Gua de Diseo de Aparejos de Produccin CONTENIDO 1.OBJETIVO 2.INTRODUCCIN 3.CONDICIONES DE CARGA a.Uniaxial a.1.Presin interna a.2.Tensin a.3.Colapso a.4.Pruebas de presin a.5.Factores de diseo b.Biaxial c.Triaxial 4.DISEO PARA AMBIENTES CORROSIVOS a.Presin parcial del H2S b.Presin parcial del CO2 c.Efecto de la temperatura sobre la resistencia del acero y la corrosin 5.MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN a.Pistn b.Ballooning (expansin) c.Buckling (pandeo) d.Temperatura e.Longitud de sellos multi-v APNDICE 1. Nomenclatura. APNDICE 2. Ecuaciones de coeficiente empricas. APNDICE 3. Determinacin de la presin de colapso empleando la ecuacin triaxial. APNDICE 4. Comportamiento de los diferentes grados de acero con la temperatura.Gua de Diseo 2Gerencia de Ingeniera 1. OBJETIVO Desarrollarunaguaprcticaparadisear aparejosdeproduccinausarseenla terminacinoelmantenimientodepozos, queconsiderelascargasgeneradaspor presininterna,colapso,tensinyla combinacindeestosesfuerzos,que indiquecmocuantificarlosesfuerzosque originanmovimientoenelaparejode produccin(pistn,ballooning,bucklingy temperatura), con la finalidad de seleccionar la tubera de menor costo que soporte tanto lascargasaquesersometidacomola presencia de fluidos corrosivos. 2. INTRODUCCIN El aparejo de produccin es el medio por el cual se transportan los hidrocarburos desde elyacimientohastalasuperficie.Debe soportarntegramentelaspresionesylos esfuerzosaqueessometidodurantelas operacionesdeterminaciny mantenimiento,talescomoinducciones, pruebasdeadmisin,estimulaciones, fracturamientos,etc.,ascomodurantela vida productiva del pozo. El dimetro del aparejo de produccin debe ser tal que permita transportar los gastos de produccin esperados, pues, si es pequeo, restringirlaproduccin,porelcontrario,si esdemasiadogrande,elflujopuedeser intermitenteoinestable,ademsse incrementara el costo total del pozo, pues la geometradelastuberasderevestimiento dependendirectamentedeltamaodel aparejo de produccin. Eldimetrodelaparejoesdeterminado medianteunanlisisnodal,elcualestudia simultneamente el comportamiento de flujo enelpozo(outflow)yelIPR(inflow performancerelationship);elpuntode interseccin de estas curvas es el punto de solucinopuntodeflujonatural,y determinaelgastodeproduccinyla presin de fondo fluyendo. La Figura 1 muestra una curva de IPR tpica condoscurvasdecomportamientodeflujo para aparejos de diferente dimetro. Esta es larepresentacinesquemticadeun anlisisdesensibilidad,conelcualse determinaeldimetrodetuberams apropiado.Elclculoserealiza manteniendootrosparmetrosconstantes, talescomo:propiedadesdelaformaciny susfluidos,estrangulador,geometrasde vlvulasydisparos,etc.Eldimetro seleccionadoeselquepermitelamayor produccin,siempreycuandonose presente flujo inestable. Ladeterminacindeldimetroptimodel aparejo de produccin la realiza el ingeniero deproduccin,porlocualquedafueradel alcance de esta gua. 3. CONDICIONES DE CARGA Elaceroesunmaterialelsticohasta ciertos lmites, pues si una carga de tensin es aplicada, sufrir una deformacin; si esta cargaesretirada,elacerorecuperarasu formaoriginal.Sinembargo,siellmite elstico es excedido, la estructura del acero cambiaynoregresarasuscondiciones originalesunavezqueelesfuerzoes removido. Este comportamiento es conocido comoplstico.Siseaplicamayorcarga,el acero se deformar y fallar. Este fenmeno es representado en la Figura 2. IPRPresin de fondo fluyendoGasto de produccinComportamieneto de flujo1d2d1 2d d >IPRPresin de fondo fluyendoGasto de produccinComportamieneto de flujo1d2d1 2d d >Figura 1. Anlisis para la seleccin del dimetro del aparejo Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera3 Las condiciones de carga ms severas en la tuberadeproduccinocurrendurantelos siguientes eventos: Introduccinyrecuperacindel aparejo (intervenciones). Inducciones. Pruebas de admisin. Estimulaciones. Fracturamientos. Control del pozo (reparacin) Disparos e inicio de produccin. Elaparejodeproduccinestsujetoa varios esfuerzos; por tanto, las cargas como resistenciaalapresininterna,colapsoy tensindelatubera,debenserconocidas bajodiferentescondicionesparaundiseo apropiado. Laspropiedadesmecnicasms importantesdeuntubodeproduccinson: resistenciaalapresininterna,colapsoy tensin.Estaspropiedadespuedenestar actuandotantoenformaindependiente como combinada. a.Uniaxial Esteefectoasumequenohaycargaaxial (tensinocompresin)enlatuberaal mismotiempoqueunacargadepresin interna o colapso es aplicada. Lapresininterna,colapsoytensinbajo una sola carga son definidas como sigue. a.1.Presin interna (Burst): Eslacantidaddepresinaplicadadentro deltubo,mismaqueessoportadaporla pared interna (ver Figura 3). Laresistenciadelcuerpodeltuboaeste efectoescalculadaconlafrmulade presindecedenciainterna(APIBoletn 5C3, 1985). =Dt Ypi2875 . 0 (1) La ecuacin 1 calcula la presin interna, en lacualelesfuerzotangencialenlapared interior alcanza el esfuerzo de cedencia del material.Elfactorde0.875correspondeal87.5%deltotaldebidoalatolerancia permitidadel fabricante enelespesordela pared, la cual es igual a 12.5%. El resultado de esta ecuacin debe ser redondeado a 10 psiparaobtenerelmismovalorqueenlas tablas (Boletn 5C2). a.2.Tensin. Laresistenciadelcuerpodeuntuboen tensinescalculadaempleandoel diagramadecuerpolibremostradoenla Figura 4. La fuerza ( F1) tiende a separar la DeformacinCarga0Limite ElsticoABCFuerza de ProduccinUltima fuerzaFuerza de FracturaDeformacinCarga0Limite ElsticoABCFuerza de ProduccinUltima fuerzaFuerza de FracturaFigura 2. Comportamiento del acero bajo cargas.ipipFigura 3 Presin sobre la pared interna de la tuberaGua de Diseo 4Gerencia de Ingeniera tubera,peroloimpidelaresistenciadelas paredesdeltubo,lascualesejercenuna contrafuerza.Estoesmatemticamente representado por: ( )2 24d D Y T =(2) La ecuacin 2 es conocida como la frmula de la resistencia a la cedencia del tubo (API Boletn5C3,1985).Tensin(T )esla resistencia axial del cuerpo del tubo, y es el productodelreadelaseccintransversal yelesfuerzodecedenciadelmaterial(Y ). Estaeslafuerzamnimaquecausarauna deformacin permanente. Enlatensin,elefectomscrticoes cuando se corre el aparejo de produccin y durantesurecuperacin,paraalguna intervencin.Estosecomplicacuandose dificulta el desenchufe de los sellos multi-v o desanclar el empacador integral. a.3.Colapso Elcolapsoesdefinidocomolafuerza generadaparaaplastaruntuboporefecto resultantedefuerzasexternas.Este fenmenoesmuchomscomplejoqueel quesepresentaenunatuberasometidaa presininterna.Unejemplodecolapsose muestra en la Figura 5. Enelcolapso,lascondicionesmscrticas puedenpresentarsecuandolatuberase encuentravacayenelespacioanularse ejerceunapresin,demaneraquese pueda colapsar el aparejo. La resistencia al colapso es una funcin de la resistencia a la cedencia del material y su relacin de dimetro y espesor ( t D/ )

La resistencia al colapso, de acuerdo con el APIboletn5C3(1985)consistedecuatro regmenesdecolapso,quesedeterminan con base en la resistencia a la cedencia del material y a la relacin t D/ , y son definidos segn el tipo de falla: 1.Colapso de cedencia 2.Colapso plstico 3.Colapso de transicin 4.Colapso elstico La Figura 6 muestra los cuatro tipos de falla enfuncindelaresistenciaalcolapsoyla relacin t D/ . Dd1FsYA F =2Dd1FsYA F =2Figura 4 Tensin aplicada sobre un tubo Figura 5. Colapso de aparejo de produccin.Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera5 Colapsodecedencia.Noesuncolapso verdadero.Paratuberasconunarelacin t D/ t D ).Lapresinde colapsomnimaparaelrangoelsticode colapso es obtenida como sigue: 26110 95 . 461]1

||

\|||

\|=tDtDxpce(6) LaFigura7presentaloslmitesparacada tipodecolapso,enfuncindelgradode acero y la relacin dimetro-espesor. Puede utilizarse para determinar el tipo de colapso a emplear en un caso especfico. Conforme seincrementaelespesordepared,la relacindimetro-espesorsereduceyel colapsosemuevedeelsticoacedencia, pasando por plstico y de transicin. a.4.Pruebas de presin Estaseccinpresentalosefectosque causaunapruebadepresincuando,por algunarazn,elaparejodeproduccinse encuentracerrado(vlvuladetormenta cerrada,arena,incrustaciones,material extrao,etc.).Losefectosgeneradosenel aparejodeproduccinporestas operacionesdurantecondicionesnormales (tuberalibre)sepresentarnenlaseccin 6 de esta gua. La Figura 8 presenta esquemticamente un aparejodeproduccintapadoysometidoa presin.Estefenmenoinduceunafuerza detensinconsiderableenlatubera,la cual puede ser determinada como sigue. CEDENCIADEL MATERIAL INESTABILIDADELSTICATERICACOMPORTAMIENTODECOLAPSOREALCOLAPSO DECEDENCIA COLAPSO PLSTICO COLAPSODE TRANSICIN COLAPSOELSTICOy Figura 6. Modos de falla al colapso en funcin det D/Gua de Diseo 6Gerencia de Ingeniera

i stA p T = (7) La presin sobre el tapn (stp ) es la presin enlasuperficiemsladiferencialde hidrostticadebidaaladensidaddelos fluidosqueseencuentransobreydebajo deltapn.Cuandoladensidaddeestoses la misma,la diferencial es cero. a.5.Factores de diseo Eneldiseodetubulares,losefectosde carga son separados de la resistencia de la tuberaporunmultiplicadorarbitrario conocidocomofactordeseguridad,cuya funcinestenerunrespaldoeneldiseo, debido a la incertidumbre en determinar las condicionesdecargareales,ademsdel cambio de las propiedades del acero debido a corrosin y desgaste. La magnitud del factor de seguridad se basa generalmenteenexperienciasanteriores, puesexistepocadocumentacinsobresu origenoimpacto.Lascompaasemplean diferentesfactoresdeseguridadadisear tubulares. Elfactordeseguridadesdefinidocomola relacinentrelaresistenciadeltuboyla magnitud de la carga aplicada. Por ejemplo, elfactordeseguridadparalapresin interna es el siguiente: FS = Resistencia a la presin interna Presin interna 101520253035404520253035H-4050J&K-556070C-75L&N-80C-9095100P-105110120125130135140150155160170180Grado de aceroDimetro (D) / Espesor (t)Colapso ElsticoColapso de TransicinColapso PlsticoColapso de Cedencia101520253035404520253035H-4050J&K-556070C-75L&N-80C-9095100P-105110120125130135140150155160170180Grado de aceroDimetro (D) / Espesor (t)Colapso ElsticoColapso de TransicinColapso PlsticoColapso de CedenciaFigura 7. Regiones de los diferentes tipos de colapso. Tensin adicional significativa en la parte superior del aparejoEfecto de pistonTapn Elongacin de la tuberiaTensin adicional significativa en la parte superior del aparejoEfecto de pistonTapn Elongacin de la tuberiaFigura 8. Efecto de prueba de presin en un aparejo tapado Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera7 Enlaactualidadnoexisteunestndar mundialmente aceptado para los factores de diseo;sinembargo,lasvariacionesestn dentrodeunabandarelativamente pequea, esto se muestra en la Tabla 1. b.Biaxial El anlisis uniaxial considera que no existen cargas axiales (tensin o compresin) en la tubera simultneamente con las de colapso opresininterna.Sinembargo,en condiciones reales, la tubera de produccin estarbajolaaccincombinadadelas presines interna, externa y tensindebido al propio peso de la tubera. Elefectobiaxialconsideraelcambioenla resistenciaalcolapsoypresininterna debidoalatensinocompresindel aparejo. Esto es representado por el criterio biaxial usado en el Boletn API 5C3, el cual est dado matemticamente por: 11]1

||

\| =Y YY Yz ze 5 . 0 75 . 0 12(8) Donde eY eslaresistenciaalacedencia efectiva (en otras palabras, es la resistencia remanentedelapareddeltuboparalas condicionesdecargadadas)y zrepresentaelesfuerzoaxialdelatubera flotada, el cual est dado por: szAT= (9) Para el clculo de colapso o presin interna bajocargaaxial,seemplealaecuacin correspondiente.Paraelcasodelcolapso, seseleccionalafrmuladependiendodel tipodecolapsoenanlisis,elcualse determinaconlaFigura7.Enestas ecuacionesseemplealaresistenciaala cedenciaefectiva(eY ),enlugardela cedenciaoriginaldeltubo(Y ).Para determinarloscoeficientesempricos F C B A , , ,yG , tambin se emplea eY . Losefectosrelevantesobtenidosenla ecuacin 8 son los siguientes: Tensin reduce resistencia al colapso. Tensinincrementaresistenciaala presin interna Compresinreduceresistenciaala presin interna Compresinincrementaresistenciaal colapso c.Triaxial Eldiseotriaxialconsideraqueencada elemento de acero en la tubera actan tres esfuerzossobresusuperficie;estosson:el esfuerzoaxial,radialytangencial.Estolo representa esquemticamente la Figura 9. La nica diferencia entre el concepto triaxial yelbiaxialesqueelsegundoconsiderael esfuerzo radial igual a cero. CONDICIONES DE CARGARANGO MAS COMUN RECOMENDADOPRESIN INTERNACOLAPSOTENSIN JUNTATENSIN CUERPO1.0 1.350.85 1.501.50 2.01.30 2.01.1251.1251.801.801.1251.1251.801.50Tabla 1. Factores de Diseo tpicos de la industria Gua de Diseo 8Gerencia de Ingeniera Elconceptodeesfuerzosbiaxialesy triaxiales se deriva de la teora de distorsin deenerga,lacualesmatemticamente representada por la siguiente relacin: ( ) ( ) ( )2 2 2 22r z t r z tY + + =(10) Estarelacintambinesconocidacomola ecuacindeVonMisesolaecuacin triaxial.Simplificandoyreagrupandola ecuacin 10, tenemos: ++ + = +YpYpYpi t i t i t 214312(11) Esta es la ecuacin que representa la elipse de plasticidad mostrada en la Figura 10. El signo a emplear ( ) en el primer trmino delaecuacin11dependedelcuadrante en anlisis; esto es, para colapsotensin y presininterna-compresin,seutilizasigno negativo(-),paralosdoscasosrestantes, signo positivo (+) El Apndice 3 muestra un ejemplo de cmo obtenerlapresindecolapsobajocargas PRESION INTERNATENSION COMPRESINCOMPRESIN-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120COLAPSOPRESION INTERNACOLAPSOTENSIONPRESION INTERNATENSION COMPRESINCOMPRESIN-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120COLAPSOPRESION INTERNACOLAPSOTENSION+-% 100 +yieldi tP% 100 +yieldi ZP+-+-% 100 +yieldi tP+-% 100 +yieldi tP% 100 +yieldi ZP+-% 100 +yieldi ZP+-Figura 10. Elipse de plasticidad. Figura 9. Componente axial, radial y tangencialr zr zAparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera9 axiales con la ecuacin 11. La Figura 11 muestra la comparacin de los conceptosuniaxilesytriaxiales.Comose puedeobservar,elcolapsoylapresin interna se ven reducidos cuando el acero se encuentraentensinycompresin respectivamente. 4.DISEO PARA AMBIENTES CORROSIVOS Lacorrosindeterioraelacero,locual reducedrsticamentelaspropiedades mecnicasdelatubera.Porlotanto,es fundamentaldetectarambientesagresivos quepropicianestefenmenopara seleccionarcorrectamenteelaceropor emplear, y as prevenir el deterioro del tubo, puessiestoocurre,estaraenriesgola integridad del pozo; adems, se tendra que programarunaintervencinconelcosto, riesgoyprdidadeproduccinqueesto involucra.Porlotanto,elobjetivodela seleccinapropiadadelaceroesdisponer de un aparejo con la resistencia necesaria a la corrosin a un costo mnimo. Algunos de los parmetros ms importantes por considerar para determinar la naturaleza del ambiente en el pozo y con esto el nivel decorrosinenelsistemasonlos siguientes: Presin parcial del H2S Presin parcial del CO2 Efectodelatemperaturasobrela corrosin PRESION INTERNATENSION COMPRESINCOMPRESIN-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120COLAPSOPRESION INTERNACOLAPSOTENSION+-% 100 +yieldi tP% 100 +yieldi ZP+-PRESION INTERNATENSION COMPRESINCOMPRESIN-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120COLAPSOPRESION INTERNACOLAPSOTENSIONPRESION INTERNATENSION COMPRESINCOMPRESIN-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120-20-40-60-80-100-120-120-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 0 12020406080100120COLAPSOPRESION INTERNACOLAPSOTENSION+-% 100 +yieldi tP% 100 +yieldi ZP+-+-% 100 +yieldi tP+-% 100 +yieldi tP% 100 +yieldi ZP+-% 100 +yieldi ZP+-Figura 11. Comparacin de esfuerzos uniaxiales y triaxiales. Gua de Diseo 10Gerencia de Ingeniera Locorrespondientealaspropiedades adecuadasdelfluidoempacadorpara reducirelambientedecorrosinestratado en la gua de fluidos empacadores. Lacorrosinpuedeocurrirdurantelavida productivadelpozoreduciendoelespesor de la tubera, produciendo prdida de acero en ciertos lugares o picaduras (pitting). Este fenmeno se incrementa conforme aumenta laconcentracindeagentescorrosivos, talescomo:oxgeno,cidosulfhdrico (corrosinamarga)ybixidodecarbono (corrosin dulce). a.Presin parcial del H2S El cido sulfhdrico (H2S) es un componente extremadamenteproblemtico.Entreotros efectos,essumamenteagresivoalacero, especficamentesobreaquellosdealta resistencia,puesproduceunafalla catastrficaporfragilizacin(sulfidestress cracking).Estefenmenoseacenta conformeseincrementaelesfuerzodela tubera(tensin)ylapresenciadeagua, pues el H2S reacciona con esta produciendo disociacindetomosdehidrgeno,los cualesseintroducenenelacero incrementandolapresinenlosespacios intergranularesygenerandofisuras.Este fenmenosepresentaesquemticamente en la Figura 12. LapresinparcialdelH2Sseestimaconla siguiente relacin: S H mol p S H Pparcial 2 2% * = (12) Dondepes la presin a la profundidad de inters durante la produccin del pozo. Este datoesbienconocidoporelingenierode produccinopuedeserdeterminadocon correlaciones de flujo multifsico. LaFigura13(NACEMR175)puedeser empleadaparadeterminarsielambiente quetenemosespropicioalfenmenode fragilizacin(sulfidestresscracking)enun sistemamonofsico.Silascondiciones Fisuras en el aceroFigura 12. Fisuras intergranulares generadas por el H2S MR0175-2002 MR0175-2002Figura 13. Determinacin de ambientes propicios a la fragilizacin por H2S. Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera11 existentescaendentrodelareginde fragilizacin, tiene que realizarse un anlisis ms detallado (este anlisis se presenta en lasiguienteseccin)paraseleccionarla tubera;delocontrario,cualquiertipode acero puede ser empleado. b.Presin parcial del CO2 Elbixidodecarbono(CO2)esotra sustanciaquegeneraseriosproblemasde corrosin. Este fenmeno es conocido como corrosin dulce y ocurre cuando el agua de formacintienecontactodirectoconel acero,porlocualestoescrticoenpozos conaltocortedeagua.Enestesuceso,la composicin qumica del agua de formacin juega un papel muy importante. LaconcentracindelCO2enelaguaest determinadaporlapresinparcialdelgas encontactoconelaguadeformacin.Es estimada con la siguiente relacin: 2 2CO % * mol p CO Pparcial=(13) Cuandohaypresenciadelosdos compuestos,H2SyCO2,elambienteenel sistemasermscorrosivo.Paraestos casos, se debe calcular la presin parcial de ambosydeterminarelniveldecorrosin esperada empleando la Tabla 2, as como el material requerido para ese ambiente con la Figura 14. c)Efectodelatemperaturasobrela resistencia del acero y la corrosin Elincrementodetemperaturaproduceuna disminucinenlaresistenciaalacedencia delostubulares;portanto,unfactorde correccinportemperaturatienequeser aplicadoparaobtenerunvalordecedencia ms acertado. Adiferenciadelosfactoresdeseguridad, losdecorreccinportemperaturason determinadosconunanlisisms adecuado.Dichosfactoresdebenser proporcionadosporlosfabricantesdelos tubos. LaTabla3presentalosfactoresde correccinportemperaturaobtenidospor TAMSAparaunatuberaTAC-140.Estos factores cambian para los diferentes aceros. Para obtener los factores de otras tuberas, consulte el Apndice 4. Estefactoresmultiplicadoporlacedencia defabricacindeltuboantesdeaplicarel factor de seguridad. Presiones ParcialesMayoreso iguales a30 psiEntre3a30psiMenoresa3psiCorrosin esperadaAltaMediaNose presentaMayoresa 1.5 psiEntre0.05a1.5psiMenoresa0.05psiAltaMediaNose presentaCO2Acero recomendadoTRC -95TRC 95, L - 80Cualquier gradoTRC -95TRC 95, L - 80Cualquier gradoPresiones ParcialesMayoreso iguales a30 psiEntre3a30psiMenoresa3psiCorrosin esperadaAltaMediaNose presentaMayoresa 1.5 psiEntre0.05a1.5psiMenoresa0.05psiAltaMediaNose presentaCO2Acero recomendadoTRC -95TRC 95, L - 80Cualquier gradoTRC -95TRC 95, L - 80Cualquier gradoH2STabla 2. Nivel de corrosin esperada. Temper at ur a (C) Fact orde r educcin20 1.00100 0.94125 0.94150 0.94175 0.97200 0.89300 0.83400 0.83Tabla 3. Factores de correccin por temperatura para una tubera TAC140. Gua de Diseo 12Gerencia de Ingeniera La Figura 15 muestra el comportamiento del acero con respecto a la temperatura para un acero TAC-140. Elotrofenmenocausadoporla temperaturaeselefectodecorrosin.La norma NACE indica que el H2Sincrementa su ataque al acero a temperaturas cercanas a 65 C. A temperaturas mayores, el efecto esmenordebidoaquedisminuyela solubilidaddelcidosulfhdricoenalagua, yconestolavelocidaddereaccin generadaporelhidrgeno.Sinembargo, experienciasenpozospetroleroshan indicadoquelacorrosinporsulfhdrico ocurre hasta a los 100 C. El fenmeno por corrosin debido al bixido de carbono tiene un comportamiento similar aldelsulfhdricoconrelacinala temperatura.Elmximoritmodecorrosin sepresentaatemperaturasentre70y80 C.Estecomportamientoseilustraenla Figura 16. Es importante considerar estos efectos para hacer una seleccin adecuada de la tubera deproduccinauncostomnimo,pues cuandoelambientecorrosivonoesmuy severo,puedeserconvenientecolocar tuberaespecialparacorrosinnicamente apartirdelaprofundidaddondese alcancen los 100 C a la superficie. 6.MOVIMIENTODELAPAREJODE PRODUCCIN El cambio de longitud del aparejo, originado porcambiosdepresinytemperatura, puedeserpositivoonegativoygenerar grandesesfuerzosenlatuberay/o empacadorcuandostenopermiteellibre 0.001 0.01 0.1 1 10 100 100010.10.011010001000.05 1.53070.07 0.7 7 70 0.007 0.0007 (bar)(psi)Cualquier grado deaceroGradospropietariosparaServicioAmargocomoTRC (1% Cr, 0.5% Mo)Acerosalcarbnmsinhibidores13-15 Cr(Cl-, pH, T)22-25 CrSuper 13 Cr(Cl-, pH, T)22-25 Cr(Cl-, pH, T80C; N, P, HC(pH)PparcialCO2(psi)PparcialH2S (psi)0.001 0.01 0.1 1 10 100 100010.10.011010001000.05 1.53070.07 0.7 7 70 0.007 0.0007 (bar)(psi)Cualquier grado deaceroGradospropietariosparaServicioAmargocomoTRC (1% Cr, 0.5% Mo)Acerosalcarbnmsinhibidores13-15 Cr(Cl-, pH, T)22-25 CrSuper 13 Cr(Cl-, pH, T)22-25 Cr(Cl-, pH, T80C; N, P, HC(pH)PparcialCO2(psi)PparcialH2S (psi)Figura 14. Determinacin del material requerido. Figura 15. Comportamiento del acero TAC-140 con la temperatura. Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera13 movimientodelatubera.Estosucede cuandoserealizanoperacionesdurantela terminacin,explotacinymantenimiento delpozo,talescomo:inducciones,pruebas deadmisin,estimulaciones, fracturamientosodurantelaproduccindel pozo. Cuandolatuberatienemovimientolibre,suacortamientopuedesertalquela longitud de los sellos o juntas de expansin seainsuficiente,loquegeneraraquelas unidadesdesellosmulti-vsesalgandel empacador generando un serio problema de comunicacin;enelcasodelasjuntasde expansin,stasocasionaranunesfuerzo detensinconsiderablesobreel empacador. Tambinsedebeconsiderarel alargamientodelaparejodurantela produccindelpozo,pueslatransferencia decalordelosfluidosdelyacimientoala tuberacausanelongacindelamisma,lo que provoca una carga sobre el empacador, ohastaunadeformacindelaparejode produccin. Porloanterior,sedebedisearelaparejo deproduccinconsiderandotodoslos cambiosdepresinytemperaturaquese pudiesenpresentar,conlafinalidadde considerarlosmovimientosycambiosde esfuerzosdelatubera,yasevitarun problema serio. Losefectosqueproducenestos movimientosnetosdelaparejode produccin son los siguientes: Pistn Ballooning (aglobamiento) Buckling (pandeo helicoidal) Temperatura Acontinuacinserevisarnadetallecada unodeestosefectos.Cabemencionarque lasecuacionesquesepresentanaplicana pozos verticales, aparejos de produccin de unsolodimetroyunsolofluidoenel espacioanular,pueselpropsitodeesta gua es conocer el principio fundamental de losdiferentesefectos,ascomolas ecuacionesquemodelanelfenmenopara larealizacindeclculossimplificados.Sin embargo,paralasimulacindel comportamientodelaparejoenpozos desviados,aparejoscondiferentes dimetros de tubera, etc., se requiere de un softwareparaproponerunaalternativa efectiva y econmica. a.Pistn Elefectodepistnsebasaenlaleyde Hooke, y se debe a la diferencial de presin actuandosobreladiferencialdereaentre latuberadeproduccinyelmandrildel empacador.Esteefectoprovocaun 3 bar = 43.51 psi1 bar = 14.50 psi0.3 bar = 4.35 psi0.1 bar = 1.45 psiPresiones del CO23 bar = 43.51 psi1 bar = 14.50 psi0.3 bar = 4.35 psi0.1 bar = 1.45 psiPresiones del CO2024681012141630 50 70 90 110 130Temperatura(C)Ritmo de corrosin (mm/ao)024681012141630 50 70 90 110 130Temperatura(C)024681012141630 50 70 90 110 130Temperatura(C)Ritmo de corrosin (mm/ao)Figura 16. Efecto de la temperatura sobre la corrosin por CO2 Gua de Diseo 14Gerencia de Ingeniera acortamientosilapresindiferenciales mayorenelinteriordelatuberayun alargamientosilapresinesmayorenel espacioanularentreelaparejoylatubera de revestimiento. La ley de Hooke establece queelcambioenlongitudesdirectamente proporcionalalafuerzaaplicada.staes matemticamente representada por: sEAF LL= 1(14) Donde: ( ) ( )a e E i i Ep A A p A A F = (15) Elmodulodeelasticidad( E )paraelacero es30x106psi.LaFigura15presentala definicin de los trminos de la ecuacin 15 b.Ballooning (aglobamiento) Cuando la presin interna en un aparejo de produccin es mayor que la presin externa, losesfuerzosradialesqueactansobrela paredgeneranunaexpansin (aglobamiento)deltubo,estefenmeno causaunacontraccinlongitudinaldel aparejo. Cuandolapresinexterioresmayor quela presininterna,sepresentaelefecto contrario y se produce una elongacin de la tubera. Esteefectopuedeserestimadoconla siguiente ecuacin: (16) 12

122 1222222 ++ = Rp R pELRRELLa ia i Considerando una relacin de Poisson igual a0.3,elcualesunvalormuyaproximado paraelacero,ydespreciandolasprdidas por friccin ( ), la ecuacin 16 se reduce a: (17) 16 . 0

13 . 02222 22 + = Rp R pELRRELLa ia i Elprimertrminodelaecuacin17 representaelefectodebidoalcambiode densidad de los fluidos, el segundo trmino consideraelcambiodepresinen superficietantoenelespacioanularcomo en el interior del aparejo. Laecuacin17puedeserempleadapara tenerunabuenaideadelefectode ballooningsobreelcambiodelongituddel aparejo de produccin. c.Buckling (pandeo helicoidal) Aesteefectoselellamaasdebidoala formaqueadquiereelaparejocuandose presenta el fenmeno, y tiene lugar cuando hayunincrementodepresinenelinterior de la tubera de produccin, la cual acta en 4

2DAe=4

2dAi=i E SA A A =4 2EEDA=EDPidDPaEmpacadorAparejoRevestimiento4

2DAe=4

2dAi=i E SA A A =4 2EEDA=EDPidDPaEmpacadorAparejoRevestimientoFigura 17. Representacin esquemtica del efecto pistn. Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera15 el rea transversal de la parte inferior de un aparejo que tiene movimiento libre, es decir, los sellos multi-v se pueden mover a travs del rea pulida del empacador. Este efecto acorta el aparejo de produccin yelpandeoseproducedelpuntoneutro haciaabajo.Enestefenmeno,elpunto neutronoesdondenoexistenitensinni compresin, sino donde el esfuerzo axial es igualalesfuerzotangencialyradial,es decir, el valor de los tres esfuerzos es igual, y se determina con la siguiente ecuacin: wFnf=(18) Endonden esladistanciadel fondodela tuberaalpuntoneutroy fF esconocida como fuerzaficticia,lacualesdeterminada como sigue: ) (a i E fp p A F = (19) La sarta de perforacin no sufrir pandeo si la fuerza ficticia es negativa o cero. Elcambiodelongitudprovocadopor buckling se determina mediante la siguiente ecuacin: ( )) ( 82 2 23fa fi pa i Ew w w EIp p A rL + = (20) DondeI eselmomentodeinerciadado por: ( )4 464d D I =(21) Donde fiw , faw sonelpesodelfluidoen el interior y espacio anular respectivamente i i fiA w * = (22) a a faA w * = (23) Elpandeohelicoidalesimportante,yaque puedeocasionardeformacinpermanente del aparejo. d.Temperatura Elefectodelatemperaturaproduceun cambiodelongituddelasartade produccin.stasecontraecuandoexiste inyeccindefluidosatemperaturade superficie,enelcasodecalentamientodel aparejodeproduccin,yaseaporlas condicionesdeproduccinoporla inyeccindefluidoscalientes,segenera una elongacin. Lo anterior sucede siempre ycuandosetengaunmovimientolibrede lossellosmulti-v,delocontrariose producen fuerzas sobre el empacador. Elcambiodelongitudporesteefectoes calculado mediante la siguiente ecuacin: T L L = 4(24) En dondees el coeficiente de expansin trmicadelacero(12.42x106 / C0)yT es el cambio promedio de la temperatura. e. Longitud de sellos multi-v Cuandosediseaunaterminacinconel aparejodeproduccinlibrealmovimiento, se requiere introducir una longitud de sellos multi-vquepermitaabsorberlas elongaciones y contracciones generadas en latubera.Estalongitudseobtiene sumandoalgebraicamenteeltotaldelos efectospreviamenterevisadoseilustrados enlaFigura18.Elcambiodelongitudtotal sedeterminamediantelasiguiente ecuacin: 4 3 2 1L L L L LT + + + = (25) Unavezqueseconoceelcambiototalde longitud,seseleccionatantolacantidadde selloscomolalongitudinicialentreeltope localizador y el empacador. Gua de Diseo 16Gerencia de Ingeniera Laecuacin25tambinpuedeser empleadaparadeterminarlacantidady posicin de las juntas de expansin. Unaprcticacomndecompensacinde posiblesacortamientosdeaparejode produccin,comoresultadodeloscambios depresinytemperaturadurantelas diferentesintervenciones,esaplicaruna cargasobreelempacador.Elcambiode longituddejadasobreelempacadorse calcula con la siguiente ecuacin: 228FEIwrFEAsLLe + = (26) Enlarelacinanterior, elprimertrminoes elincrementodelongitudporefectode pistn y el segundo por alabeo helicoidal. Laseleccinadecuadadelatuberade produccinsedeterminacalculandolas presionesaquesersometidatantoenel espacioanular(revestimientoaparejode produccin)comoenelinterior.Estas presionessonelefectodelasdiferentes operacionesqueseplaneenrealizarenla etapadeterminacinydurantelavida productivadelpozo.Lasecuacionespara obtenerlas son presentadas en la gua para empacadoresdeproduccin.Latubera seleccionadadebesercapazdesoportar tantolapresinalcolapsocomolapresin en el interior de la tubera. Respectoalatensin,setieneque considerarelpesodelatuberaylos efectosgeneradosporloscambiosde presinytemperatura,loscualesproducen esfuerzosdetensinocompresin, dependiendodelsistemaempacadoraparejo de produccin. Comosecomentanteriormente,la secuenciadeclculoparadeterminarla resistencia de la tubera al colapso, presin internaytensin,ascomolosesfuerzos generados en el aparejo por los cambios de presinytemperatura,esunprocesomuy laborioso,porloqueserecomiendael empleodelsoftwarepararealizaruna simulacincompletadelasdiferentes operacionesplaneadasenlaterminacin del pozo, pues el propsito de esta gua es conocerelprincipiofundamentaldelos diferentes efectos, as como las ecuaciones quemodelanlosdiferentesfenmenosque toman lugar, con la finalidad de obtener una correcta interpretacin de los resultados que aporte el software. Pistn Ballooning Buckling Temperatura4L 3L 2L 1L MovimientoTotalTL CorridaFigura 18. Movimiento neto del aparejo. Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera17 Apndice 1. Nomenclatura =aArea de la seccin anular (pg2) =eA rea exterior de la tubera (pg2) =EA rea de la seccin pulida delempacador (pg2) =iA rea interior de la tubera (pg2) =sA readelaseccintransversaldela tubera(pg2) = d Dimetro interior de la tubera (pg) =ED Dimetro de la seccin pulida delempacador (pg) = D Dimetro externo de la tubera (pg) = E Modulo de Young (610 30psi) =fF Fuerza ficticia (lbs) = I Momento de inercia (pg4) = L Longitud de la tubera (pies) = n Distancia del extremo inferior del aparejo al punto neutro (pies) = p Presin (psi) =ap Presin en el espacio anular a la profundidad del empacador (psi) =ip Presin en el interior de la tubera a la altura del empacador (psi) =ccp Presin de colapso de cedencia (psi) =cep Presin de colapso elstico (psi) =cpp Presin de colapso plstico (psi) =ctp Presin de colapso de transicin (psi) =stp Presin sobre el tapn (psi) = S H Pparcial 2Presin parcial del H2S (psi) =2CO PparcialPresin parcial del CO2 (psi) = r Distancia radial entre TP y TR (pg), (TP ext TR intr r r. . = ) = R Relacin del dimetro exterioral dimetro interior de la tubera (R=D/d) = tEspesor de pared de la tuberia (pg) = T Tensin (lbs) = w Peso de la tubera en el aire (lb/pg) =faw Peso del fluido en el espacio anular desplazado por volumen de la tuberia (lb/pg) =fiw Peso del fluido contenido dentro de la tubera (lb/pg) =pw Peso de la tubera (lb/pg) = Y Resistencia a la cedencia original (psi) =eY Resistencia a la cedencia efectiva (psi) = Coeficiente de expansin trmica del acero (12.42x10-6/oC) = 1L Cambio de longitud de la tubera por efecto pistn (pg) = 2LCambio de longitud de la tubera por alabeo o Buckling (pg) Gua de Diseo 18Gerencia de Ingeniera = 3LCambio de longitud de la tubera por efecto de aglobamiento o Ballooning (pg) = 4LCambio de longitudde la tubera por efecto de temperatura (pg) = LeCambio de longitudde la tubera por efecto de carga en el empacador (pg) = TLCambio de longitud neto total de la tubera (pg) = FCambio de fuerzas en el empacador por efecto de presin (lbs) = apCambio de presin en el espacio anular a la prof. del empacador (psi) = ip Cambio de presin dentro de la tubera a la prof. del empacador (psi) = a Cambio de la densidad del fluido en el espacio anular (lb/pie3) ( )inicial final a = = iCambio de la densidad del fluido dentro de la TP (lb/pie) = T Cambio de temperatura debido a flujo (oC) = Cada de presin en la tubera debido a flujo (psi/pg) =r Esfuerzo radial (psi) =t Esfuerzo tangencial (psi) =z Esfuerzo axial (psi) = Relacin de Poisson del material (acero = 0.3) =i Densidad del fluido en el interior de la tubera (lb/pg3) =a Densidad del fluido en el espacio anular (lb/pg3) Aparejos de Produccin 19Gerencia de Ingeniera Apndice 2. Ecuaciones de coeficientes empricos 3 16 2 10 510 53132 . 0 10 21301 . 0 10 10679 . 0 8762 . 2 Y Y Y A + + = Y B610 50609 . 0 026233 . 0 + = 3 13 2 710 36989 . 0 10 10483 . 0 030867 . 0 93 . 465 Y Y Y C + + = 236/ 2/ 31 // 2/ 3/ 2/ 310 95 . 46+ ++=A BA BA BA BA BYA BA BF A FB G / = Grado A B C F G20 2,906 0.0364 147.50 2,576 0.032225 2,915 0.0389 299.80 2,348 0.031330 2,926 0.0414 451.60 2,209 0.031335 2,937 0.0439 603.20 2.12 0.0317H-40 2.95 0.0465 754.30 2,063 0.032545 2,963 0.0490 905.20 2,026 0.033550 2,976 0.0515 1055.8 2,003 0.0347J&K-55 2,991 0.0541 1206.2 1,989 0.036060 3,005 0.0566 1356.3 1,983 0.037365 3,021 0.0591 1506.3 1,982 0.038870 3,037 0.0617 1656.1 1,984 0.0403C-75 3,054 0.0642 1805.7 1.99 0.0418L&N-80 3,071 0.0667 1955.3 1,998 0.043485 3,088 0.0693 2104.7 2,007 0.0450C-90 3,106 0.0718 2254.2 2,017 0.046695 3,124 0.0743 2403.5 2,029 0.0482100 3,143 0.0768 2552.9 2.04 0.0499P-105 3,162 0.0794 2702.3 2,053 0.0515110 3,181 0.0819 2851.8 2,066 0.0532115 3.2 0.0844 3001.4 2,079 0.0549120 3,219 0.0870 3151.1 2,092 0.0565125 3,239 0.0895 3300.9 2,106 0.0582130 3,258 0.0920 3450.9 2,119 0.0599135 3,278 0.0946 3601.1 2,133 0.0615140 3,297 0.0971 3751.5 2,146 0.0632145 3,317 0.0996 3902.1 2.16 0.0649150 3,336 0.1021 4053.1 2,174 0.0666155 3,356 0.1047 4204.3 2,188 0.0683160 3,375 0.1072 4355.9 2,202 0.0700165 3,394 0.1097 4507.9 2,216 0.0717170 3,412 0.1123 4660.2 2,231 0.0734175 3,431 0.1148 4813.0 2,246 0.0751180 3,449 0.1173 4966.2 2,261 0.0769185 3,466 0.1199 5119.9 2,276 0.0787190 3,484 0.1224 5274.1 2,292 0.0805195 3.5 0.1249 5428.8 2,308 0.0824200 3,517 0.1275 5584.1 2,325 0.0843Gua de Diseo 20Gerencia de Ingeniera Apndice 3 Determinacin de la presin de colapso empleando la ecuacin triaxial. La ecuacin triaxial esta dada por: ++ + = +YpYpYpi z i z i t 214312 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Paraunmododefalladecolapsoporcedencia,elesfuerzotangencialesmatematicamente representado por: ( )2 22 2 22i ee c i e itr rr p r r p += . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Sustituyendo la Ecuacin 3.2 en el trmino de la izquierda y arreglandolo tenemos = +Yp pd ddYpc ii ee i t2 222 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3 Acontinuacinsepresentaunejemploparadeterminarlapresindecolapsobajodiferentes cargas. Los datos son los siguientes: Calcularlapresindecolapsonominalconsiderandoquelatuberaestasujetaaunatensin axial de 40,000 psi y a una presin interna de 10,000 psi. La tubera de revestimiento es de 5.5 pg, N-80 y 26 lb/pie, con un espesor de pared de 0.476 pg. Sustituyendo los datos en la Ecuacin 3.3 tenemos: ( )( )||

\| 1]1

= ||

\| +000 , 80 548 . 4 5 . 55 . 5 22 22c i i tp pYp =649 , 12c ip p Resolviendo el trmino +Ypi z de la Ecuacin 3.1 tenemos: Aparejos de Produccin Gerencia de Ingeniera21 625 . 08000010000 40000=+= +Ypi z

Sustituyendo los trminos anteriores en la Ecuacin 3.1 tenemos: ( ) ( ) 625 . 0 5 . 0 625 . 0 75 . 0 1649 , 12000 , 102+ = cp Considerandolaexplicacinenlagua,elsignoaconsiderarenesteescenario(colapso tensin) es el signo negativo. 5284 . 0649 , 12000 , 10 = cp ( ) psi pc684 , 16 649 , 12 5284 . 0 000 , 10 = + = Porlotanto,lapresindecolapsoqueresistiraestatuberaesde16,684psi,estoes considerandoquesetendraunapresininternade10,000psi.Sepuedeobservarquesila presin interna es eliminada, la presin de colapso se reduce considerablemente. Gua de Diseo 22Gerencia de Ingeniera Apndice 4. Comportamiento de los diferentes grados de acero con la temperatura Comportamiento del grado acero con el incremento de la temperatura Factor de reduccin Temperatura (C) N-80TRC-95P-110TAC-110TAC-140 201,001,001,001,001,00 1000,970,970,990,940,94 1250,960,991,000,940,94 1500,920,960,930,910,94 1750,930,930,970,940,97 2000,900,920,950,900,89 3000,940,950,950,920,83 4000,890,870,860,840,83