diseño tubería perforación.pdf

8/13/2019 Diseo tubera perforacin.pdf

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04.09.08

Conceptos, diseo de sartas y tuberasde perforacin

M.I. David Hernndez MoralesServicios Tcnicos Petroleros


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Septiembre, 2008.David Hernndez MConceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin. TenarisTamsa 2

Contenido

Componentes de la sarta

Lastrabarrenas

Longitud de los lastrabarrenas herramienta

Estabilizadores

Tubera de perforacin pesada

Tubera de perforacin

Identificacin de la tubera de perforacin

Rango de la tubera de perforacin

Mtodo del factor de flotacin y de presin-rea

Clculo de la tensin de la tubera


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Contenido

Clasificacin de la tubera de perforacin

Diseo de la tubera de perforacin

Elongacin de la tubera de perforacin

Determinacin del punto libre en funcin de la tensin y elongacin

Torsin en funcin del nmero de vueltas

Esfuerzos combinados de tensin con torsin

Carga lateral sobre la junta de perforacin

Altura de la junta en la mesa rotaria

Problemas en tuberas de perforacin

Avances tecnolgicos


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Componentes de la sarta

Existen diferentes herramientas que conforman la sarta

de perforacin. Las conexiones que se ubican entre la

unin giratoria hasta la parte superior de la flecha, son

roscas izquierdas, mientras que las conexiones que se

ubican desde la parte inferior de la flecha hasta la

barrena son roscas derechas; por lo

que el par de torque impartido a laflecha tiende a apretar ms a las

conexiones cercanas a las superficie.

Roscas derechas e izquierdas en la sarta de perforacin


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Lastrabarrenas (drill collars)

Bsicamente existen dos tipos de

lastrabarrenas, uno es el redondo tradicional

y el helicoidal.

La principal diferencia estriba en que el

lastrabarrenas helicoidal tendr un rea de

contacto menor con las paredes del agujero,

por lo que son recomendados cuando setenga evidencia de problemas relacionados

con pegaduras por presin diferencial.

Tipos de lastrabarrenas


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Los lastrabarrenas son herramientas que proporcionarel peso sobre la barrena deseado.

Los lastrabarrenas son herramientas que trabajan a lacompresin, por eso en su diseo con una seccin

transversal muy elevada y conexiones robustas con

relevadores de esfuerzos.

Proporcionan la rigidez necesaria para mantener labarrena en una posicin correcta y evitar minimizar los

problemas de la desviacin de los pozos.

.

Lastrabarrenas (drill collars)

Objetivos de los lastrabarrenas


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Longitud de la herramienta

PSB

Wu Fs Fb cos

Donde:L = Longitud de los lastrabarrenas (m).

PSB = Peso sobre la barrena a aplicarse (Kg).

Wu = Peso unitario de los lastrabarrenas (Kg/m).

Fs = Factor de seguridad, normalmente 85%

(adimensional).

Fb = Factor de flotacin (adimensional).

= ngulo del inclinacin del pozo (grados).

L =

Ecuacin


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Septiembre, 2008.David Hernndez M

Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.

TenarisTamsa 9

Estabilizadores

Los estabilizadores son otro componente importante en el

aparejo de fondo; los cuales deben de cumplir

funciones importantes, tales como:

Centrar a los lastrabarrenas dentro del agujero,

permitiendo as que la barrena gire en forma

concntrica.

Estabilizar y/o repasar el agujero en el intervalo

que la barrena perfora.

Ayudar a que la barrena no perfore en forma lateral.

Funciones


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TenarisTamsa 10

Estabilizadores

Tipos de estabilizadores

Aletassoldadas

Patinesremplazable

s

Camisaintercambiable

Integrales


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TenarisTamsa 11

Tubera de perforacin pesada (HW)

Reduccin de fallas y costos porque absorbe losesfuerzos de transicin entre los lastrabarrenas y la

tubera de perforacin.

En ocasiones pueden utilizarse como lastrabarrenas

en equipos pequeos, perforaciones especiales como

la direccional y horizontal.

Ayuda a reducir las pegaduras por presin diferencial,torques y arrastres.

Funciones


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TenarisTamsa 12


Reduccin de fallas y costos porque absorbe losesfuerzos de transicin entre los lastrabarrenas y la

tubera de perforacin.

En ocasiones pueden utilizarse como lastrabarrenas

en equipos pequeos, perforaciones especiales como

la direccional y horizontal.

Ayuda a reducir las pegaduras por presin diferencial,torques y arrastres.

Funciones


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TenarisTamsa 13



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TenarisTamsa 14

Tubera de perforacin pesada

El rango dos es el ms comnmente utilizado para las

tuberas de perforacin.

Caractersticas de la tubera de perforacin pesada

Dimetro exterior

3

4

4

5

Dimetro interior

2 1/16

2 9/16

2

3

Peso Unitario

(lb/pie)

26

28

42

50


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TenarisTamsa 15

Proporcionar el medio para conducir el fluido de

perforacin desde el equipo superficial hasta labarrena.

Impartir el movimiento de rotacin a la barrena.

Permitir la aplicacin del peso sobre la barrena.

Permitir bajar y levantar la barrena en el pozo.


Objetivos Generales


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TenarisTamsa 16

Proporcionar una buena estabilidad en el aparejo de

fondo, para minimizar la vibracin y el brincoteo dela barrena.

Permitir la evaluacin de algn intervalo productor, a

travs de las pruebas de produccin.

Permitir la evaluacin de las formaciones conherramientas registradoras, cuando no pueden ser

corridas en agujeros descubiertos.


Objetivos especiales


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TenarisTamsa 18


Fabricacin de la junta.

Finalmente se realizar la fusin de la junta con el cuerpodel tubo (previamente recalcado) con el proceso de friccion

weld.

Fabricacin


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TenarisTamsa 19


Producto terminado


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TenarisTamsa 20


Existen cuatro grados de acero comnmente utilizado enla Industria Petrolera, los cuales son:

Grados

Grado

E 75

X -95

G 105S - 135

Esfuerzo a la cedencia (psi)

75,000

95,000

105,000135,000


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TenarisTamsa 21

Identificacin

A continuacin se

presenta las muescas

que aparecen en la junta

de perforacin para una

fcil identificacin en el

campo.

Identificacin segn el grado


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TenarisTamsa 22

Rango de tubera de perforacin

El rango dos es el ms comnmente utilizado para lastuberas de perforacin.

Rangos de longitudes permitidos por el API

Rango

1

2

3

Longitud (pies)

18 - 22

27 - 30

38 - 40

Longitud (m)

5.50 6.70

8.23 9.15

11.60 12.20


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TenarisTamsa 23

Mtodos

Mtodo de flotacin Este mtodo involucra elfenmeno de la flotacin de un cuerpo que se sumerge

en un fluido.

Mtodo de presin-rea Este mtodo involucra lasdiferenciales de las secciones transversales de los

tubulares que este en cada sarta de perforacin, ascomo los pesos de los mismos.

Mtodos de clculo


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TenarisTamsa 24

Mtodo del factor de flotacin

a) Clculo total del peso de los lastrabarrenas

WT = Wu (L)

Wu = 2.669 (82 32) = 147 lb/pie = 219 Kg/m

L = 165 m = 540 piesWT = (147 lb/pie) (540 pies) = 79,380 lb-f

WT = 79,380 lb-f

b) Clculo del factor de flotacin

Fb = 1 (1.78 /7.85) = 0.77

c) Clculo del peso sobre la barrena permisible

PSB = 79,380 (0.77) = 61,122 lb-f = 27,782 Kg = 27 Ton.

Ejemplo

TP 5 X 4.276

4000 m

Lastrabarrenas

8 X 3

165 m

L = 1.78 gr/cc


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TenarisTamsa 25

Mtodo presin - rea

a) Clculo de la fuerza F1

F1 = P1 (A1)

P1 = 1.78 (4165)/10 = 714 Kg/cm2 = 10,522 psi

A1 = (82 32)/4 = 43.20 pg2

F1 = 10,522 (43.20) = - 454,550 lb-f

b) Clculo de la fuerza F2

F2

= P2

(A2

)

P2 = 1.78 (4165 - 165)/10 = 712 Kg/cm2 = 10,110 ps

A2 = ( (82 32)/4) - ( (4.2762 32)/4) = 37.92 pg2

F2 = 10,110 (37.92) = 383,371 lb-f

Ejemplo

TP 5 X 4.276

4000 m

18 Lastrabarrenas

8 X 3

165 m

L = 1.78 gr/cc

F1

F2

W1

W2


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TenarisTamsa 26

Mtodo presin - rea

c) Clculo del peso de los lastrabarrenas

W1 = Wu (L)

Wu = 2.6669 (82 32) = 147 lb/pie

L = 165 m = 540 piesW1 = (147 lb/pie) (540 pies) = 79,380 lb-f

d) Clculo del peso de la tubera de perforacin

W2 = Wu (L)

Wu = 19.5 lb/pie

L = 4,000 m = 13,120 pies

W2 = (19.5 lb/pie) (13,120 pies) = 255,840 lb-f

Ejemplo

TP 5 X 4.276

4000 m

18 Lastrabarrenas

8 X 3

165 m

L = 1.78 gr/cc

F1

F2

W1

W2


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David Hernndez M

Conceptos, diseo de sartas y tuberas de

perforacin.

TenarisTamsa 27

Mtodo presin - rea

e) Distribucin de fuerzas en la sarta

En el fondo = F1 = -454,550 lb_f

En cima D.C. = F1 + F2 = -454,550 + 383,371 = -

71,179 lb-fEn base de los D.C. = F1 + F2 + W1 = - 71,179 +

79,380 = 8,201 lb-f

En la cima de la TP = 8,201 + W2 = 8,201 +

255,840 = 264,041 lb-f

f) Peso disponible por los lastrabarrenas

PSB perm.= F1 + F2 + W1

PSB perm.= - 454,550+383,371+79,380 = 8,201 lb-f

Ejemplo

TP 5 X 4.276

4000 m

18 Lastrabarrenas

8 X 3

165 m

L = 1.78 gr/cc

F1

F2

W1

W2


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Septiembre, 2008.

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perforacin.

TenarisTamsa 28

Mtodo presin - rea

Ejemplo

TP 5 X 4.276

4000 m

18 Lastrabarrenas

8 X 3

165 m

L = 1.78 gr/cc

F1

F2

W1

W2

- 455

- 71 + 8

+ 264Compresin (miles

lb_f)

Tensin (miles

lb_f)


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perforacin.

TenarisTamsa 29


FT = (D2 d2) y

Donde:

FT = Fuerza de tensin (lb-f).

D = Dimetro exterior (pg).d = Dimetro interior (pg).

y = Esfuerzo de cedencia (psi).

D

d As

F T

4


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perforacin.

TenarisTamsa 30

Clasificacin -tubera perforacin-

Nueva

Premium

Clase 2

De acuerdo con la norma del API

No existe desgaste y nunga ha sido utilizada.

La tubera ha tenido un desgaste uniforme;

quedando el espesor de pared con el 80%

del inicial.

La tubera ha tenido un desgaste uniforme,

quedando el espesor de pared con el 70%

del inicial.


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perforacin.

TenarisTamsa 31

Clasificacin -tubera perforacin-

De acuerdo con la norma del APILa tubera de perforacin durante su

vida va sufriendo desgaste en el

dimetro exterior, generada por la

friccin con las paredes del agujeroy/o tuberas de revestimiento, por lo

que va cambiando su clasificacin.

En nuevo dimetro exterior de la

tubera puede determinarse

mediante la ecuacin:

D = 2t + d

D

d t


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Septiembre, 2008.

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perforacin.

TenarisTamsa 32


FT = (D2 d2) y / 4

Para una tubera nueva:FT = 0.7853 (52 4.2762)(75,000) = 395,595 lb-f

Para una tubera clase Premium:

t = ((5 - 4.276)/2)(0.80) = 0.2895 pg

D = 2t + d = 2(0.2895) + 4.276 = 4.855 pg

FT = 0.7853 (4.85522 4.2762)(75,000) = 311,535 lb-f

Tubera de 5 grado E-75, 19.5 #/pie, nueva y Premium


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perforacin.

TenarisTamsa 33


Donde:

LTP = Longitud de la tubera del grado en clculo (m).

LDC = Longitud de los lastrabarrenas (m).

RT = Resistencia a la tensin de la tubera del grado en clculo (kg).

WTP = Peso ajustado de la tubera de perforacin del grado en clculo (Kg/m).WDC = Peso unitario de los lastrabarrenas (Kg/m).

MOP = Margen adicional para la tensin margen para jalar (Kg).


RT (0.9) MOP

WTP (Fb)

Diseo por tensin para la primera seccin de tubera

LDC (WDC)

WTPLTP =


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perforacin.

TenarisTamsa 34


Donde:

LTP = Longitud de la tubera del grado en clculo (m).

LDC = Longitud de los lastrabarrenas (m).

RT = Resistencia a la tensin de la tubera del grado en clculo (kg).

WTP = Peso ajustado de la tubera de perforacin del grado en clculo (Kg/m).WDC = Peso unitario de los lastrabarrenas (Kg/m).

MOP = Margen adicional para la tensin margen para jalar (Kg).


RTn (0.9) MOP

WTPn (Fb)

Diseo para la segunda y subsecuentes secciones

LDC (WDC) + LTP1 (WTP1) + .. + LTPn-1 (WTPn-1)

WTPnLTPn =


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perforacin.

TenarisTamsa 35


Datos:

Profundidad = 5000 m

Densidad del fluido de perforacin = 2.00 gr/cc

Factor de flotacin = 0.74Longitud de los lastrabarrenas = 108 m de 8 X 3 de 147 lb/pie

MOP = 50 Ton. = 110,000 lb

Clculo de la primea seccin de tubera de grado E-75

Ejercicio

311,535 (0.9) 110,000

(20.89) (0.74)

(355) (147)

20.89LTP =

LTP = 11,022 2,498 = 8,524 pies = 2,600 m


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perforacin.

TenarisTamsa 36


Clculo de la segunda seccin de tubera grado X-95

Ejercicio

394,612 (0.9) 110,000

(21.44) (0.74)

(355) (147) + (8,524) (20.89)

21.44LTP =

LTP = 15,451 10,739 = 4,712 pies = 1,435 m

Clculo de la tercera seccin de tubera grado G-105

436,150 (0.9) 110,000(21.92) (0.74)

(355) (147) + (8,524) (20.89) + (4,712) (21.44)21.92

LTP =

LTP = 17,418 15,113 = 2,305 pies = 700 m


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perforacin.

TenarisTamsa 37


Clculo de la cuarta seccin de tubera grado S-135

560,764 (0.9)110,000

(22.60) (0.74)

(355)(147)+(8,524)(20.89)+(4,712)(21.44)+(2,305)(21.92)

22.60

LTP =

LTP = 23,600 16,894 = 6,706 pies = 2,045 m


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David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 38


Descripcin

Lastrabarrenas

TP E-75TP X-95

TP G-105

TP S-135

Resultados

Longitud (m)

108

2,6001,435

700

157

5,000

Peso Unitario (lb/pie)

147

20.8921.44

21.92

22.60

Peso Flotado por seccin

(lb)

38,617131,769

74,758

37,389

8,613

291,146 lb = 133 Ton.

Tabla de resultados


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 39

Elongacin de la tubera

(65.44 12 ) L2

8,946,497.62

Donde:e = Elongacin (pg).

L = Longitud de la tubera (m).

= Densidad del fluido de perforacin (gr/cc).

Nota: Las variables del mdulo de elasticidad y la relacin

de Poisson est involucrada en las constantes (API

RP7G).

e =

Ecuacin para la elongacin de la tubera en un fluido


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 40

Elongacin de la tubera

Cual ser la elongacin de una tubera de perforacin de

5 de dimetro exterior a la profundidad de 5,400 m,

sumergida en un fluido de perforacin de 2.00 gr/cc.

(65.44 12 ) L2 ((65.44 12 (2.00)) (5,400) 2

8,946,497.62 8,946,497.62

e = 135 pg = 11.25 pies = 3.43 m

e =

Ejercicio

=


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 42

Punto libre en funcin de la tensin

En donde se localizar el punto neutro de una sarta de

perforacin de 5 de 19.5 lb/pie, y se tiene una elongacin

de 24 pg con una tensin de 50,000 lb

(224,175) (e) (Wu) (224,175) (24) (19.5)

T (50,000)

LST = 2,098 m

LST =

Ejercicio

=


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 43

Torsin en funcin de las vueltas

0.203 (QT) (LQ)

10,0000 (D4 d4)

Donde:

N = Nmero de vueltas aplicadas en la superficie (adim.).

QT = Fuerza de torsin (lb-pie).

LQ = Longitud de la tubera a donde se aplica el torque(pies).

D = Dimetro exterior de la tubera (pg).

d = Dimetro interior de la tubera (pg).

N =

Ecuacin para la torsin en funcin del nmero de vueltas


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 44

Torsin en funcin de las vueltas

Se tiene una tubera de 3 de 9.5 lb/pie y se encuentra

pegada a 4800 m y se le aplicaron 15 vueltas. Qu

torque se esta aplicando en el fondo?

10,000 (D4 d4) N 10,0000 (3.54 2.9924) (15)

0.203 (LQ) 0.203 (15,744)

QT = 3,280 lb-pie

QT =

Ejercicio

=


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Septiembre, 2008.

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perforacin.

TenarisTamsa 45

Esfuerzos combinados

0.96167 J T2

D A2

Donde:QT = Fuerza de torsin (lb-pie).

J = Momento de inercia polar (pg4) = (D4-d4)/32.

A = rea de seccin transversal (pg2) = (D2-d2)/4.

D = Dimetro exterior de la tubera (pg).

T = Carga de tensin (lb-f).

y = Esfuerzo a la cedencia de la tubera (psi).

QT =

Ecuacin para efectos combinados de Tensin - Torsin

y2 -


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perforacin.

TenarisTamsa 46

Esfuerzos combinados

Del mismo caso anterior, de la tubera de 3 de 9.5

lb/pie y se encuentra pegada a 4800 m; se le aplicaron 15

vueltas y 45 toneladas de tensin. Qu torque se esta

aplicando a la profundidad donde esta pegada?

J = (D4 - d4)/32 = (3.54 2.9924)/32 = 6.86 pg4

A = (D2 - d2)/4 = (3.52 2.9922)/4 = 2.59 pg2

0.96167 (6.86) (99,000)2

3.5 (2.59)2QT =

Ejercicio

(95,000)2 - = 163,930 lb-pie


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perforacin.

TenarisTamsa 47

Carga lateral sobre la junta

(180,000) F

(

) (L) (T)Donde:

c = Mxima severidad de la pata de perro (grados/100

pies).

F = Fuerza lateral sobre la junta (lb). Arthur Lubinski indicaque el valor de 2,000 lb es aceptable.

L = La mitad de la longitud de la conexin. Rango 2=180

pg.

c =

Ecuacin para determinar la mxima severidad de lapata de perro permisible


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Septiembre, 2008.

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perforacin.

TenarisTamsa 48

Altura de la juntas en la mesa rotaria

Durante las operaciones de enrosque y desenrosque de

las juntas de la tubera de perforacin en el piso de

perforacin debe mantenerse la junta lo ms cercano a las

cuas ya que se pueden presentar problemas dedoblamiento de la junta, lo que genera deformacin y dao

generando una reduccin en su vida til.

Altura mxima de la junta cerca de las cuas


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Septiembre, 2008.

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perforacin.

TenarisTamsa 49


y (I/C) LT

61.89 T

Donde:

Hmx. = Altura mxima de la junta desde las cuas (pie).

y = Esfuerzo de cedencia de la tubera (psi).

I/C = Mdulo de la seccin de la tubera (pg3).

LT = Longitud del brazo de la llave (pie).

T = Torque aplicado a la junta (lb-pie).

Caso I (ngulo de 90)

Hmx. =


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 50


y (I/C) LT

86.32 T

Donde:

Hmx. = Altura mxima de la junta desde las cuas (pie).

y = Esfuerzo de cedencia de la tubera (psi).

I/C = Mdulo de la seccin de la tubera (pg3).

LT = Longitud del brazo de la llave (pie).

T = Torque aplicado a la junta (lb-pie).

Caso II (ngulo de 180)

Hmx. =


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perforacin.

TenarisTamsa 51

Altura de la junta en la mesa rotaria

Constante I/C (requerida para el clculo)Peso Unitario (lb/pie)

4.856.656.85

10.409.50

13.3015.5013.7516.6020.00

22.8224.6625.5016.2519.5025.60

I/C (pg3)0.660.871.121.601.962.572.923.594.275.17

5.686.036.194.865.717.25

Dimetro (pg)2 3/8

2 7/8

3

4

5


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perforacin.

TenarisTamsa 52

Problemas

Es comn el dao que

genera la tubera de

perforacin (las juntas de

mayor dimetro,recubrimiento duro) sobre la

tubera de revestimiento,

principalmente en pozos

direccionales, horizontales en operaciones de pegadura

(trabajo a tensin, torsin,

compresin, etc.).

Dao a la tubera de revestimiento


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perforacin.

TenarisTamsa 53

Problemas

Ruptura de una la junta de tubera de perforacin

generada por la acumulacin de esfuerzos en la junta, la

cual haba sido reparada en dos ocasiones.

En cada reparacin

se pierde una

longitud de

aproximadamente2 pg.

Ruptura en la junta de perforacin


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 54

Problemas

Ruptura tpica de esfuerzos combinados de tensin con

torsin. La junta fue reparada (longitud de la caja muy

acortada) y se observa un importante dao causado por

las cuas.

Ruptura por esfuerzos combinados


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Septiembre, 2008.

David Hernndez M


perforacin.

TenarisTamsa 55

Avances tecnolgicos

Hoy en da existen recubrimientos duros

exterior especiales de un material que

reduce el dao por la friccin generada a

la tubera de revestimiento.

Existen juntas de tubera de perforacindiseadas para ser utilizadas en

ambientes corrosivos.

Existen mejores recubrimientos interiores

que permiten mayor resistencia a la

abrasin y temperatura (180C).

Desarrollos Tecnolgicos


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04.09.08

Conceptos, diseo de sartas y tuberas

de perforacin

M.I. David Hernndez MoralesServicios Tcnicos Petroleros

diseño tubería perforación.pdf

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