:ColapsoCedencia interna (estallido)TracciónCompresiónEsfuerzos de Von Mises

Espesores y grados


Evidentemente, la Resistencia de la tubería (y de la conexión) debe ser mayor que la carga.

Cuánto mayor lo determina el:

Espesores y grados

Factor de DiseñoFactor de Diseño

Factor de Diseño Resistencia del M aterialCarga aplicada


Factores de Diseño

COLAPSO CEDENCIAINTERNA

TENSIÓN COMPRE-SIÓN

VME

CONDUCTOR 1,0 -- -- -- --SUPERFICIAL 1,0 1,1 1,6 1,3 1,25INTERMEDIO 1,0 1,1 1,6 1,3 1,25PRODUCCIÓN 1,1 1,1 1,6 1,3 1,25TUBERÍA DE

PRODUCCIÓN1,1 1,1 1,6 1,3 1,25

Factor de Diseño Resistencia del MaterialCarga aplicada

Factores de DiseñoFactores de Diseño mínimos según PDVSA

Factores de Diseño

Nótese que el Factor de DiseñoFactor de Diseño se parece mucho al Factor de SeguridadFactor de Seguridad. Sin embargo, el primero se relaciona con la resistencia teórica o asumida del tubular, mientras que el segundo se relaciona con la resistencia real.

Factor de Diseño Resistencia asumida del MaterialCarga aplicada

Factor de Seguridad Resistencia real del MaterialCarga aplicada

!!!!Perforación Avanzada Ing. Wilmer Mogollón

Antes de proceder a determinar los esfuerzosesfuerzos que producen los diferentes casos de carga sobre las tuberías, es preciso conocer las características de los materialesmateriales de que están hechas éstas.

Espesores y grados


MaterialesMaterialesMaterialesMateriales


• Para los efectos de diseñodiseño y en cierto grado para su clasificaciónclasificación las tuberías se identifican en base a su:

– Diámetro externo– Peso (espesor)– Grado (resistencia del material)– Tipo de conexión

Materiales


Así, por ejemplo, una tubería típica se identifica como:

9 5/8” 47 lb/pie P-110 BTC9 5/8” 47 lb/pie P-110 BTC

Diámetro externo

Peso unitario, que corresponde a un espesor de pared de 0,472”

Material con una resistencia a la fluencia mínima de 110.000 psi

Rosca Buttress

Materiales


El diámetro es referido siempre al externo y tiene una holgura de (-0,5% + 1,0%)(-0,5% + 1,0%) para los tubos mayores o iguales a 4 1/2”, y de (± 0,031%)(± 0,031%) para los tubos menores o igules a 4”.

Los valores de diámetro que se fabrican usualmente son:

• 13 1/2”

• 13 3/8”13 3/8”

• 11 7/8”

• 11 3/4”11 3/4”

• 10 3/4”10 3/4”

DiámetroDiámetro

• 20”20”

• 18 5/8”

• 16”

• 14”

• 13 5/8”13 5/8”

• 9 7/8”

• 9 3/4”

• 9 5/8”9 5/8”

• 8 3/4”

• 7 3/4”

• 7 5/8”7 5/8”

• 7”7”

• 6 5/8”

• 5 1/2”5 1/2”

• 5”5”

• 4 1/2”4 1/2”

• 4”

• 3 1/2”3 1/2”

• 2 7/8”2 7/8”

• 2 3/8”2 3/8”

De color rojo las de mayor uso en Venezuela.De color rojo las de mayor uso en Venezuela.

Materiales


El peso determina el espesor de la tubería y tiene una toleracia de -12,5% +0.

Eso indica que una tubería puede tener un espesor 12,5% menor que el valor nominal !!!.

PesoPeso

Materiales


El grado del material establece las propiedades mecánicas (resistencia a la fluencia y máxima, ductilidad y tenacidad) y la resistencia a la corrosión del producto.

GradoGrado

Materiales


Resistenciaa la fluencia

Resistenciamáxima

Mínima Máxima Mínima

Grado (psi) (psi) (psi)

H40 40.000 80.000 60.000J55 55.000 80.000 75.000K55 55.000 80.000 95.000N80 80.000 110.000 100.000L80 80.000 95.000 95.000C90 90.000 105.000 100.000C95 95.000 110.000 105.000T95 95.000 110.000 105.000P110 110.000 140.000 125.000Q125 125.000 150.000 135.000

Servicio Servicio AgrioAgrio

Resistencia a la fluencia y máximaResistencia a la fluencia y máximaMateriales


TenacidadTenacidad

E n e r g í a A b s o r b i d aL o n g i t u d i n a l T r a n s v e r s a l

G r a d o ( J ) ( J )H 4 0 - - - - - - - - - -J 5 5 2 7 2 0K 5 5 2 7 2 0N 8 0 5 5 4 0L 8 0 1 6 0 1 2 0C 9 0 1 6 0 1 2 0C 9 5 1 6 0 1 2 0T 9 5 1 6 0 1 2 0

P 1 1 0 8 0 6 0Q 1 2 5 8 0 6 0

Materiales


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Grupo

1. 2. 3. 4. 5.

Grado Tipo Carbón Manganeso Molibdeno Cromo Níquel Cobre Fósforo Azufre Siliciomin. máx. min. máx. min. máx. min. máx. máx. máx. máx. máx. máx.

1 H40 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 -----J55 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 -----K55 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 -----N80 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 -----

2 L80 1 ----- 0,431 ----- 1,90 ----- ----- ----- ----- 0,25 0,35 0,03 0,03 0,45L80 9Cr ----- 0,15 0,30 0,60 0,90 1,10 8,00 10,00 0,50 0,25 0,02 0,01 1,00L80 13Cr 0,15 0,22 0,25 1,00 ----- ----- 12,00 14,00 0,50 0,25 0,02 0,01 1,00C90 1 ----- 0,35 ----- 1,00 0,252 0,75 ----- 1,20 0,99 ----- 0,02 0,01 -----C90 2 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,03 0,01 -----C95 ----- ----- 0,453 ----- 1,90 ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 0,45T95 1 ----- 0,35 ----- 1,20 0,254 0,85 0,40 1,50 0,99 ----- 0,02 0,01 -----T95 2 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- ----- ----- 0,99 ----- 0,03 0,01 -----

3 P110 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,035 0,035 -----4 Q125 1 ----- 0,35 ----- 1,00 ----- 0,75 ----- 1,20 0,99 ----- 0,02 0,01 -----

Q125 2 ----- 0,35 ----- 1,00 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,02 0,02 -----Q125 3 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,03 0,01 -----Q125 4 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,03 0,02 -----

El contenido de Carbón para L80 se puede incrementar hasta 0,50% máx. si el producto es templado en aceite.El contenido de Molibdeno para C90, Tipo 1 no tiene tolerancia mínima si el espesor de pared es menor que 0,700 pulg.El contenido de Carbón para C95 se puede incrementar hasta 0,55% máx. si el producto es templado en aceite.El contenido de Molibdeno para T95, Tipo 1 se puede disminuir hasta 0,15% mínimo si el espesor de pared es menor que 0,700 pulg.El contenido de Fósforo es 0,020% máx. y el contenido de Azufre es 0,010 % para revestidores P110 con costura.

N.L.= No hay límite. Los elementos mostrados deben estar reportados en el análisis del producto.

Composición químicaComposición química

Aceros inoxidables

{

Materiales


Revenido

Temp., Mín.

Proceso de Tratamiento

Grado Tipo Fabricación Térmico ºF

Grupo 1 H40 ----- Sin o Con Costura Ninguno -----

J55 ----- Sin o Con Costura Ninguno -----

Nota 1

K55 ----- Sin o Con Costura Ninguno -----

Nota 1

N80 Sin o Con Costura Nota 1 -----

Grupo 2 L80 1 Sin o Con Costura Templado y Revenido 1050

L80 9 Cr Sin Costura Templado y Revenido* 1100

L80 13 Cr Sin Costura Templado y Revenido* 1100

C90 1 Sin Costura Templado y Revenido 1150

C90 2 Sin Costura Templado y Revenido 1150

C95 ----- Sin o Con Costura Templado y Revenido 1000

T95 1 Sin Costura Templado y Revenido 1200

T95 2 Sin Costura Templado y Revenido 1200

Grupo 3 P110 ----- Sin o Con Costuraº Templado y Revenido -----

Grupo 4 Q125 1 Sin o Con Costuraº Templado y Revenido -----

Q125 2 Sin o Con Costuraº Templado y Revenido -----



Nota 1: Normalizado en su longitud completa, Normalizado y Revenido, o Templado y Revenido, según quesea una disposición del fabricante o si se especifica en la orden de compra.* Tipos 9 Cr. y 13 Cr. pueden ser Templados con aire.

º Los requerimientos especiales para los revestidores con costura P110 y Q125 están especificados en laNorma SR11.

Proceso deProceso de

manufacturamanufactura

Materiales


Las características de fabricación son:

Tubería sin costuraTubería sin costura

Materiales


Tubería sin costuraTubería sin costura

Materiales

En las tuberías sin costuras el proceso más importante es la conversión de la barra sólida en un tubo mediante un mandril o punta.


Las características de fabricación son:TuberíaTubería concon costuracostura (ERW)(ERW)


ConexionesConexionesConexionesConexiones


Conexiones

Las conexiones son los elementos mecánicos que mantienen unidas las tuberías:


Los principales elementos que caracterizan una conexión son:Si es acoplada o integralacoplada o integral, es decir, si la

caja es separada o es parte del tuboLos diámetros internos y externosdiámetros internos y externos

(en relación al tubo)El tipo de roscaroscaEl tipo de selloselloEl rebordereborde

Conexiones


Una conexión es acopladaacoplada cuando los tubos se unen a través de un acople:

Es integralintegral, cuando la caja está tallada en el tubo:

Tipo de acoplamientoTipo de acoplamiento

Conexiones


En la conexión acopladaacoplada el diámetro interno se mantiene igual, pero el diámetro externo aumenta debido al acople:

Diámetros internos y externosDiámetros internos y externos

Conexiones


En la conexión integralintegral pueden haber cuatro

tipos:

Interna lisa

Externa lisa

Intermedia

Toda lisa


Conexiones


El problema de los diámetros es muy importante, pues por un lado se desea que la conexión tenga la misma resistencia que el tubo (transparencia estructural).(transparencia estructural).


• Pero también se desea que la conexión tenga las mismas dimensiones externas e internas que el tubo (transparencia dimensional).(transparencia dimensional).

Transparencia Transparencia EstructuralEstructural

Transparencia Transparencia GeométricaGeométrica

Conexiones


Existen básicamente dos tipos de rosca:

La triangular (60°)o redonda:

y la trapezoidal:

Tipo de roscaTipo de rosca

Conexiones


El sello es el dispositivo mecánico explícitamente encargado de impedir que el fluido interno salga:

El selloEl sello

Conexiones


Tope mecánico que limita el movimiento de enroscado. Proporciona la resistencia a la compresión.

El rebordeEl reborde

Conexiones


Combinando esos cinco elementos de diferentes formas se obtienen innumerables tipos de conexiones.

La clasificación más común está referida, sin embargo, a si la conexión está patentada o es de libre uso:conexiones APIAPI (uso libre)

conexiones PREMIUMPREMIUM

Conexiones


Las conexiones APIAPI son de uso libre y de acuerdo al tipo de rosca, hay dos tipos:Redondas:

IJIJ - Integral Joint NUENUE - Non upset tubing thread EUEEUE - External upset tubing thread STCSTC - Short thread connector LTCLTC - Long thread connector

Trapezoidales (antiguamente eran patentadas) BTCBTC - Buttress XLXL - Extrem-line

Conexiones


• Asi pues por ejemplo, la STCSTC es una conexión acoplada, con rosca redonda, usualmente de 8 hilos por pulgada (puede haber de 10 hpp). No tiene sello ni reborde.

• Para lograr el sellado se utiliza una grasagrasa con partículas metálicas en suspensión que se introducen entre los hilos.

Conexiones


• La BTC o ButtressBTC o Buttress es la más popular. Es acoplada y usa una rosca trapezoidal. Tampoco tiene sello ni reborde.

Conexiones


Las conexiones PremiumPremium vienen en gran variedad de formas y en general se clasifican como:

MTCMTC - Estándar con sello metal-metal (VAM, BDS)MIJMIJ - Integral con sello metal-metal (PH-6, IJ4S)HWHW - Especiales para paredes gruesas (HPC,VAM HW)

LDLD - Especiales para grandes diámetros (Big Omega, ATS)

SLHSLH - Especiales de alto rendimiento y línea reducida (ULT, NJO)

IFJIFJ - Especiales integrales, el diámetro externo suele ser menor a 1% por encima de la tubería (STL,FL-4S)

Conexiones


Sellos metal-metal

Reborde

Rosca trapezoidal

conexión integral

• Conexión PremiumPremium, integral, con sello metal-metal.

Conexiones


A fin de optimizar y racionalizar la adquisición de tuberías, se ha diseñado un procedimiento de selección de conexiones de revestidores y tubería de producción para PDVSA.

Conexiones


Conexiones de Tubería de Revestimiento

Diámetro> 20”

Diámetro> 16”

No

No

Si

SiInicioInicio

ButtressButtress

Presión> 5.000 #

oSeveridad> 10°/100’

ButtressButtress NK3SBNK3SB

TC-IITC-II

DrillequipDrillequip

RL4SRL4S Big OmegaBig Omega

BTBBTB

J. IntegralJ. Integral

SLXSLX

NJONJO

STLSTL

511511

Prof > 1.000’o

Pres. > 2.000psi

Inclinación > 45º

oHolgura < 3/4” Bajas

cargas(camisa)

Si

Si

SiSi

No

No

No

No

Pozos someros


Conexiones de Tubería de Producción

Presión<5.000 psi

Holgura> 1/2”

No

No

Si

SiEUEEUE

NUENUE

NK3SBNK3SB

VAM ACEVAM ACE

AceroInoxidable

Flush?

Peso >P. Critico

Si

Si

SiNo

No

InicioInicio

STPSTP

PH-6PH-6

PesadasPesadas

NK3SBNK3SB

VAM ACEVAM ACE

STCSTC

CS-HydCS-Hyd

LivianasLivianas

NK3SBNK3SB

VAM ACEVAM ACE

AcopladasAcopladas

Peso >P. Critico

STPSTP

PH-6PH-6

PesadasPesadas

STCSTC

CS-HydCS-Hyd

LivianasLivianasSTLSTL

511511

No

NoSi

IntegralIntegral


CONSIDERACIONES DE DISEÑOCONSIDERACIONES DE DISEÑO

• Colapso

• Cedencia Interna (Estallido)

• Tensión / Compresión

• Esfuerzos Triaxiales (von Mises)

• Consideraciones Especiales


COLAPSOCOLAPSOCOLAPSOCOLAPSO


Se llama colapsocolapso a la posibilidad de que la tubería falle por exceso de presiónpresión externaexterna..

Carga de Colapso


Existen cuatro tipos distintos de colapso, dependiendo básicamente de la relación entre diámetro y espesor (D/t) de la tubería:

Por fluencia Colapso plástico De transición Colapso elástico

Carga de Colapso


En esta figura se representan las presiones de colapso según cada una de los modos, como función de las relación D/t para un revestidor de 9 5/8” N-80

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Presión (psi)

Relación Diámetro/Espesor (D/t)

Fluencia

Colapso plástico

Transición

Colapso elástico

Carga de Colapso


El colapso por fluencia se refiere a la presión externa que causaría que el material de la parte interna del tubo alcance fluencia. No es por lo tanto un aplastamiento del tubo.

La fórmula de colapso por fluencia es:

P RpD t

D tc Rp,

( / )

( / )

2

12

donde: Rp resistencia a la fluenciaD diámetro externo de la tuberíat espesor

Carga de Colapso


El colapso por fluencia solo ocurre cuando el tubo es suficientemente grueso. Es decir, cuando la relación diámetro a espesor (D/t) tiene un valor suficientemente bajo.

La fórmula para calcular el valor crítico para (D/t) para colapso por fluencia es:

( / )

( ) ( / ) ( )

( / )

/

D tA B C Rp A

B C RpRp

2 8 2

2

2 1 2

Carga de Colapso


Donde las letras A, B y C son:

A Rp Rp Rp 2 876 0 1068 10 0 10 0 5313 105 10 2 16 3, , ,2130 ,

B R p 0 0 2 6 2 3 0 5 0 6 1 1 0 6, ,

C Rp Rp Rp 465 0 03087 0 1048 10 0 3699 107 2 13 3,9 , , ,

Carga de Colapso


El colapso plástico se refiere a la presión externa que causaría que el tubo efectivamente colapse.

Carga de Colapso


La fórmula para el colapso plástico es empírica y se obtuvo de más de 2.000 ensayos con tubos de diferentes diámetros y resistencias:

P RpA

D tB CC P a, ( / )

Esta fórmula está deducida en base a una probabilidad de falla de 0,5% (5 fallas en 1.000).

Carga de Colapso


El rango de validez de la fórmula para el colapso plástico es:

( / )

( ) ( / ) ( )

( / )

/

D tA B C Rp A

B C RpRp

2 8 2

2

2 1 2

( / )( )

( )D t

Rp A F

C Rp B GPT

(Igual a la anterior)

Carga de Colapso


Donde las letras F y G son:

F

B AB A

RpB AB A

B AB AB A

46 103

2

32

13

2

6

3

2

,95( )

( )( )

( )

G = F B / A

(A, B y C de acuerdo con las ecuaciones anteriores)

Carga de Colapso


El colapso elástico está deducido en base a una fórmulación teórica, ajustando luego los resultados a valores experimentales (el valor adoptado fue el 71,25% del cálculo teórico):

2

6

, 1)/()/(

1095,46

tDtDP EC

Carga de Colapso


Como las fórmulas para colapsos plástico y elástico daban resultados que no se cruzan, hubo necesidad de crear una fórmula intermedia, llamada colapso de transición:

P RpF

D tGC T a, ( / )

Carga de Colapso


El rango de validez de la fórmula para el colapso de transición es:

( / )( )

( )D t

Rp A F

C Rp B GPT

(Igual a la anterior)

( / )D tB

AB

AT E

2

3

Carga de Colapso


En esta figura se representan las presiones de colapso según cada una de los modos, como función de las relación D/t para un revestidor de 9 5/8” N-80:

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Presión (psi)

Relación Diámetro/Espesor (D/t)

Fluencia

Colapso plástico

Carga de Colapso


Por otra parte, la presencia de una carga axial afecta la resistencia al colapso de una tubería.

API ha tomado en cuenta eso a través de un cambio en la resistencia nominal del tubo:

Rp Rp Rp Rpa a a 1 0 75 0 52 1 2

, ,

donde Rpa es la resistencia de fluencia ajustadaa el esfuerzo axial

Carga de Colapso


Otra variable que afecta la resistencia al colapso de una tubería es la presencia de una presión interna de respaldo.

Así pues, la presión a considerar no es simplemente la diferencia entre la externa y la interna sino que hay que calcular una presión equivalente:

donde Pe es la presión equivalentePo la presión externaPi la presión interna

e o iP P (1 ( )) P 2 D t Po

Pi

Carga de Colapso


La resistencia al colapso de las conexionesconexiones se considera siempre superior a la de la tubería.

Carga de Colapso


EjemploEjemplo


Ejemplo de cálculo (Colapso)

Se tiene un revestidor de producción de 9-5/8 pulgadas 43,5 lb/pie P-110, asentado a 10.000 pies, con conexiones roscadas y acopladas con sello metal-metal (ejemplos anteriores). Determinar el factor de diseño por colapso cuando el revestidor está sometido al caso de carga “Vacío total”. Suponga una carga de tensión de 50.000 lbf a 10.000 pies de profundidad.

Presión interna a 10.000’ = 0 psi (Vacío total)

Presión externa a 10.000’ = peso del lodo con el que se bajó la sarta = 0,052 * 12,0 * 10.000 = 6.240 psi.

Como el revestidor está en tensión, se debe calcular la resistencia a la fluencia ajustada de la siguiente forma:

Solución:


Determinar el factor de diseño del revestidor de producción del ejemplo, si éste es de P-110, 43,5 lb/pie, para el caso de vacío total.

Superficial 13 3/8”

Producción 9 5/8”

Camisa de Producción5 1/2”

Conductor 20” 320’

4.000’

10.000’

12.000’


• Esfuerzo axial aplicado:

• Resistencia a la fluencia ajustada:

Rpaa

Rpa

RpRp

1 0 752 1 2

0 5,

/

,

psi 107.955=psi 000.110000.110

981.35,0

2/12

000.110981.375,01

aRp

psi 981.32pulg 12,56

lbf 000.50 pAaF

a

Ejemplo de cálculo (Colapso)• Area transversal:

22222 pulg 56,12755,8625,944

dDpA


• Relaciones D/t límites para cada tipo de falla: (D/t)Rp = 12,56 (D/t)PT = 20,61 (D/t)TE = 26,75

• Constantes A, B, C, F y G: A = 3,17 B = 0,08 C = 2.790 F = 2,06 G = 0,05

Como 20,61 < D/t = 22,12 < 26,75, hay que usar la ecuaciónpara colapso de transición, que es la siguiente:

G

tDF

aRpTC

P)/(,


• Relación diámetro/espesor:

12,22435,0625,9 t

D


• Presión de colapso equivalente:

psi 6.240=psi 0psi 240.6 Pe

Pe PoD t

Pi

1 2

( / )

• Cálculo del factor de diseño por colapso:

75,0psi 6.240psi .6554

eequivalent colapso dePresióntubería la de colapso al aResistenci cDF


psi 655.405,012,2206,2psi 955.107

,

TCP


CEDENCIACEDENCIAINTERNAINTERNA

(Estallido)(Estallido)

CEDENCIACEDENCIAINTERNAINTERNA

(Estallido)(Estallido)


Se llama cedenciacedencia internainterna oo estallidoestallido a la posibilidad de que la tubería falle por exceso de presiónpresión internainterna..

Carga de Cedencia interna


La presión interna que podría causar la fluencia del material del tubo se calcula por la fórmula:

PRp t

D

0 8752

,

El factor 0,8750,875 proviene de las posibles variaciones en el espesor de pared del tubo (12,5%). Si se tiene tubería con toleracias más estrechas, se puede aumentar ese valor.

P



A pesar de que una presión externa de respaldo afecta también la resistencia al estallido, no se calcula una presión equivalente como en el caso de colapso.

Así pues, la presión a considerar es simplemente la diferencia entre la externa y la interna.

Pe = Pi - Po

donde Pe es la presión equivalentePo la presión externaPi la presión interna

Po

Pi



La resistencia a la cedencia interna de las conexiones API: Buttress, STC y LTC es menormenor que la de la tubería y se calcula por la siguiente fórmula:

P RpW d

Wc

1

donde Rpc resistencia a la fluencia del material del acoplamiento

W Diámetro externo del acoplamientod1 Diámetro de la raíz de la rosca

W



Es importante resaltar que la ecuación anterior no indica nada en relación a la resistencia a la fuga por presión internaresistencia a la fuga por presión interna de las conexiones API: Buttress, STC y LTC.

Como medida práctica se considera que este tipo de conexión solo debe ser utilizada en pozos donde la presión interna sea inferior a 5.000 psi5.000 psi.



En el caso de conexiones integrales lisasconexiones integrales lisas, si el fabricante no señala la resistencia, se puede considerar que tienen un 90% de la capacidad del tubo.

Para el resto de las conexiones: API Extreme lineAPI Extreme line y propietarias MTC, MTC, MIJ, HW, LD, SLH,MIJ, HW, LD, SLH, etc., se considera que la conexión tiene, por lo menos, la misma resistencia a la cedencia interna que el tubo.



EjemploEjemplo


Ejemplo de cálculo (Estallido)Se tiene un revestidor de 9-5/8 pulg. 43,5 lb/pie P-110 (t=0,435 pulg) con conexiones roscadas y acopladas con sello metal-metal. Determinar el factor de diseño de fluencia interna mínima cuando el revestidor está sujeto al caso de carga “Estimulación a través de la tubería de producción” con una presión externa de 6.240 psi y una presión interna de 10.000 psi (50% de la presión de cierre del pozo) a 10.000 pies de profundidad.

Solución:

Como se está utilizando una conexión MTC, sólo se verifica la resistencia del cuerpo de la tubería y no hace falta verificar la del acoplamiento, ya que éste está diseñado de modo que sea equivalente o más fuerte que el cuerpo en condiciones de carga por presión diferencial interna.


• Esfuerzo contra fluencia interna del cuerpo de la tubería:

psi 700.8pulg 9,625

pulg 0,435psi 000.1102875,02875,0

DtRpP

• Factor de diseño:

DFestallido

Presion interna de fluenciaDiferencial de presion interna

31,2psi) 6.240-psi (10.000

psi 8.700 estallido

DF

Ejemplo de cálculo (Estallido)


TracciónTracciónyy

CompresiónCompresión

TracciónTracciónyy

CompresiónCompresión


Se analizan los esfuerzos de traccióntracción yy compresióncompresión debido a la posibilidad de que la tubería falle por exceso de cargacarga axialaxial..

Carga de Tracción/Compresión


La tubería de producción se diseña en base a la ResistenciaResistencia a la Fluenciaa la Fluencia del material.

Los revestidores se diseñan en base a la Resistencia MáximaResistencia Máxima del material.

Consideraciones GeneralesConsideraciones Generales

Deformación

Esfuerzo

Resistencia a Resistencia a la Fluenciala Fluencia

ResistenciaResistenciaMáximaMáxima

Carga = Area * EsfuerzoCarga = Area * Esfuerzo



La resistencia a la tracción de revestidores revestidores API STC y LTCAPI STC y LTC es el menor valor de las siguientes ecuaciones (note que la conexión es menos resistente que el tubo):

RmAP jppin 95,0

DLRp

DLRmD

LAP jpj 14,014,05,075,0

95,059,0

“Factor de seguridad adicional”


(Resistencia al salto de la conexión)

RmAPcaja c 95,0


Las diversas variables geométricas dependen, evidentemente, de la geometría, así por ejemplo:

AAjpjp es el área trasversal de la tubería, justo debajo de la última rosca perfecta.



P A RmRp

RmDpin p

0 1 008 0 0396 1 083,95 , , ,

Para los revestidores con conexiones API API ButtressButtress, la resistencia a la tracción es el menor valor de las siguientes ecuaciones:

P A Rmc c c 0,95



En forma similar a las ecuaciones anteriores, hay otras para las conexiones Propietarias MTC, SLH, IFJ, etc.Propietarias MTC, SLH, IFJ, etc.

Lo más común, sin embargo, es que los valores de resistencia a tracción y/o compresión sean determinados experimentalmente por los propietarios de la conexiones y ofrecidas a los usuarios en forma de tablas:



Diá. Peso Espesor Diámetro Diámetro Resis. Resis. Resis. Resis.Externo Nominal Grado de pared Interno Conexión mandril fluencia colapso estall. conexión(pulg.) (lb/pie) (pulg.) (pulg.) (pulg.) (103 lbf) (psi) (psi) (103 lbf)

20 94 K-55 0,438 19,124 Big Omega 18,936 1.480 520 2.110

13 3/8 72 N-80 0,514 12,347 BTC 12,290 1.661 2.670 5.832 1.69372 P-110 0,514 12,347 BTC 12,29 2.284 2.890 7.400 2.22168 J-55 0,480 12,415 BTC 12,29 1.069 1.950 3.450 1.140

10 3/4 40,5 J-55 0,350 10,050 BTC 9,894 629 1.580 3.130 700

9 5/8 36 J-55 0,352 8,921 BTC 8,765 564 2.020 3.520 63943,5 N-80 0,435 8,755 BTC 8,599 1.005 3.810 6.328 1.07447 P-110 0,472 8,681 BTC 8,556 1.493 5.300 9.441 1.500


TABLA DE PROPIEDADES MECÁNICAS DE TUBULARES


Para la TuberíaTubería dede ProduciónProdución tambien hay ecuaciones para el cálculo de las resistencias. Recuérdese que en este caso, sin embargo, se utiliza la ResistenciaResistencia aa lala FluenciaFluencia.

Hay que considerar, por otra parte, que frecuentemente la conexión es más resistente que el tubo, por lo que siempre hay que verificar la resistencia de éste.



Así, por ejemplo, la resistencia a la traccióntracción de una Tubería de ProducciónTubería de Producción con conexiones EUE, NUE o IJ, se determina como la menor entre:

P D h d Rppin s i 0 7852 242 2, (( ) )

P A Rptuberia p



Consideraciones Generales

Aunque las cargas axiales se calculan tradicionalmente mediante el método de flotabilidad, NO se recomienda su uso para la determinación de las cargas axiales (tracción- compresión).

Hay que utilizar el método de área-presión o los diagramas de cuerpo libre.



Metodo de FlotabilidadMetodo de Flotabilidad

Peso en el aire = Vol * densidad

Peso sumergido = Pesoaire * FFlotabilidad

FFlotabilidad = (1 - densfluid/densacero)

Fluido

Peso

A

Fuerza en A = FA = Peso sumergido



Metodo de Area-Presión o Metodo de Area-Presión o Diagrama de Cuerpo LibreDiagrama de Cuerpo LibreFluido

Peso

A

BPresión del fluido en B

Presión del fluido en A

F F FA p o r d eb a jo p o r en c im a FA = Presión de fluido en A *AreaA

FA = Peso en el aire + Presión de fluido en B * AreaB

!Ojo con los signos!!Ojo con los signos!



Efecto de la temperaturaEfecto de la temperaturaSi un cuerpo se calienta y se encuentra

impedido de deformarse, aparece una fuerza adicional, proporcional a la temperatura.

F

F

Calor CalorDilataciónTérmica

EsfuerzoTérmico



Efecto de la temperaturaEfecto de la temperaturaLa fórmula para el cálculo de las fuerzas

debidas a los cambios de temperatura es:

FTemp

Calor

F E A TT em p p

FTemp

donde es el coeficiente de dilatación térmicaE módulo de elasticidad del materialAp área de la tuberíaT cambio de temperatura desde el

momento de instalación



Efecto del abombamientoEfecto del abombamientoSi un tubo se abomba, disminuye su

longitud. Si ese acortamiento es impedido, se produce un esfuerzo adicional.

F

F

Presión Presión



Efecto de abombamientoEfecto de abombamientoLa fórmula para el cálculo de las fuerzas

debidas a los cambios de diámetro es:

FBal

Presión

F A P A PB a l i i 2 0 0 ( )

FBal

donde es el Módulo de PoissonAi área interna de la tubería (hueco)Pi cambio de la presión interna de la

tubería (hueco) desde el momento de la instalación

A0 área externa de la tuberíaP0 cambio de la presión externa



Efecto de la FlexiónEfecto de la FlexiónCuando un tubo se dobla, debido a un

cambio de la curvatura del hoyo, se produce un esfuerzo adicional.

En el lado interno de la curvatura los esfuerzos

son de compresión

En el lado externo de la curvatura los esfuerzos son de tracción



Efecto de la FlexiónEfecto de la FlexiónLa fórmula para el cálculo de los esfuerzos

debidos a la flexión es:

DDE

Bend

21812730.5

)2(

donde Bend es el esfuerzo debido a la flexiónE módulo de elasticidad del materialD diámetro externo del tubo curvatura en ° /100 pies



Efecto de la FlexiónEfecto de la FlexiónLa flexión de las conexiones puede ser un problema debido a

la posibilidad de fuga y al esfuerzo adicional debido al mayor diámetro externo.

Específicamente, las conexiones API STC, LTC y Buttress no no son recomendablesson recomendables en curvaturas mayores de 10°/100 10°/100 pies.pies.



EjemploEjemplo


Ejemplo de cálculo (Tensión/Compresión)

Se tiene un revestidor de producción de 5-1/2 pulg. 23,0 lb/pie P-110 (t=0,415 pulg) con conexiones roscadas y acopladas con sello metal-metal (MTC) asentado hasta una profundidad de 15.000 pies. Determinar el factor de diseño para tensión o compresión, sabiendo que el revestidor está sometido a las siguientes condiciones de presión y temperatura:

Profundidad Cementada (F) Estática (F)

0 pies10.000 pies15.000 pies

80190245

60200270

DATOS DE TEMPERATURA


Profundidad Pi (psi) Po (psi)


08.572

12.858

08.572

12.987

Profundidad Pi (psi) Po (psi)


000

08.572

12.858

DATOS DE PRESIÓN

• Caso Base: Condición cementada

• Caso de carga: Vacío Total



• Estudio del caso base:

Pi

Po

W

Fa

0 pies

15.000 pies

10.000 pies

Fy Fa W PoAo PiAiFa W PiAi PoAo

0 0 @ 0 pies( )

Ao

Ai

4

5 5 23 76

44 67 1713

2

2

( , ) ,

( , ) ,

pulg

pulg

2

2

W 15 000 23 345 000. . lbf

Fa = 345.000 +(12.858)(17,13)-(12.897)(23,76)= = 256.700 lbf @ 0 pies

Procediendo de manera similar para las otras dos profundidades tenemos:@ 10.000 pies: Fa = 26.700 lbf@ 15.000 pies: Fa = -88.300 lbf



• Estudio del caso de carga:1. Efectos térmicos

TPAEtempF

FFtemp

F o

261o6 )245270(pulg )13,1776,23)(psi 1030)( 109,6(

lbf 305.34temp

F

Obs: En intervalos cementados se utiliza un T puntual, ya que la dilatación ocurre en diferencialesde longitud y ésta no se ve afectada por la dilatación de otras partes del revestidor.

2. Efectos de abombamiento

)(2 PoAoPiAiFAbomb

i1299871285812

85812858120

30

ps..PoPo=Po

psi..PiPiPi

,

caso baselvacio tota

caso baselvacio tota



Así la fuerza axial total @ 15.000 pies es:Fa 88 300 34 305 130 308 252 913. . . . lbf

Como Fa < 0, entonces el revestidor está sometido a compresión.

lbf 308.130)129()76,23()858.12()13,17()3,0(2 AbombF

3. Cálculo del factor de diseño

maximaestatica compresion deCarga

conexiónla dea teorica ResistenciCOMPRESIONDF

De acuerdo con los resultados anteriores, la carga de compresiónestática máxima es de -252.913 lbf.



Resistencia teórica de la conexión (MTC):

Ppin Ap Rp RpRm

D

1 008 0 0396 1 083, , ,

Ap = 6,63 pulg Rp = 110.000 psi Rm = 125.000 psi2

Ppin

6 53 110 000 1 008 0 0396 1083 110 000125 000

5 5 702 784, ( . ) , , , ..

( , ) . lbf

Ppin = 703.000 lbf

DFCOMPRESION 703 000252 913

2 78..

.

• Resultados de los cálculos @ 0 y 10.000 pies: @ 0 pies DFTENSIÓN = 3,39 @ 10.000 pies DFCOMPRESIÓN = 67,01



Esfuerzos triaxialesEsfuerzos triaxiales(von Mises)(von Mises)

Esfuerzos triaxialesEsfuerzos triaxiales(von Mises)(von Mises)


Cuando una pieza está sometida a varias cargas simultáneas, la mejor forma de considerarlas es calculando un esfuerzo equivalente y comparando dicho esfuerzo con la resistencia a la fluencia del material

Así pues, se define el factor de diseño:

Esfuerzo de von Mises

DFDFVMEVME= Resistencia a la fluencia mínima APIResistencia a la fluencia mínima APIEsfuerzo equivalente VMEEsfuerzo equivalente VME


Si se trata de servicio agrio, es decir, en presencia de fluidos corrosivos (H2S, CO2), la resistencia limitante en vez de ser la Resistencia a la fluencia es la Resistencia a la corrosión bajo tensión (SSC) de acuerdo a la definición NACE:


DFDFVMEVME= Resistencia umbral NACEResistencia umbral NACEEsfuerzo equivalente VMEEsfuerzo equivalente VME


Los esfuerzos simultáneos que actúan en la tubería son: Axiales, de las cargas de tracción, compresión y/o flexión a que está sometida la

tubería Radiales, de las presiones internas y externas Tangenciales, también de las presiones Cortantes, de una posible torsión.



Los esfuerzos axiales:

a t c

F

A,

a f D, 218

(por tracción y/o compresión)

(por flexión)

• Los esfuerzos radiales:

r o

r i i

P

P

,

,

0 (en la pared externa)

(en la pared interna)



Los esfuerzos tangenciales:

t oi i i

i

t ii i

i

P A P A A

A A

P A A P A

A A

,

,

( )

( )

2

2

0 0

0

0 0 0

0

(en la pared interna)

(en la pared externa)

• En caso de que haya torsión involucrada:

o

T D

J

2



Finalmente, el esfuerzo equivalente de von Mises se calcula como:

VME

a t t r r a 2 2 2 26

2

DFVME= Resistencia a la fluencia mínima APIEsfuerzo equivalente VME


DFVME= Resistencia umbral NACEEsfuerzo equivalente VME


Considerando que el esfuerzo equivalente es preciso calcularlo para todos los elementos de la tubería, una representación gráfica de los resultados resulta más sencilla de entender:

TensiónCompresión

Estallido

Colapso

Capacidad de carga VME para una resistencia a la fluencia dada

Capacidad de carga según API

Si el resultado está dentrodentro del óvalo, la tubería resiste, si está fuera, falla



2 7/8, 7,80 J-55 MTC: 0 a 14.600 pies

Estallido

Tensión

F (1.000 lb)

Colapso

Compresión

F (1.000 lb)

Casos de carga

B- Flotando

1- Luego de perforar

2- Evacuación total, caliente3- Cierre estático

4- Cierre caliente

5- Evacuación total sarta #5

Capacidad de Carga Triaxial EquivalenteCapacidad de Carga Triaxial Equivalente



EjemploEjemplo


Ejemplo de cálculo (Esf. triaxiales)

Se tiene un revestidor de producción de 5-1/2 pulg. 23,0 lb/pie P-110 (t=0,415 pulg) para ser utilizado en servicio dulce. Determinar el factor de diseño VME, cuando el revestidor está sometido a una carga axial de 378.598 lbf, una presión interna de 10.000 psi, una presión externa de 0 psi, y un torque de 20.000 lbf-ft. Determinar el desplazamiento angular del revestidor debido al torque.

Solución:

• Areas del cuerpo de la tuberíaAreas del cuerpo de la tubería:

Ao

Ai

Ap Ao Ai

4

5 5 23 76

44 67 1713

6 63

2

2

( , ) ,

( , ) ,

,

pulg

pulg

pulg

2

2

2


• Esfuerzos principales:Esfuerzos principales:Como no existe flexión, el máximo esfuerzo VME se

produce en la pared interna de la tubería:

psi 990.12

pulg 43,14

pulg/2) 4,67pulg/pie)( pie)(12-lbf 000.20(

pulg 14,4367,450,53232

=J

psi 679.6113,1776,23

0)13,1776,23(000.102it,

psi 000.10ir,

psi 112.572pulg 6,630

lbf 598.378

4

44444

J

Tr

a

dD

AiAo

AoPoAiAoPi

Pi

Ap

Faa



• Esfuerzo VME en la pared interna:Esfuerzo VME en la pared interna:

psi 059.73

26222

5,0

VME

VME arrtta

10.000 pies

T

T

Fa

Fa

Pi

• Factor de diseño:Factor de diseño:

D F V M Es is te n c ia

D F V M E

R e

.

.,

a l a f lu e n c ia m in im a A P I

E s f u e r z o e q u iv a le n te V M E

1 1 0 0 0 0

7 3 0 5 91 5 1



Consideraciones especialesConsideraciones especialesdede

DiseñoDiseño

Consideraciones especialesConsideraciones especialesdede

DiseñoDiseño


Consideraciones especiales en el Diseño

PandeoPandeo

El pandeo ocurre cuando una tubería es sometida a una carga de compresióncompresión por encima de ciertos límites.

F

F



PandeoPandeo

El problema principal del pandeo es la posibilidad de que se atasque una herramienta al tratar de pasarla por un revestidor pandeado.



PandeoPandeo•La forma de determinar si una tubería puede sufrir pandeo es a través de la fórmula de Lubinski:

FEfe Fa A0 P0 A i Pi

Positiva No hay pandeo

NegativaPuede haber

pandeo



PandeoPandeo

donde: FEfe Fuerza efectivaFa Fuerza axialA0 Area externaP0 Presión externaAi Area internaPi Presión interna

F F A P A PEfe a i i 0 0

Dext2 4

Dint2 4



PandeoPandeo

Hay varias variables que permiten evaluar la “magnitud” del pandeo:– El paso de la “hélice” que forma el tubo.– La severidad de la curvatura (pata de

perro).– El diámetro máximo de herramienta que

puede pasar por la zona pandeada.

Paso

Lherr



PandeoPandeo Paso de la hélice:

Severidad de la curvatura:

P 8E I Fefe

12

DLS 275.0002 r c

144P2 4 2 r c

Paso

DLS

(rc es la holgura entre la tubería y el hoyo)



PandeoPandeo El diámetro máximo de herramienta que

puede pasar por la zona pandeada:

Lherr P

arccos 1

(dint, tub Dext,herr )

rc d int,tub 2

Paso

Lherr


EjemploEjemplo


Se coloca una tubería de revestimiento de 9 5/8 pulg. K-55 36 lb/pie LTC (t = 0,352 pulg.) en un hoyo de 12 1/4” a 6.000 pies. El tope del cemento (TOC) está a 4.000 pies, sobre el cual hay 9,0 lpg de lodo. Se perfora un hoyo de 8 1/2 pulg. hasta 10.000 pies con 13,0 lpg de lodo. Determinar:(1) si el revestidor se pandeará.(2) si se pandea, dónde se encuentra el punto neutro.(3) ¿cuál es la máxima severidad de la pata de perro?(4) ¿cuál es la longitud máxima de la herramienta que puede pasar sin atascarse?

Ejemplo de cálculo (Pandeo)

70 °F

154 °F

Caso base

9 lpgCemento:1.500’: 12,5 relleno500 pies: 16,2 cola

114 °F

182 °F

12 lpg

Caso de carga0’

4.000’

6.000’

10.000’

D = 9,625 pulgd = 8,921 pulgAo = 72,76 pulgAi = 62,51 pulgI = 110,4 pulgrc = 1,313 pulgE = 30x10 psi

2

2

4

6



Solución:Solución:• ¿Se pandeará el revestidor?¿Se pandeará el revestidor? Se calcula la fuerza efectiva (Feff) en el TOC:

F Fa AoPo AiPieff

caso de carga @ 4.000'

( )

Fa Fa F FTEMP ABOMBcaso de carga @ 4.000' caso base @ 4.000'

Facaso de carga @ 4.000'

lbf 60 200.

psi 870.1pies 000.4lpg 0,9052,0

psi 494.2pies 000.4lpg 0,12052,0

4.000' @

4.000' @

Po

Pi

Feff

60 200 72 76 1870 62 51 2 494 80 000. ( , ) ( . ) ( , ) ( . ) . lbf

La fuerza negativa indica que el revestidor pandeapandea.



• Localización del punto neutro (PN):Localización del punto neutro (PN): PN se define como la profundidad a la cual Feff = 0. Expresamos la ecuación de la fuerza efectiva en función de la profundidad, iguala- mos a cero y despejamos.F Fa AoPo AiPi

eff @ z pies caso de carga @ 0' ( )

Facaso de carga @ 0'

lbf pies) (36,0 lb / pie)=83.300 lbf 60 200 4 000. ( .

Po zPi z

0 052 9 00 052 12 0

, ,, ,{

F z zeff @ z pies

83800 34 02 38 97 0. , ,Sustituimos estos valores en la ecuación de Feff :

z Profundidad del PN = 2.046 pies



• ¿Cuál es la severidad máxima de la pata de perro (DLS)?¿Cuál es la severidad máxima de la pata de perro (DLS)?

DLSrc

P rc

275 000

144 4

2

2 2 2

.

Esta ecuación muestra que la DLS aumenta a medida que P dismi-nuye. De igual modo, P alcanza su valor máximo cuando Feff esmínima (valor de compresión más alto). Por lo tanto, la peor pata de perro se encuentra en el TOC.

P@

( ) ( , ) ( . ).

TOC pies 8 30 10 110 4 80 000

12150 7

6

DLS o

275 000 1313144 150 7 4 1313

112

2 2 2. ., ,

, /100

pies

Si esta cantidad de pandeo es excesiva para ser tolerada durante laperforación, entonces deberá halarse el revestidor con tensión adi-cional (overpull).



En el caso particular de este ejemplo, una sobretracción adicional de 50.000 lbf hará que el PN se ubique @ 3.257 pies de con un DLS máximo de 0,4 °/100 pies. Si se aplican 80.000 lbf de sobretracción, el PN se reubica por debajo del TOC, con lo que la totalidad de la sarta se mantiene sin pandeo mientras se perfora hasta la TD.



• ¿Qué longitud máxima de herramienta se podrá pasar sin que ¿Qué longitud máxima de herramienta se podrá pasar sin que se atasque, si ésta tiene un diámetro de 8”?se atasque, si ésta tiene un diámetro de 8”?

piesL

L

pud

dr

DdPL

herr

herr

tub

tubc

herrexttub

herr

5,27

2921,8313,1)8921,8(

1arccos7,150

lg921,8352,02859

2

)(1arccos

int,

int,

,int,



La temperatura de un revestidor puede variar considerablemente durante la operación, causando esfuerzos térmicos en el mismo.Así pues, por ejemplo, en el caso de circulación con la sarta de circulación con la sarta de perforaciónperforación, la temperatura puede tener el siguiente perfil:

TemperaturaTemperatura

Temperatura

Profundidad

Temperaturaestática

Dentro de la sartade perforación

Fuera (espacio anular)


Consideraciones de temperatura

O si se trata de describir la temperatura del fondo del pozo como función del tiempo, por ejemplo para el caso de inyección inyección seguida de un período de cierreseguida de un período de cierre:

Temperatura

Tiempo

Inyección Cierre

Temperatura de fondo de hoyo, estática

Temperatura desuperficie, estática

Tubería deproducción


Consideraciones de temperatura

Contra más precisa sea la predicción (o la medición) de la temperatura, más exacto será el cálculo de los esfuerzos resultantes y mejor será el diseño.

TemperaturaTemperatura



Transferencia de cargasTransferencia de cargas

Revestidorde superficie

Revestidorintermedio

Tieback deproducción

Camisa deproducción

Bajo determinadas circunstancias las cargas de un revestidor pueden ser trasmitidas a otros, causando la falla de éstos. Así por ejemplo, debido a que el tope del cemento del tieback del ejemplo de la izquierda está más alto que el del revestidor intermedio, el peso de éste puede transferirse al tieback.



Aumento de presión en el anularAumento de presión en el anular

Cuando el fluido dentro del espacio anular se calienta, se expande. Como el volumen es esencialmente constante, la presión aumenta. Esta presión adicional debe ser soportada por la tuberíaPa



Aumento de presión en el anularAumento de presión en el anular

Adicionalmente, el cambio de presión genera un ligero cambio de volumen del espacio anular, lo que a su vez influencia los volúmenes y presiones de los otros espacios anulares.

Pa,1

Pa,2 !!Perforación Avanzada Ing. Wilmer Mogollón

DesgasteDesgasteDesgasteDesgaste


Desgaste

• Cuando se está girando la tubería de perforación dentro de los revestidores anteriores, se produce un proceso de desgaste que disminuye el espesor de pared del revestidor.

Tubería deperforación

Espesorreducido

Tubería de revestimiento


Existen varios métodos para estimar el desgaste de un revestidor, basados principalmente en el nivel de tortuosidad del revestidor.

Una vez estimado (o medido) el desgaste, se calcula de nuevo el revestidor con la nueva medida de espesor de pared.

Bajo esas nuevas condicionesse determina si el revestidor resistirá las cargas impuestas.

Desgaste


clase de diseo de revestidores (1)

Documents

perforacin

con costura

con costura

casos de carga

ejemplo de

prueba de

13 de vaco

se puede usar