46 Diseño Tubería Revestimiento Tenaris

Diseño de tuberías de revestimiento

M.I. David Hernández Morales Servicios Técnicos Petroleros 30 de Marzo de 2012

Contenido ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü

Asentamiento de las tuberías Carta de selección de las tuberías Arreglos de tuberías Eficiencia en la cementación Funciones de una tubería conductora Funciones de una tubería superficial Funciones de una tubería intermedia Funciones de una tubería explotación Fuerzas principales (Tensión, compresión, presión interna y colapso) Factores de seguridad

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

2

Contenido ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü ü

Diseño para una tubería de revestimiento superficial Diseño para una tubería de revestimiento intermedia Diseño para una tubería de revestimiento de explotación Desgaste de tubería Problemas de Colapso Tectónica de la sal Carga Axial de flexión pura Pandeo Helicoidal Esfuerzos biaxiales Esfuerzos triaxiales Resultados del paquete

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3

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

Perfil de Conductividades.

Profundidad de asentamiento Con base en la información de los gradientes de poro, gradientes de fractura, experiencia del campo petrolero y requerimiento del objetivo de explotación, se definirá el arreglo de las tuberías de revestimiento; es decir los diámetros y las profundidades de asentamiento de los mismos.

1.000

Profundidad (m)

2.000

Zona de pérdidas

20 30

TenarisTamsa

3.000

4.000

50

100

200 300

Conductividad (mmohs/m)

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densidad Gradiente de Fractura

5.000

1

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Densidad (gr/cc)

David Hernández M

4

Asentamiento de las tuberías

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

5

Arreglos de tuberías 30”

30”

20”

30”

20”

20”

13 3/8”

13 3/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

16”

11 ¾”

13 3/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½” Diseño de tuberías de revestimiento

9 5/8” ó 9 7/8”

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½” TenarisTamsa

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½” David Hernández M

6

Arreglos de tuberías 13 3/8”

13 3/8”

9 5/8”

9 5/8”

7”

7”

5”

3 1/2”

30”

16”

10 ¾”

Arreglos esbeltos y tecnología tubing less 7 5/8”

5”

Arreglo que fue muy utilizado para pozos de desarrollo Diseño de tuberías de revestimiento

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7

Aguas profundas: Full bore/large bore Tirante de agua 1117 m Zona obscura

δ = 1.05 g/cm3 36” δ = 1.05 g/cm3 δ = 1.23 g/cm3

δ = 1.43 g/cm3

δ = 1.58 g/cm3

δ = 1.60 g/cm3

δ = 1.65 g/cm3

1226 m

22”

1830 m

18”

2450 m

16”

2970 m

13 5/8”

9 5/8”

7 5/8”

Diseño de tuberías de revestimiento

3870 m

4180 m

4775 m

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Jeteo Barrena 26” ó 28”

Barrena 17 ½” ampliador hidráulico 22”

Barrena piloto 12 ¼” ampliador hidráulico 16” X 20”

Barrena piloto 14 ½” ampliador hidráulico 17 ½”

Barrena 12 ¼”

Barrena 8 ½”

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8

Aguas profundas. Tirante 3,000 m Tirante de agua 2,933 m Proyecto para Aguas Profundas Tirante de agua 3,000 m

Cabezal submarino 18 ¾” – 15M Cima housing 36” = 2.30 m

T = 4 °C

36”

3,600 m

22” 4,150 m 18”

Lodo

Diámetr o

Jetteada

AM + BB 1.05

36”

26”X33”

1.05

28”

12¼”X17½”X 26” Dark zone

3,068 m

28”

Barrena

12¼”X17½”X 22” 12 ¼”X20” 14 ¾”X17 ½” 12 ¼”

1.05 1.31 1.50 1.14 1.21 1.21 1.29 1.29 1.33 1.33 1.38

4,550 m

16”

4,750 m

13 5/8” 9 7/8”

7 5/8”

8 ½”

1.38 1.45

Peso Conexión (lb/pie)

Tipo

Grado

De

Hasta Longitud

Line pipe Line pipe

X-65 X-56

726.42 RL-2HCX 2,958 552.69 RL-4RB 2,998

2,998 3,068

40 70

X-56

218.27

RL-4SL

2,958

3,600

642

22”

Line pipe

X-80

224.28

XLW

2,958

4,150

1,192

18"

Liner

N-80

117.00

TSH 511

3,950

4,550

600

16”

Liner

N-80

84.00

TSH 511

3,650

4,750

1,100

TAC-140

88.20

TSH SLX

2,958

5,260

2,302

13 5/8” Casing 9 7/8”

Liner

TAC-140

62.80

TSH 513

5,060

6,050

990

9 7/8”

Tie back

TRC-95HC TAC-110

62.80

TSH 513

2,958 4,200

4,200 5,060

1,242 860

7 5/8”

Liner

TAC-140

39.00

TSH 513

5,850

6,665

815

5,260 m 6,050 m

6,665 m

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9

Carta de selección 4”

TR y linear Diámetro barrena

4 ¾”

TR y linear Diámetro barrena TR

5 7/8”

6 5/8”

7 7/8”

4 ½”

5”

5 ½”

6 1/8”

6 ½”

7 7/8”

7 5/8” 7 ¾”

7”

8 ½”

8 ¾”

9 5/8” 9 7/8”

8 5/8”

8 5/8”

9 5/8”

9 ½”

10 5/8”

12 ¼”

10 3/4”

11 ¾” 11 7/8”

13 3/8” 14”

Diámetro barrena

10 5/8”

12 ¼”

14 ¾”

17 ½”

TR

11 ¾” 11 7/8”

13 3/8” 14”

16”

20”

Diámetro barrena

14 ¾”

17 ½”

20”

26”

16”

20”

24”

30”

TR

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Opción primaria Opción secundaria

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10

Biscéntricas

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11

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

Porcentaje de

75 50

éxito 25 0

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Claro radial anular (pg)

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12

Eficiencia en la cementación

Diseño de tuberías de revestimiento

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13

Modos de falla de la cementación Ruptura (cracks)

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Deformación, anillos, microhuecos, etc

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14

Eficiencia en la cementación

Cracked Cement Sheath

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15

Eficiencia en la cementación. Respuesta del CBL-VDL Tubería libre

Buena unión casingcemento-formación

Microanillos o canales

Buena unión casing-cemento y una pobre unión cemento-formación o alta atenuación de la formación

Rápido arribo de la formación

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16

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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17

Tipos de cementos (clasificación API)

Tipos Mezcla con agua Peso de la lechada Temperatura Estática Clasificación API (gal./saco) (lit./saco) (lb/gal) (gr/cc) °F °C A B C D E F G H

5.2 5.2 6.3 4.3 4.3 4.3 5.0 4.3

20.00 20.00 24.00 16.25 16.25 16.25 20.00 16.25

15.6 15.6 14.8 16.4 16.4 16.4 15.8 16.4

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1.87 1.87 1.78 1.98 1.98 1.98 1.90 1.98

80 - 170 80 - 170 80 - 170 170 - 230 170 - 290 230 - 320 80 - 200 80 - 200

26 - 77 27 - 77 28 - 77 77 - 110 77 - 143 110 - 160 26 - 93 26 - 93

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Condiciones de uso Estándar Estándar Cuando se requiere un esfuerzo del cemento rápido Para una moderada temperatura y presión Para una alta temperatura y presión Para extra alta temperatura y extra presión Son usados como un cemento base con acelerador o retadadores para rangos extrechos de uso

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18

Accesorios para la cementación

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David Hernández M

19

Accesorios para la cementación

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20

Descripción de las tuberías CONDUCTOR

SURFACE

Casing

Tie back

Tubing

Liner INTERMEDIATE

Casing

Stub

INTERMEDIATE

Packer Liner

PRODUCTION Liner Shooting

PRODUCTION

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21

Tubería Conductora 30”

Funciones ü Se utiliza a profundidades someras. ü En terrenos suaves y pantanos es común que

50 m

1000 m

20”

se pilote. Para lechos marinos se introduce mediante la operación de jetteo.

ü ü ü ü

Evitar derrumbes alrededor del equipo de perforación.

13 3/8”

3600 m

Permitir el retorno del fluido. Soportar al cabezal del pozo ó se instala el sistema de desviador de flujo (diverter). Estos conductores se utilizan con extremos lisos para soldarse ó con conexiones rápidas.

5600 m

9 7/8”

7”

5” Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

6400 m

7100 m

David Hernández M

22

Tubería Conductora Fotografías

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23

Tubería Conductora Hincado de tubería ü El martillo genera un impacto de golpe de 125,000 psi.

ü

Para tuberías de 30” X 1/2” de espesor, el rechazó se puede alcanzar hasta 70 golpes por pie de hincado.

ü

Para tuberías de 30 X 1” de espesor, el rechazó se puede alcanzar hasta 200 golpes por pie hincado.

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24

Tubería Superficial 30”

Funciones ü Es la primera tubería de revestimiento que se

50 m

1000 m

20”

introduce al pozo.

ü

Proteger los acuíferos superficiales de la contaminación de los fluidos de perforación.

ü

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

ü

ü

Se instala el primer cabezal y conexiones superficiales de control. Posteriormente soportará al resto de colgadores, árbol de válvulas y aparejo de producción.

13 3/8”

3600 m

5600 m

9 7/8”

7”

6400 m

Se recomienda cementar hasta la superficie. 5”

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7100 m

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25

Tubería Superficial

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26

Tubería Superficial Levantamiento de cabezales. Caso terrestre.

Casing 24”

Casing 16”

(conductor)

(superficial)

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Casing 11 ¾”

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27

Tubería Superficial Levantamiento de cabezales. Caso Marino.

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28

Tubería Superficial Descontrol subterráneo de un pozo (blowout).

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29

Prueba de Goteo (Leakoff Test – LOT) Desarrollo ü El lodo de perforación debe de estar en buenas condiciones. ü Muchos operadores perforan como máximo 100 pies (30 m) por debajo de la zapata.

ü ü

Se cierran los preveentores (BOP).

ü

Cuando se detecté un cambio en la tendencia, podrá seguir bombeando un volumen pequeño y suspender dejando cerrado el pozo durante 10 minutos e ir anotando el comportamiento de presión.

ü

Después de abrir el pozo, se deberá de cuantificar el volumen que regresa la formación.

Se inicia el bombeo. Se recomienda para agujeros pequeños un gasto de ¼ de bls/min. y para agujeros grandes ½ de bls/min.

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30

Prueba de Goteo (Leakoff Test – LOT) Ejemplo

Se realizó un prueba de leakoff test a la profundidad de 3,050 m (10,000 pies) con un fluido de 1.35 g/cc (11.2 lb/gal) y se obtuvo el siguiente comportamiento gráfico y después de que se abrió el pozo se observó que este regreso 5 barriles . Volumen (Barriles)

Presión (psi) 1200

0 45 125 230 350 470 590 710 830 950 990 1,010 1,010 1,010

Diseño de tuberías de revestimiento

1000

Presión (psi)

0.00 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.25 6.50

800

Estabilización de la presión a 10 minutos

600 400 200 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Volumen (barriles)

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Tubería Intermedia 30”

Funciones ü Permitir la perforación, incrementando o

50 m

1000 m

20”

reduciendo la densidad del lodo para alcanzar la siguiente etapa.

ü ü

ü ü

Proteger al agujero de derrumbes. Sellar zonas de pérdidas de circulación, aislar domos salinos, anhidrita ó problemas de tectónica de placas. Cubrir zonas de presión anormalmente altas de lutitas y formaciones carbonatadas. Se recomienda que se cemente totalmente. Sin embargo, es común que se cemente con un traslape.

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13 3/8”

3600 m

5600 m

9 7/8”

7”

5”

6400 m

7100 m

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32

Tubería Explotación 30”

Funciones ü Proteger al agujero de zonas de derrumbes, de

50 m

1000 m

20”

baja permeabilidad que puedan ocasionar pérdidas de circulación.

ü ü ü

Aislar el yacimiento de los fluidos indeseables. Se instalaran los accesorios y empacadores para la terminación del pozo.

13 3/8”

3600 m

Cuando es un liner se recomienda que se cemente totalmente. 5600 m

9 7/8”

7”

5” Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

6400 m

7100 m

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33

Fuerzas Principales Fuerzas principales que actual sobre la TR Colapso Generada por los fluidos contenidos en la formación.

Fuerza de Tensión Generada por el peso de la tubería.

Presión Interna Generada por una posible manifestación de gas, aceite, agua salada, etc. Fuerza de compresión Generada por el fluido de perforación durante la introducción o por el cemento durante la cementación.

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34

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

Factores de seguridad comúnmente utilizados

Presión interna

1.10

Colapso

1.125

Tensión

1.60 – 1.80

Compresión

1.20

Elipse Von Misses

1.25

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35

Fuerzas Principales Tensión La magnitud de la tensión de la tubería en superficie es el peso de la misma cuando es introducida en el pozo y durante la operación de cementación. En el diseño de las tubería deberá considerarse un valor adicional de tensión, debido a que durante la introducción pueden presentarse pegaduras, derrumbes, fricciones, etc., y pude ser necesario sacar la tubería a superficie. Un factor se seguridad a la tensión aceptado en la Industria Petrolera y Geotérmica es de 1.6 a 1.8 Diseño de tuberías de revestimiento

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36

Fuerzas Principales Tensión Los métodos comúnmente utilizados para calcular la tensión de la tubería de revestimiento son:

üMétodo del Factor de Flotación. üMétodo de presión-área.

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37

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

Tensión (1,000 lb)

d = 8.625”

747 lb-f

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

D = 9.875” de 62.8 lb/pie

Tensión

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

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

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38

Fuerzas Principales Collarin de seguridad

Diseño de tuberías de revestimiento

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39

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

Tensión (1,000 lb)

d = 4.892”

123 lb-f

W TR = W unitario* D W TR = (2600 m)(17 lb/pie)(3.28) W TR = 144,976 lb

D = 5 ½” de 17 lb/pie δ = 1.45 gr/cm3

Tensión

P.N. = (1232,697)/(3.28)(17) = 2200 m

Compresión -22 lb-f

2600 m A = π(D2-d2)/4 = π(5.52-4.8922)/4 = 4.962 pg2 PH = δ (D) /10 = 1.45(2600)/10 = 377 kg/cm2 = 5,353 psi F = PH * A = (5,353 lb/pg2)(4.962 pg2 ) = - 22,279 lb-f

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40

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

Tensión (1,000 lb)

d = 4.892”

123 (1.8)= 221 lb-f

W TR = W unitario* D W TR = (2600 m)(17 lb/pie)(3.28) W TR = 144,976 lb

D = 5 ½” de 17 lb/pie δ = 1.45 gr/cm3

P.N. = 2200 m

Tensión Compresión 2600 m

-22 (1.2) = - 26.4 lb-f

A = π(D2-d2)/4 = π(5.52-4.8922)/4 = 4.962 pg2 PH = δ (D) /10 = 1.45(2600)/10 = 377 kg/cm2 = 5,353 psi F = PH * A = (5,353 lb/pg2)(4.962 pg2 ) = - 22,279 lb-f

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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41

Fuerzas de tensión y compresión δ lodo = 1.45 g/cm3

d = 4.892”

450 m

Compresión (lb) Tensión ( lb) 144,976 – 49,320 = 95,656 lb-f

W TR = W unitario* D W TR = (2600 m)(17 lb/pie)(3.28) W TR = 144,976 lb

δ cemento = 1.70 g/cm3

1600 m

Tensión Compresión

δ cemento = 1.85

g/cm3

P.N. = (95,656)/(3.28)(17) = 1715 m P.N. = 2200 m

- 150,274+100,956 = - 49,320 2600 m Por Exterior: A = π(D2)/4 = π(5.52))/4 = 23.74 pg2 PH1 = δ (D) /10 = 1.45(450)/10 = 65.25 kg/cm2 PH2 = δ (D) /10 = 1.70(1600 - 450)/10 = 195.5 kg/cm2 PH3 = δ (D) /10 = 1.85(2600 - 1600)/10 = 185 kg/cm2 Total de Presión = 445.75 kg/cm2 = 6,330 psi F = PH * A = (6,330 lb/pg2)(23.74 pg2 ) = - 150,274 lb-f Diseño de tuberías de revestimiento

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Por Interior: A = π(d2)/4 = π(4.8922))/4 = 18.80 pg2 PH1 = δ (D) /10 = 1.45(2570)/10 = 372.65 kg/cm2 PH2 = δ (D) /10 = 1.85(30)/10 = 5.55 kg/cm2 Total de Presión = 378.2 kg/cm2 = 5,370 psi F = PH * A = (5,370 lb/pg2)(18.80 pg2 ) = + 100,956 lb-f David Hernández M

42

Fuerzas Principales Compresión La fuerza de compresión es genera por el empuje del fluido (lodo ó cemento) que actúa sobre el área de la sección transversal de la tubería, al ser introducida al pozo. Altos valores de compresión pueden presentarse cuando la tubería de revestimiento es introducida en altas densidades del fluido de perforación y en las cementaciones. La fuerza de compresión deberá desaparece después del fraguado del cemento.

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43

Fuerzas Principales Compresión

El diseñador deben tener presente este fenómeno, principalmente en la selección de la conexión; ya que las conexiones integrales lisas (flush) ó suajeadas (semi flush) tienen un menor valor de resistencias a la compresión de las conexiones con cople y del propio tubo; por lo que es recomendable revisar este valor.

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44

Fuerzas en caso de casing flotado Compresión (1,000 lb)

Tensión (1,000 lb)

Nivel = 1000 m

585,565 lb-f

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

D = 9.875” de 62.8 lb/pie

Tensión

P.N. = (747,328)/(3.28)(62.8) = 2843 m

d = 8.625”

Compresión

δ = 1.95 gr/cm3

-403, 158 lb-f

4800 m Por el exterior: A = π(D2)/4 = π(9.8752)/4 = 76.59 pg2 PH = δ (D) /10 = 1.95(4800)/10 = 936 kg/cm2 = 13, 291 psi F = PH * A = (13, 291 lb/pg2)(76.59 pg2 ) = - 1,017,958 lb-f Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Por el interior: A = π(d2)/4 = π(8.6252)/4 = 58.43 pg2 PH = δ (D) /10 = 1.95(3800)/10 = 741 kg/cm2 = 10,522 psi F = PH * A = (10,522 lb/pg2)(58.43 pg2 ) = + 614,800 lb-f David Hernández M

45

Fuerzas en caso de casing flotado Compresión (1,000 lb)

Tensión (1,000 lb) 657,964 lb = 300 Ton

Nivel = 492 m W TR = 974,160 lb

P.N. = 2786 m

d = 12.347”

Tensión Compresión

δ = 1.54 g/cm3 13 3/8” - 4,125 m

Diseño de tuberías de revestimiento

- 316,196 lb-f

TenarisTamsa

David Hernández M

46

Autores Diseño de tuberías de revestimiento por cargas máximas ü Well Control – Neal Adams. ü Applied Drilling Engineering – Adam T. Bourgoyne Jr., Keith K. Millheim, Martin E. Chenevert, F.S. Young Jr. ü Petroleum Enginnering and Development Studies. Volumen 1. Fundamentals of Casing Design. Hussain Rabia ü Petroleum Well Construction. Michael J. Economides, Larry T. Watters, Shari Dunn Norman. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

47

Criterios de Diseño para Casing’s Presión de Colapso

Presión Interna Respaldo: agua Salada

Carga: Fluido de la densidad cuando se perforó

Efecto: Pérdida de circulación

Carga: Gasificación Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

48

Diseño para TR superficial Presión Interna ü Como carga se considera un brote de gas metano que ocupa todo el interior de la tubería llena. ü No hay que sobrepasar la presión de fractura por debajo de la zapata. ü Como respaldo se considera la presión de formación normal del área. ü El efecto de cemento se considera despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Presión de formación normal

Precaución: Con la presión de fractura

Carga: Brote de gas metano David Hernández M

49

Diseño para TR superficial Colapso üComo carga se considera el fluido de perforación cuando se perforó esa etapa. üComo respaldo se considera el nivel del fluido por el interior, al considerarse una pérdida de circulación y el nivel es equivalente a la presión de formación normal ó un tercio de la evacuación. üEl efecto de cemento despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Nivel del fluido

Carga: Fluido de la densidad cuando se perforó

Efecto: Pérdida de circulación David Hernández M

50

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos:

P. inyección = 172 Kg/cm2 = 2,445 psi 2) Presión superficial esperada en la cabeza del pozo P bop’s = P inyección – PH gas = 172 – (0.27)(1,000)/10 P bop’s = 172 – 27 = 145

kg/cm2

Prespaldo

20” a 1000 m

= 2,060 psi

3) Presión de respaldo P respaldo = 1.07(1,000)/10 = 107 kg/cm2 = 1,520 psi

δ lodo =1.54 gr/cm3

P. inyección = (δfractura + 0.12) D/10 = (1.60 + 0.12) (1,000)/10

δmetano=0.27g/cm3

1) Presión de inyección debajo de la zapata

δ fractura=1.60 g/cm3

3500 m brote gas metano

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

51

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Presión Interna

δ = 1.07 g/cm3

2,060 psi

2,270 psi

δmetano=0.27g/cm3

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

Respaldo

Resultante Diseño

Carga

925 psi

20” a 1,000 m Diseño de tuberías de revestimiento

1,020 psi

1,000 TenarisTamsa

1,520 psi

2,000 Presión (psi)

2,445 psi

3,000 David Hernández M

52

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso Cálculos:

2) Presión hidrostática ejercida por el fluido de la siguiente etapa (hasta la profundidad del siguiente asentamiento) PH lodo - próxima etapa = δD/10 = 1.54 (3,500)/10 = 539 kg/cm2 3) Presión Hidrostática simulando una columna de agua congénita. PH agua congétita = 1.07 (3,500) /10 = 375 Kg/cm2 = 5,325 psi 4) Diferencial de presión ∆P = 539 – 375 = 164

Nivel = 1065 m δ fract.=1.60 g/cm3 20” – 1000 m δ lodo =1.54 g/cm3

Respaldo

δ lodo =1.20 r/cm3

P colapso = δ (D)/10 =1.20(1,000)/10 =120 Kg/cm2 =1,704 psi

vacío

1) Presión de colapso.

Pérdida de circulación

Kg/cm2 Prof. próxima 3500 m

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

TenarisTamsa

David Hernández M

53

Diseño para TR superficial

δ = 120 g/cm3

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

Carga y resultante

Diseño 1.125 1,704 psi

20” a 1,000 m Diseño de tuberías de revestimiento

1,000 TenarisTamsa

Presión (psi)

1,920 psi

2,000

3,000 David Hernández M

54

Diseño para TR superficial

vacío

Ejemplo. Caso: Colapso (con experiencia, nivel a 300 Cálculos: m) P colapso = δ (D)/10 =1.20(1,000)/10 =120 Kg/cm2 =1,704 psi Respaldo 2) Presión de respaldo Prespaldo = δD/10 = 1.54 (700)/10 = 107 kg/cm2 = 1530 psi

δ lodo =1.20 g/cm3

1) Presión de colapso.

Nivel = 300 m

δ lodo =1.54 g/cm3

20” – 1000 m

Prof. próxima 3500 m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

δ fract.=1.60 g/cm3

Pérdida de circulación equivalente 1.32 g/cm3

David Hernández M

55

Diseño para TR superficial

δ

lodo=

1.54 g/cm3

δ = 1.20 g/cm3

Ejemplo. Caso: Colapso (con experiencia de campo)

P r o f u n d i d a d

575 psi

511 psi

Respaldo

Nivel del fluido por el interior a 300 m

1.125 Diseño

Resultante Carga 174 psi

196 psi

20” a 1,000 m Diseño de tuberías de revestimiento

1530 psi

1,000 TenarisTamsa

1,704 psi

Presión (psi)

2,000

3,000 David Hernández M

56

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

Diseño

K – 55, 106.5 lb/pie – 2,410 psi

K – 55, 94 lb/pie – 2,110 psi

P r o f u n d i d a d

Colapso

2,270 psi

P r o f u n d i d a d

1,020 psi 1,000

2,000

3,000

575 psi

K – 55, 106.5 lb/pie – 770 psi

Presión interna

Nivel del fluido por el interior a 300 m

196 psi 1,000

Presión (psi)

Presión (psi)

2,000

3,000

Conclusión: 20” K-55, 106.5 lb/pie de 0 a 1000 m. Drift = 18.813 pg

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

57

Arreglo BOP´s

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

58

Diseño para TR Intermedia Presión Interna ü Se considera un brote de gas metano. ü Para este caso se considera dos fluidos por el interior el lodo de perforación y el gas. ü Tener cuidado de no sobrepasar la presión de fractura en la zapara (durante la circulación del brote). ü El respaldo se considera la presión de formación del área. ü El efecto de cemento despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Presión de formación normal

Precaución: Con la presión de fractura

Carga: Brote de gas metano David Hernández M

59

Diseño para TR Intermedia Colapso

ü La

carga es el fluido de perforación cuando se perforó. ü Se considera una pérdida de circulación cuando se esta perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura que es equivalente a la presión de formación normal de la zona ó un tercio de la evacuación. ü El efecto de cemento despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Nivel del fluido

Carga: Fluido de la densidad cuando se perforó

Efecto: Pérdida de circulación David Hernández M

60

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 1) Presión de inyección en la zapata Pinyección = (δfractura + 0.12) D/10 = (2.00 + 0.12) (3,500)/10 Pinyección = 742 Kg/cm2 = 10,540 psi

Formación normal 1.07 g/cm3

δ lodo =1.90 g/cm3

Cálculos: BOP’S – 5M

Interfase gas-lodo = 1810 m

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

13 3/8”–3500m

δ fract.=2.00 g/cm3

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

5000 m

brote gas metano de 0.27 g/cm3

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

TenarisTamsa

David Hernández M

61

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 742 = 352 + (3,500 – Ygas) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 742 = 352 + (3,500 - Ygas) (1.90)/10 + (Ygas) (0.27) /10 742 = 352 + 665 – 0.190 Ygas + 0.027 Ygas 742 – 352 -665 = – 0.163 Ygas

Formación normal 1.07 g/cm3

δ lodo =1.90 g/cm3

Cálculos: BOP’S – 5M

Interfase gas-lodo = 1810 m

- 275 = – 0.163 Ygas Ygas = 275 / 0.163 = 1,690 m

13 3/8”–3500m

δ fract.=2.00 g/cm3

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

5000 m

brote gas metano de 0.27 g/cm3

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

TenarisTamsa

David Hernández M

62

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 4) Cálculo de la presión de respaldo P respaldo = (δformación normal) D/10 = P respaldo = (1.07)(3,500)/10 = 375 Kg/cm2 = 5,320 psi

Formación normal 1.07 g/cm3

13 3/8”–3500m

5000 m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

δ lodo =1.90 g/cm3

Cálculos: BOP’S – 5M

Interfase gas-lodo = 1810 m

δ fract.=2.00 g/cm3

brote gas metano de 0.27 g/cm3

David Hernández M

63

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna δ = 190 gr/cm3 δmetano=0.27g/cm3

δ = 1.07 gr/cm3

5,000 psi

P r o f u n d i d a d

5,500 psi

Respaldo 1,810 m

2,750 psi

7,140 psi

Resultante

7,854 psi

Diseño Carga

5,742

13 3/8” a 3,500 m

9,890 psi

5,220 psi

10,540 psi

5,320 psi

5,000

10,000

15,000

Presión (psi)

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

64

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Colapso Cálculos:

PH lodo - próxima etapa = δD/10 = 1.90 (5,000)/10 = 950 kg/cm2 2) Presión hidrostática del fluido de formación normal PH form. normal = 1.07 (5,000) /10 = 535 Kg/cm2 3) Diferencial de presión

13 3/8”–3,500m

∆P = 950 – 535 = 415 Kg/cm2 4) Nivel del fluido N fluido = ((∆P) 10/δ lodo) = 415 (10) / 1.90 = 2,185 m 5) Presión de colapso en el fondo Pcolapso = δ (D)/10 = 1.54(3,500)/10 =539 Kg/cm2 =7,650 psi

Diseño de tuberías de revestimiento

Nivel=2185m

TenarisTamsa

δ lodo =1.90 g/cm3

siguiente etapa hasta la profundidad próxima

δ lodo =1.54 g/cm3

1) Presión hidrostática del fluido de perforación de la

δ fract.=2.00 g/cm3

Pérdida de circulación 5,000 m

David Hernández M

65

Diseño para TR intermedia

δ lodo= 1.90 g/cm3

δ = 1.54 g/cm3

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

2,135 m

5,253 psi

4,670 psi

Resultante Respaldo

Diseño 3,680 psi

13 3/8” a 3,500 m

Diseño de tuberías de revestimiento

3,970 psi

4,470 psi

5,000 Presión (psi)

TenarisTamsa

Carga 7,650 psi

10,000

David Hernández M

66

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

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

13 3/8” P-110 77lb/pie – 7,920 psi

Lodo gas

7,854 psi

Diseño

5,000 Presión (psi)

13 3/8” TAC-140 77lb/pie – 10,070 psi

10,000

P r o f u n d i d a d

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

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

10,000

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

TenarisTamsa

David Hernández M

67

Arreglo BOP’s

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

68

Diseño para TR explotación BOP’s

Presión Interna üSe considera una fuga de presión en la tubería de producción y esta se comunica hacía la tubería de revestimiento cerca de la superficie. Esta presión será igual a la presión de formación.

Respaldo: No se considera

üSe considera gas. üSe considerauna degradación del fluido empacante. Carga: Presión de yacimiento Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

69

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

üSe considera una fuga del fluido empacante.

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

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Carga: Fluido de la densidad cuando se perforó

Respaldo: No se considera (full evacuation)

David Hernández M

70

Tubería Explotación Observaciones a considerar

ü La tubería de explotación deberá ser diseñada a su máximo colapso, debido a que en operaciones de terminación del pozo se realiza una estimulación la cual genera una evacuación total del pozo, siendo esta crítica cuando el pozo no produce (full evacuation).

ü La

tubería de explotación debe de ser diseñada a su máxima presión interna debido a que se pueden manejar altas presiones por una estimulación ó un fracturamiento (surface tubing leak hot or fracturing).

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

71

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Presión Interna Cálculos: 1)

Presión interna en la zona de los disparos.

BOP’S – 10M

Si se conoce el valor de la presión de fondo fluyendo, este será el valor a ser considerado.

Comunicación de la presión del yacimiento hacía la TR

P interna en el fondo = (D disparos) (δ lodo)/10 = (5,300) (1.35) / 10= 715 Kg/cm2 = 10,160 psi Ahora en la superficie sería: P superficie = Pyac.- (H gas) (δ lodo)/10 = 715 - (5,300) (0.27) / 10= 572 Kg/cm2 = 8,122 psi

Nota: Obsérvese que las conexiones superficiales de control son para 10,000 psi de presión. Sin embargo, si su proyecto requiere de mayor presión las conexiones superficiales deberán de ser de 15,000 psi.

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

9 5/8”–5,000m

Disparos 7” –5,500m

δ lodo=1.35 g/cm3 5,300 m Presión de fondo fluyendo

David Hernández M

72

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Presión Interna BOP = 10,000 psi 8,122 psi

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

Carga y Resultante Algunos diseñadores, esta línea la consideran como la de carga, resultante y DISEÑO (por las propias consideraciones de diseño)

Intervalo de los disparos Presión fondo fluyendo

8.934 psi

7”a 5,500 m

Diseño de tuberías de revestimiento

5,000 TenarisTamsa

10,150 psi 10,000 Presión (psi)

Diseño

11,165 psi 15,000 David Hernández M

73

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

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

Vació

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

9 5/8”–5,000m Densidad del fluido cuando se perforó

Disparos 7” –5,500m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

δ lodo=1.35 g/cm3 5,300 m Presión de fondo fluyendo

David Hernández M

74

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Colapso

δ = 1.35 g/cm3

Vacío

BOP = 10,000 psi

P r o f u n d i d a d

Carga y Resultante Algunos diseñadores, esta línea la consideran como la de carga, resultante y DISEÑO (por las propias consideraciones de diseño)

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

5,000 TenarisTamsa

Diseño

10,535 psi

Presión (psi)

10,000

11,850 psi 15,000 David Hernández M

75

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

Colapso

BOP = 10,000 psi

7” TRC-95 32 lb/pie – 9,740 psi

7” TRC-95 32 lb/pie – 10,760 psi

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

Intervalo de los disparos 5,000

BOP = 10,000 psi

P r o f u n d i d a d

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

10,150 psi Presión (psi)

10,000

10,535 psi 15,000

5,000

Presión (psi)

10,000

15,000

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

TenarisTamsa

David Hernández M

76

Arreglo BOP’s

9 5/8”

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

77

Desgaste en tuberías Problemática

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

78

Desgaste en tuberías Problemática El desgaste mecánico se genera en las tuberías por: üPaso de las herramientas en secciones con altas severidades de pata de perro (cambio de ángulo y rumbo). üAltas horas de rotación. üOperaciones de pesca. Cuando exista la evidencia de desgaste, el diseñador deberá considerar un incremento en el espesor del cuerpo del tubo, siempre y cuando pueda introducirse la barrena de la siguiente etapa (drift). Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

79

Desgaste en tuberías Pérdida de las propiedades mecánicas de la tubería por efecto del desgaste mecánico. Ejemplo: 13 3/8” N-80 72 lbm/ft.

Espesor Tensión Colapso Presión interna

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

Diseño de tuberías de revestimiento

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

TenarisTamsa

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

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

David Hernández M

80

Desgaste en tuberías Presión Interna

Problemas de desgaste Colapso

Corrosión Diámetro exterior

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

Diámetro interior

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

81

p r o f u n d i d a d

Lodo 1.25 gr/cc

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

(m)

1991 m Bache 1.00 gr/cc 2144 m

Anomalía 2065 y 2144 m

Sep.145 gr/cc

2207 m

máximo colapso 1,300 psi

resistencia nominal del tubo 1,480 psi

Desgaste en tuberías

2384 m 2481 m - PD 2429 m - PV

TR - 16”

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

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

2868 m - PD 2758 m - PV TenarisTamsa

Desgaste de la TR

David Hernández M

82

Desgaste en tuberías Fuerza de Tensión

Fuerza lateral

20” 1000 m

Fuerza de Tensión

Fuerzas sobre la TR

Fuerza Lateral

Desgaste sobre la TR

Alta severidad en el intervalo

Fuerza torsional 16” 2481 m

Fuerza de compresión

Pegadura 2625 m 2871 m Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Colapso

David Hernández M

83

Tectónica de sal 30”

Intervalo: 5301 - 5419 m 20”

Temperatura 123 °C a 5259 m

892 m

Exterior del tubo Lodo 2.03 gr/cc

BL 9 5/8”

15,250 psi

13 3/8”

Interior del tubo Lodo 1.72 - 1.80 gr/cc

12,950 psi

2996 m

Resultante 2,300 psi Empacador 5078 m 9 5/8” 7” 5”

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

BL 5081 m 5248 m 5548 m 5696m

4 1/8” a 5762 m Diseño de tuberías de revestimiento

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

TenarisTamsa

David Hernández M

84

Tectónica de sal 30”

147.50 m 551 m

20”

13 3/8”

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

1788 m

BL 7” – 2845 m 2960 m SAL

9 5/8”-9 7/8”

BL 5” – 3492 m

7” 5”

3956 m 3936 m 4260 m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

85

Tectónica de sal Otro caso de actividad tectónica 30”

50 m δ = 1.27 g/cm3

Metió TR a 662 m donde se pegó (fondo 1000 m)

20” 16”

Metió TR a 715 m, donde se pegó, bajó densidad, despegó y metió a 1000 m.

KOP = 1610 m δ = 1.61 g/cm3

BL 11 ¾” – 2604 m

KOP = 1653 m

13 3/8”

2994 m Severidad máx = 3.32 a 2751 m

δ = 2.17 g/cm3 SAL 3575 – 3950 m BL 7” – 4326 m

Densidad = 2.17 gr/cc 11 ¾”

3756 m Para cubrir sal. Fondo 4079 m

9 7/8” Agujero de 12 ¼” a 4079 m (fondo)

Ángulo máximo = 41° a 2835 m y lo mantuvo hasta 3850 m

δ = 2.14 g/cm3 4487 m

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

δ = 1.80 g/cm3 7”

5105 m δ = 1.20 g/cm3

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

Fondo 5310 m

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

86

Problema de colapso δ = 2.02 g/cm3

Análisis del casing de 9 5/8” a explotación 30”

20”

Prof .

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

1005 m 1,800 m Anomalía en 9 5/8” a 2,957

13 3/8”

Resistencia de la tubería 9 5/8” P-110 - 7,950 psi La intercepción de la carga con la capacidad mecánica de la tubería se ubicó a los 2,800 m.

2,987 m

Carga y resultante

9 5/8”

4,801 m

13,770 psi Resistencia del la tubería 7” TAC-140 de 35 lb/pie - 17,380 psi

7”

5,295 m

5”

5,874 m

0

Diseño de tuberías de revestimiento

5,000

10,000

TenarisTamsa

David Hernández M

Presión (psi)

15,000

87

δ = 1.42 gr/cc

Problema de colapso 30” 16”

Carga y Resultante 530 m

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

916 m

13 3/8”

TXC 1800 m

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

Al colapsarse la TR, la formación (arena) se introdujo dentro del pozo arenándolo. B.L. 9 5/8” 11 ¾”

3,070 m

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

5,295 m 2,000

4,000

6,000

Presión (psi) 9 5/8”

3,920 m El problema se presentó al estar perforando con barrena de 8 3/8” a la profundidad de 4337 m, con bajo balance

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

Presión (psi)

88

Tensión–Explotación–Full evacuation & SurfaceTubing leak hot Pcabeza = 8,122 psi

Criterio: Surface Leak hot 8,122 psi

Criterio: Full evacuation W TR = W unitario* D W TR = (4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR = 988,723 lb Fb = 0.86 (agua formación normal) W TR = 850,301 lb

P r o f u n d i d a d

9 7/8” 62.8 lb/pie - 4800 m

7”

Disparos a 5,300 m. Presión de yacimiento

Diseño de tuberías de revestimiento

2,098 psi

Pform.normal = 8,052 psi 5,000

TenarisTamsa

Pyac. = 10,150 psi 10,000

David Hernández M

89

Tensión–Explotación–Full evacuation & SurfaceTubing leak hot Criterio: Surface Leak hot 8,122 psi

Criterio: Full evacuation W TR = W unitario* D W TR = (4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR = 988,723 lb Fb = 0.86 (agua formación normal) W TR = 850,301 lb

Consideración: Full evacuación: Peso del casing flotado (considera la presión de poral de 1.07 g/cm3) = 988,723 (0.86) = 850,301 lb-f Consideración: Surface tubing leak hot, considera una fuga del tubing cuando el pozo esta produciendo cerca de la superficie; luego entonces se presentará un incremento en la presión interna y por consecuencia un incremento en la tensión de: Tadic = 0.47(d2)∆P = 0.47(8.6252)(8,122) Tadic = 283,974 lb-f Entonces el casing pesará: Wcasing=850,301+283,974= 1,134,275 lb-f

9 7/8” 62.8 lb/pie - 4800 m

7”

Disparos a 5,300 m. Presión de yacimiento

Diseño de tuberías de revestimiento

Por diseño: Wcasing = 1,134,275(1.60)=1,814,840 lb-f TenarisTamsa

David Hernández M

90

Carga axial de Flexión Pura

Carga por tensión Carga por compresión Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

91

Carga axial por flexión pura

σbend =

E r

DLS

5730

(12)

= 218 DLS D

σbend = Esfuerzo axial por el pandeo (psi) DLS =

Severidad de la pata de perro (grados/100 pies)

D=

Diámetro exterior de la tubería (pulgadas)

r=

Distancia del centro de la linea del la tubería al radio donde el esfuerzo es calculado en el plano del pandeo.

E=

Modulo de elasticidad = 30 x 106 psi

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

92

Inestabilidad Axial: Pandeo helicoidal

El Pandeo es la ausencia de rigidez de la tubería; por lo que esta entrará en plasticidad.

Deformación lateral ó senoidal – pozo desviado Diseño de tuberías de revestimiento

Deformación helicoidal ó enrollado – pozo vertical

TenarisTamsa

David Hernández M

93

Pandeo Helicoidal ó Buckling Eventos que causan el Pandeo Helicoidal ü Altas fuerzas de compresión en la tubería. ü Fatiga en las conexiones flush o se semiflush que pueden birincarse (jump out). ü Desgaste en la tubería y conexiones debido a la fricción generada por el paso de las herramientas durante la perforación. ü Incrementos en la presión interna.

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

94

Pandeo Helicoidal ó Buckling Como prevenir el Buckling ü Considerar la cima del cemento por arriba del punto neutro para evitar el buckling potencial. ü Uso de centradores para reducir la distancia radial entre el casing y el agujero. ü Deberá tensionarse el casing con una valor adicional cuando este será colocado en el colgador. ü Tratar de mantener un agujero calibrado durante la perforación. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

95

Pandeo Helicoidal ó Buckling Cálculo de la Fuerza critica (Ecuación Dawson’s) Fcritica = 2

E ⋅ I ⋅Wn ⋅ Fb ⋅ senα 12 ⋅ r

F critica = Fuerza Critica (lb) E = Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E = 30X106 psi I = Momento de Inercia Polar = π (D4 – d4)/64 Wn = Pesos Unitario de la tubería (lb/pie) Fb = Factor de flotación (adimensional) R = Distancia radial entre la tubería el agujero (pg) α = Ángulo de inclinación del pozo Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

96

Pandeo Helicoidal ó Buckling Cálculo de la Fuerza del bending Fbending = 63 ⋅ D ⋅Wn ⋅ φ

F critica = Fuerza del bending (lb) D = Diámetro de la tubería (pg) Wn = Pesos Unitario de la tubería (lb/pie) φ = Severidad de la pata de perro (grados/30 m). Para pozos direccionales se recomienda tomar el promedio de la construcción de la curva.

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

97

Pandeo Helicoidal ó Buckling Tensión del 80% del peso TR libre

Método práctico para Tensionar la tubería de revestimiento para evitar el pandeo helicoidal Para evitar problemas por pandeo helicoidal, una práctica común en campo es tensionar el 80% del peso de la tubería que se encuentre libre, es decir de la cima de cemento hacía la superficie (autor: Tom Short).

Cima de cemento 13 3/8”

9 5/8” Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

3000 m

4800 m David Hernández M

98

Pandeo Helicoidal ó Buckling Tensión para evitar el pandeo helicoidal

WnL − ( Aeδcg − Aiδig )L + (1 − 2v )( Ae∆Pes − Ai∆Pis ) − EλAs∆t + Fs X= Wn − ( Aeδeg − Aiδig ) − (1 − v )( Ae∆δe − Ai∆δi ) − ( Aeδc − δe )

X = Altura del cemento (pies) L = Profundidad del pozo (pies) Wu = Peso Unitario de la tubería (lb/pie) Ae = Área exterior de la tubería (pg2) Ai = Área interior de la tubería (pg2) As = Área del acero de la tubería (pg2) = Ae-Ai δc = Gradiente del fluido por exterior de la tubería (psi/pie). (Cemento de alta densidad + cemento de baja densidad) δi = Gradiente del fluido por el interior de la tubería (psi/pie) ν = Relación de poisson = 0.3 (adimensional) E = Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E = 30X106 psi e = Elongación de la tubería (pg) λ = Coeficiente de expansión termica del acero 6.9X10-6 (pg/pg-°F) ∆T = Varaciación de la temperatura desde la cima del cemento a la superficie (°F) ∆Pes = Cambio de la presión superficial en el exterior (psi) ∆Pis = Cambio de la presión superficial en el interior (psi) Fs = Fuerza de tensión durante el anclaje de la tubería para evitar el pandeo (lb-f) ∆de = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por fuera de la tubería (psi/pie) ∆di = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por entro de la tubería (psi/pie)

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

99

Perforación Direccional En pozos petroleros con desviación tipo S ó J, de alcance extendido; se pueden presentar resistencias durante las introducciones de los casing; por lo que es recomendable la selección de conexiones que tenga la capacidad mecánica para rotar como la serie Tenaris Hydril 521, 513 y 523 equipada con su zapata rimadora. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

100

Conexiones para rotar - Casing

TSH 511

TSH 521

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

TSH 513

TSH 523 David Hernández M

101

Conexiones para rotar - Casing Rotación de tuberías de Revestimiento en México (Casing & liner drilling) Fecha

Unidad Operativa

Pozo

PR-Alta mi ra Ca rpa 55 PR-Alta mi ra Ca rpa 3 Abkatun-PolChuc . Ca an 34 Ma ri na 19-May-2009 Cd. Pemex Beth 1 28-Jun-2009 Comalcalco Pa lapa 301

Diámetr o

Peso

Conexión

53.5 53.5

TSH 513 TSH 513

Perforó Perforó

53.5

TSH 521

Perforó

109

TSH 521

Repasó

109

TSH 521

Repasó

72

TSH 521

Repasó

P-110 TAC-140 P-110

109

TSH 521 TSH 513 TSH 523

K-55 TAC-140 TAC-140 TAC-140 K-55 P-110 P-110 K-55

133 18 39 18 133 109 39 94

TSH AER TSH 513 TSH 513 TSH 513 TSH AER TSH 521 TSH 513 TSH AER

Perforó 94 218 Repasó 6,025 6,188 Repasó 4,244 4,382 Repasó 5,244.70 5,544 Perforó 90 201 Repasó 2,242 2,282 Repasó 4,319 4,425 Repasó 997 1,000 Perforó 1,000 1,003

9 5/8" 9 5/8"

L-80 P-110 L-80 9 5/8" P-110 TAC-110 16" P-110 16"

14-Jun-2010 Cá rdenas

Huycura 1

10-Jul-2010 Cá rdenas

Terra 1DL

16"

06-Abr-2011 Reforma R. M. 11-Abr-2011 Noreste 19-Abr-2011 Comalcalco 02-May-2011 Reforma 02-Jun-2011 R.M. Reforma 13-Jun-2011 Nore s te 18-Jun-2011 Cá rdenas 12-Jul-2011 Reforma 18-Jul-2011 Vera cruz

Jus pi 1004

7"

P-110

13 3/8" TAC-140

Ca nta rel l 3057 20" Cá rdenas 829 5" Sa mari a 7 5/8" Jus pi 1004 5" Ca nta rel l 3054 20" Na vega nte 1 16" Sa mari a 7022 H 7 5/8" Ca maronero 301 20"

24-Sep-2011 Comalcalco Puerto Ceiba 108 9 5/8" R.M. Noreste Ca nta rel l 2102 R.M. Noreste Ca nta rel l 2063 09-Nov-2011 Abkatun-PolDivisión Sur Shi shito 15 01-Dic-2011 Chuc . Homol 41

Grado

20" 20" 5" 20"

TRC-95 P-110 TAC-110 K-55 K-55 N-80 K-55

35

53.5 133 133 18 133

Diseño de tuberías de revestimiento

TSH 523 TSH 513 TSH 523 TSH AER TSH AER TSH 513 TSH AER

Tipo de De (m) operación

Hasta (m)

Longitud (m)

Tiempo (Hr)

Peso (Ton)

Rotación (rpm)

2,881 2,380

2,962 2,396

81 16

35:33:00 11:21

6-9 4-5

60-80 60-70

3,761

3,901

140

12:30

5

56

11,358-34,392

23 112 632 13 201 13.23

01:00 02:39 44:14 00:30 03:00 01:00

5-10

10-17

S/D

2 -5

25 - 40

8,260

Pozo con pérdi da de ci rculaci ón Ángulo de 23.57°

2

30 35 30

14,000 22,000

Repasó

1,989 2,012 950 1062 1,143 1,766 2,547 2,560 3,019 3,220 979.06 992.29

Repasó

3,797

1,453

17:00

4 -5

20

8,260

124 163 138 299.30 112 40 106 3 3

18:00 10:00 03:39 03:00 09:00 00:21 03:00 04:00 03:20

1-4 12 5 5 1 -2 10 12 8 10 - 12

5,250

S/P

Repasó

1,488

3,504

532

08:00

2-5

Perforó Perforó Repasó Repasó

80 79 1,785 352

202 182 1,874 1,000

122 103 89 648

10:30 06:00 04:30 24:30

5-8 1-2 5 - 10

TenarisTamsa

Torque (lbpie)

Relevante

10,933-15,000 Sección hori zontal del pozo. Ca l i za s 1,000-5,000 Pozo Vertica l.

Se rota ron los últimos 2 tra mos. 1,400 ps i

Pozo Vertica l. Pozo de alto ángulo en K.S.Méndez

25 - 55 3,800-4,500 Ti ra nte de agua de 80 m 30 8,800 Pozo de alto ángulo 52° en K.I. 22 16,480 Pozo de alto ángulo 72° en K. Superi or. Pozo de alto ángulo de 45° en K.M. 17 5,604 60 2,000-5,000 Ti ra nte de agua de 51 m Pozo expl ora tori o. 15 26,700 Pozo hori zontal 25 10,000 45 - 50 Alto pes o de la sarta 160 Ton 45 - 50 10,000 - 11,500Alto pes o de la sarta 160 Ton El i nterva lo fue general, pero 9 - 32 16,000 - 21,000solo repasó 532 m. En un ángulo de 28° 45 2,000 - 4,000 25 - 30 1,165 - 10,000 15 2,000 Pozo hori zontal 35,000 Ci clos 75,160

David Hernández M

102

Esfuerzos biaxiales Concepto Las propiedades mecánicas de los tubulares sufren un cambio cuando la tubería son sometidas a esfuerzos biaxiales. El esfuerzos biaxiales es la combinación de un esfuerzo axial con un esfuerzo radial.

Tensión Compresión Diseño de tuberías de revestimiento

Presión Interna Colapso Presión Interna Colapso TenarisTamsa

David Hernández M

103

Esfuerzos biaxiales Tensión

Tensión

Cuando la tubería se encuentra a TENSIÓN la resistencia mecánica de la tubería a la propiedad: Decremento en el diámetro, por lo tanto decremento en la resistencia al colapso

Presión Interna Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

104

Esfuerzos biaxiales Compresión Cuando la tubería se encuentra a COMPRESIÓN la resistencia mecánica de la tubería a la propiedad:

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

Presión Interna

Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

Compresión TenarisTamsa

David Hernández M

105

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

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

TenarisTamsa

David Hernández M

106

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

Tensión (1,000 lb) 747 lb-f

d = 8.625”

Esfuerzo = 747,332 / 18.162 = 41,148 psi W TR = W unitario* D W TR = (4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR = 988,723 lb

D = 9.875” de 62.8 lb/pie

Tensión

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

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

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

TenarisTamsa

David Hernández M

107

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

TenarisTamsa

David Hernández M

108

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

TenarisTamsa

David Hernández M

109

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

5,000

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

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

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

7,500

10,000 Presión (psi)

Diseño de tuberías de revestimiento

12,500

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

5,000

TenarisTamsa

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

7,500

10,000 Presión (psi)

David Hernández M

12,500

110

Esfuerzos biaxiales Representación gráfica. Esfuerzos biaxiales Presión Interna

Colapso 12,030 psi

P r o f u n d i d a d

6,620 psi

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

10,890 psi

12,553 psi

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

P r o f u n d i d a d

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

8,950 psi

9,930 psi

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

11,377 psi 5,000

7,500

10,000 Presión (psi)

Diseño de tuberías de revestimiento

12,500

5,000

TenarisTamsa

7,500

10,000 Presión (psi)

David Hernández M

12,500

111

Esfuerzos triaxiales Von Mises σa Axial

σh

Tangencial

σr

Radial

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

TenarisTamsa

David Hernández M

112

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

[

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

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

(

]

1 2 2 ha

)

d D ≤r≤ 2 2

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

(

)

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

113

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

σ

a

Fa = Ap

σ b = ± M b rlI = ± Ecr

t ha

=

tr J p

Diseño de tuberías de revestimiento

Esfuerzo axial

Esfuerzo axial por Pandeo

Esfuerzo de torsión TenarisTamsa

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114

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

[

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

2 h

2 a

2 b

]

1 2 2 ha

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

σ e2 =

[

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

]

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

σ

2 VME

= σ + (C1 Pi + C2 Pe )σ a + C3 Pi + C P + C5 Pi Pe 2 a

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2

TenarisTamsa

2 4 e

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Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes 2 σ VME = σ a2 + (C1 Pi + C2 Pe )σ a + C3 Pi 2 + C4 Pe2 + C5 Pi Pe

Donde: 2

D   t C=   D  2 − 1  t 

C3 = C

2

= C

2

C1 = 2 − C

C

C2 = C

C 5 = −2C

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4

− C +1

2

+ C David Hernández M

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Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna

Representación API F. S.

Representación con Factor de seguridad F. S.

F. S.

Compresión

Tensión

F. S.

Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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117

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna

Representación API

Representación Von Mises Compresión

Tensión

Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

118

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna

Representación API

Representación con Factor de seguridad

Compresión

Tensión

Representación Von Mises con factor de seguridad

Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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119

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna

Compresión

Área segura para el diseñador

Tensión

Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

120

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Mises

Diseño de tuberías de revestimiento

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121

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Mises

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

122

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Mises

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

123

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Mises

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

124

Esfuerzos triaxiales Para forma la elipse Po = 0

( −k Pi =

B

±

k B2 − 4k Ak C

)

2k A

Donde:

k C = σ2a − fy2

2 k A = k pi + k pi + 1

(

)

k pi =

k B = 1 − k pi σa Diseño de tuberías de revestimiento

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(D (D

2 2

+d ) − d2 ) 2

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125

Esfuerzos triaxiales Para forma la elipse Pi = 0

( −k Pi =

B

±

k B2 − 4k Ak C

)

2k A

Donde:

kA = k

k C = σ2a − fy2

2 po

2

k po

k B = k po σa Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

2D = (D2 − d2 ) David Hernández M

126

Esfuerzos triaxiales Variables: D

Diámetro exterior de la tubería (pg).

d

Diámetro interior de la tubería (pg).

fy

Esfuerzo de cedencia del material (psi).

Pi

Presión interna (psi).

Po

Presión externa (psi).

t

Espesor de la pared (pg).

σa

Esfuerzo axial de la tubería a la que es sometida (psi).

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127

Resultados de paquete Características del pozo • Peso del lodo • Información cementación • Presión de poro • Presión de fractura • Perfil de temperatura • Profundidad de asentamiento • Información de la trayectoria • Profundidad desarrollada y vertical • Inclinación y dirección • Diámetro del casing • Posible desgaste • Corrosión • Fluidos de producción esperados Consideraciones del diseño • Carga axial • Presión Interna • Presión externa • Flotación • Temperatura • Ballooning • Pandeo • Severidad de la pata de perro • Cima de cemento y peso • Costo de los tubos • Cargas Especiales

Tipo de pozo • Vertical • Direccional • Tipo de roca • Profundidad • Costa Afuera • Terrestre

Tuberías • Diámetros • Pesos • Grados • Conexiones

Accesorios • Combinaciones • Zapatas • Coples diferenciales • Coples flotadores • Válvulas de tormeta

Charla Técnica con Ingeniería de Diseño de la operadora con personal de Tenaris TESA

Resultados Software Selección de tuberías • Diámetros • Peso ó espesor de pared • Grado • Conexión

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Factores Diseño • Presión interna • Colapso • Tensión • Compresión • Von Mises

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M.I. David Hernández Morales Servicios Técnicos Petroleros David Hernández M