colapso en tuberías

22.06.10

Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción

David Hernández MoralesServicios Técnicos Petroleros

David Hernández MInvestigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

TenarisTamsa 2

Contenido

ü Introducción

ü Conceptos Generales

ü Tipos de Colapso

ü Factores Causales (casos de estudio)

ü Pruebas de Laboratorio

ü Conclusiones


TenarisTamsa 3

Los colapsos en tuberías de revestimiento y de producción pueden derivar en la pérdida de un pozo. Su estudio ha sido de gran interés para la industria petrolera.

Actualmente se cuenta con tecnologías y sistemas que permiten identificar los factores causales más atribuibles a este fenómeno, con la finalidad de desarrollar medidas preventivas que ahorren importantes recursos económicos.

Introducción

General


TenarisTamsa 4

El colapso puede definirse como la:

Fuerza mecánica capaz de deformar un tubo por el efecto resultante de las presiones externas.

Conceptos generales

Definición


TenarisTamsa 5

El colapso es un fenómeno complejo y un gran número de factores y parámetros influyen en su efecto.

La teoría clásica de la elasticidad nos permite determinar los principales esfuerzos radiales y tangenciales que actúan sobre la tubería.

Conceptos generales

Esfuerzos

( ) ( )( )222

222222

irrrrrrPrrrP

o

ioeoiir −

−+−=σ

( ) ( )( )222

222222

io

ioeoiit rrr

rrrPrrrP−

+−+=σ

ro

ri

r

Pi Pe

σr

σt


TenarisTamsa 6

El API 5C3 presenta cuatro fórmulas las cuales permiten predecir el valor mínimo de resistencia al colapso del material, de acuerdo con el tipo de falla que puede ser: elástico, transición, plástico y de cedencia.

Conceptos generales

Gráficas y ecuaciones

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Colapso plástico promedio

Inicio de los modos de colapso elástico-plástico

Colapso elástico promedio

Colapso elástico mínimo

Relación diámetro/espesor

Pre

sión

de

cola

pso

(1,0

00 p

si)

Colapso plástico mínimo

Colapsos plástico y elástico mínimos

Colapso de transición

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30


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Conceptos generales

Colapso Elástico

PE

Dt

Dt

c =−

−

21

1

12 2ν

Colapso de Transición

PFDt

Gc y=

−

σ

Colapso Plástico

PADt

B Cc y=

−

−σ

Colapso de Cedencia

P

DtDt

c y=

−

21

2σ


TenarisTamsa 8

Es común atribuir el fenómeno del colapso a una supuesta calidad deficiente de las tuberías. Sin embargo, estudios señalan un conjunto de factores causales, tales como:

üDesgaste de la tubería de revestimiento.

üDesgaste por pandeo helicoidal.

üIncremento de presión exterior por temperatura.

üDepresionamientos inadecuados.

üCargas geostáticas por formaciones plásticas y actividad tectónica.

Factores causales


TenarisTamsa 9

Este factor está asociado a la rotación de las juntas de la sarta de perforación y a los viajes que se efectúan.

La magnitud del desgaste en la tubería de revestimiento esta relacionada por:

üMucho tiempo para perforar.

üAltas severidades de la pata de perro.

üProblemas de pegadura.

Factores causales

Desgaste de la tubería de revestimiento


TenarisTamsa 10

La reducción del espesor de la pared de la tubería resulta en una reducción de las propiedades mecánicas del tubo.

Desgastes severos en tuberías de revestimiento han causado pérdidas de tiempo, operaciones fallidas y pérdida de pozos, en la cual existen muchos casos.

Factores causales



TenarisTamsa 11

Durante la perforación de la etapa de 14 ¾” se presentóuna pegadura, trabajando sarta con tensión, torsión y vibración; generándose una alta fuerza lateral sobre el lado alto de la TR de 16”, precisamente donde se ubicaba una alta severidad.

Factores causales

Desgaste. Ej: Pozo Zaap 7D

16” 2481 m

20” 1000 m

Alta severidad

2871 m

Pegadura 2625 m

Fuerza de Tensión

Fuerza Lateral

Fuerza de compresión

Fuerza torsional


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Factores causales

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

profundidad

(m)

máximo colapso 1,300 psi

resi

sten

cia

nom

inal

del

tubo

1,4

80 p

si

Anomalía 2065 y 2144 m

Lodo 1.25 gr/cc

cemento

1991 m

2144 m

2481 m - PD2429 m - PV

2868 m - PD2758 m - PVagujero 14 3/4”

TR - 16”

Bache 1.00 gr/cc

2207 mSep.145 gr/cc

2384 m

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

Desgaste de la TR


TenarisTamsa 13

Factores causales

carga axial (toneladas)

profundidad

(m)

TR de 11 3/4”

B.L. de 9 5/8”5 10 150

Anomalía a 921 mTensión

Compresión

Retenedor de cemento

Molió 2.40 m en 97:30 horas con lodo de 1.80 gr/cc, posteriormente cambio a bajo balance


TenarisTamsa 14

Otros casos de desgaste son: Muspac 51, Cantarell4D (México), CR-13 (Venezuela), entre otros. Por lo que es conveniente tomar en consideración el factor desgaste en el diseño de las tuberías de revestimiento, cuando se tenga indicios de esta posibilidad.

Factores causales



TenarisTamsa 15

Cuando las tuberías de revestimiento no son cementadas hasta la superficie, debe tomarse en cuenta la tensión requerida para asentarla adecuadamente en las cuñas del cabezal. El valor de esta tensión estárelacionado con las propiedades mecánicas de la tubería, de los cambios en la densidad y de temperatura de la siguiente etapa de perforación.

Factores causales

Desgaste por pandeo helicoidal


TenarisTamsa 16

En la operación de anclaje deben conocerse el valor de la cima de cemento, determinar la tensión adicional y elongación, en función de los factores que provocan el pandeo helicoidal, los cuales son:

üCambio en densidad de fluido interno-externo.

üCambio de presiones en la TR interno-externo.

üCambio de temperatura.

Factores causales



TenarisTamsa 17

Factores causales

Desgaste por pandeo helicoidal( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )eceiieeiieen

isieseiicen

AAAvgAgAWFstAsEPAPAvLgAgALWX

δδδδδδλδδ

−−∆−∆−−−−+∆−∆−∆−+−−=

121

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)

∆δe = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por fuera de la tubería (psi/pie)Αδi = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por entro de la tubería (psi/pie)


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Factores causales


13 3/8” 3000 m

Tensión del 80% del peso TR libre

4800 m

Cima decemento

9 5/8”

Para evitar problemas por pandeo helicoidal, una recomendación práctica es tensionar el 80% del peso de la tubería que se encuentre libre, es decir de la cima de cemento hacía la superficie.


TenarisTamsa 19

Cuando la cementación de la tubería de revestimiento no alcanza la superficie, el fluido de perforación que permanece en la parte exterior, por el paso del tiempo sufre una degradación física de sus fases, separando sólidos de líquidos.

Incremento de presión externa por temperatura

20” 1000 m

13 3/8” 3100 m

30” 50 m

9 5/8” 5300 m

5” 5700 m

7” 5500 m

Vapor

Aceite

Agua

Sólidos

Cemento

Factores causales


TenarisTamsa 20

El agua, puede ser sometida a una temperatura que pueda alcanzar valores por arriba de su punto de ebullición, de tal manera que comienza a evaporarse, lo que puede generar un incremento en la presión por el espacio anular, si esta no es desfogada.


20” 1000 m

13 3/8” 3100 m

30” 50 m

9 5/8” 5300 m

5” 5700 m

7” 5500 m

Vapor

Aceite

Agua

Sólidos

Cemento

Factores causales


TenarisTamsa 21

Cuando el pozo está fluyendo, los hidrocarburos ascienden a la temperatura del yacimiento, la cual se puede presentarse una transferencia de calor a través de la tubería de producción hacia el fluido empacante, el cual, en algunas ocasiones puede alcanzar su punto de ebullición generando vapor.


20” 1000 m

13 3/8” 3100 m

30” 50 m

9 5/8” 5300 m

5” 5700 m

7” 5500 m

Fluido empacante

Temperatura del yacimiento

Vapor

Factores causales


TenarisTamsa 22

Ahora bien un incremento de presión en el espacio anular, puede alcanzar valores elevados que causando el colapsamiento de la tubería.

Factores causales


20” 1000 m

13 3/8” 3100 m

30” 50 m

9 5/8” 5300 m

5” 5700 m

7” 5500 m

Fluido empacante

Temperatura del yacimiento

Vapor


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Factores causales

Incremento de presión externa por temperatura. Ejemplo


TenarisTamsa 24

Este fenómeno se presenta en las inducciones de pozo, cuando el espacio anular se encuentra con fluido empacante y por el interior de la tubería se maneja un gas a presión.

El fenómeno se vuele crítico especialmente cuando no se manifiestan los hidrocarburos o agua salada, quedando la tubería completamente vacía y sometida a una máxima carga por el exterior (efecto succión).

Factores causales

Depresionamientos inadecuados


TenarisTamsa 25

Esto se conjuga con los depresionamientos inadecuados, que generan los denominados “golpes de ariete”, incrementando la fuerza exterior y por ende, el colapso.

Factores causales

Depresionamientos inadecuados


TenarisTamsa 26

Un ejemplo fue en el pozo Gabanudo1 que durante el manejo de presiones en superficie, el espacio anular fue abierto inadecuadamente, causando un golpe de ariete, el cual fue trasmitido hasta el empacador y al último tramo de tubería de producción, sobrepasando la resistencia nominal de 12,080 psi, provocando así su colapso.

Factores causales

Depresionamientos inadecuados20” 1005 m

13 3/8” 1953 m

30” 50 m

9 7/8” 5180 m

5” 6390 m

7” 5780 m

Golpe de ariete

B.L. 4977 m

Intervalo 5935 -5915 m


TenarisTamsa 27

Un golpe de ariete se genera cuando se abre y se cierra el estrangulador sin tener un control. Se debe de considerar un tiempo de 3 segundos por cada 1000 m de profundidad para esperar la reacción de la presión en el manómetro.

Factores causales

Depresionamientos inadecuados20” 1005 m

13 3/8” 1953 m

30” 50 m

9 7/8” 5180 m

5” 6390 m

7” 5780 m

Golpe de ariete

B.L. 4977 m

Intervalo 5935 -5915 m


TenarisTamsa 28

Durante la perforación se atraviesan formaciones tales como lutitas, domos arcillosos y salinos, etc., cuyos comportamientos químico-mecánicos son francamente plásticos (donde el material se extruye y fluye hacia el pozo), y ocasionan que la carga geostática se transmita radialmente hacia el pozo, lo cual puede propiciar el colapso de la tubería de revestimiento.

Factores causales

Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica


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Al estar perforando la última etapa de perforación con barrena de 5 7/8”y fluido de perforación de 1.75 gr/cc, se presentó la influencia de una carga geostática de sal en el intervalo de 5,301-5,419 m. Este intervalo había sido cubierto anteriormente con una tubería de revestimiento de 7".

Factores causales


20” 1005 m

13 3/8” 2996 m

30” 30 m

9 5/8” 5248 m

7” 5548 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

Sal 4302 - 4590 m

Sal 5301 - 5419 m


TenarisTamsa 30

Sin embargo, la sal generaba una deformación sobre la tubería, tratando de colapsarla.

Factores causales


20” 1005 m

13 3/8” 2996 m

30” 30 m

9 5/8” 5248 m

7” 5548 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

Sal 4302 - 4590 m

Sal 5301 - 5419 m


TenarisTamsa 31

El efecto fue cuantificado en cerca de 30,000 psi al colapso. Para evitar esta deformación fue necesario incrementar la densidad del fluido hasta 2.03 gr/cc e introducir una tubería de revestimiento de contingencia de 5”.

Factores causales


20” 1005 m

13 3/8” 2996 m

30” 30 m

9 5/8” 5248 m

5” 5694 mAgujero 4 1/8” 5762 m

7” 5548 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

Sal 4302 - 4590 m

Sal 5301 - 5419 m


TenarisTamsa 32

La zona de influencia de la sal ahora quedo cubierta por dos tuberías de revestimiento una de 7” y de 5”, terminando finalmente el pozo con agujero reducido de 4 1/8”.

Factores causales


20” 1005 m

13 3/8” 2996 m

30” 30 m

9 5/8” 5248 m

5” 5694 mAgujero 4 1/8” 5762 m

7” 5548 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

Sal 4302 - 4590 m

Sal 5301 - 5419 m


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Factores causales


20” 551 m

13 3/8” 1788 m

30” 147.50 m

SAL

9 5/8”-9 7/8” 3956 m

B.L. 7 - 2845 m

7” a 3936 m

2960 m

3655 m

4260 m5”

B.L. 5” - 3492 m


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Factores causales – Mal Diseño30” 50 m

20”

13 3/8”

9 7/8” 4212 m

7 5/8” 5759 m

BL 7 5/8” – 4000 m

5 ½” 5961 m 5,000 10,000 15,000 20,000

Presión (psi)

Profundidad (m)

Carga = 15,374 psi

Diseño = 17,296 psi(factor = 1.125)

Resistencia de la tubería 7 5/8”TAC-140 39 lb/pie = 15,250 psi

2404 m

905 m

Anomalía a 5535 mBL 5 ½” –

5697 m

Intersección 5077 m. Extender el liner de 5 ½”


TenarisTamsa 35

Factores causales – Mal Diseño

Profundidad

5,000 10,000 15,000

δ = 2.02 gr/cm3

13,770 psi

Resultante

Resistencia al colapso 9 5/8”P-110 = 7,950 psi

Resistencia al colapso 9 5/8”TRC-95 = 7,340 psi

4,801 m

5,295 m

5,874 m

Intercepción de la carga con la capacidad mecánica de la tubería se ubicó por cálculo a 2,800 m.

1,005 m

2,987 m

B.L.5046 m

20”

13 3/8”

9 5/8”

7”

5”

2957 m

1,800 m

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


TenarisTamsa 36

Factores causales – Mal Diseño

6,600 psi

Carga y Resultante

Presión (psi)

2,000 4,000 6,000

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

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” P-110 60 lb/pie = 3,610 psi

B.L. de 9 5/8”

d =

1.42

gr/c

c

B.L. 9 5/8”

11 ¾”

3920 m

3275 m

9 5/8”

3070 m

13 3/8” 916 m

16” 530 m

TXC 1800 m

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


TenarisTamsa 37

En el centro de Investigación de la Compañía TenarisTamsa, se cuenta con dos simuladores para pruebas de colapso en tiempo real.

Pruebas de laboratorio

Descripción del equipo


TenarisTamsa 38

La muestra es colocada dentro de la cámara. Se incrementa la presión por el exterior con agua hasta alcanzar el colapso.


Descripción del equipo


TenarisTamsa 39


1a. PRUEBATR 9 5/8” TAC-110, 53.5 lb/pie

Presión de colapso real: 11,779 psiPresión de colapso de fábrica: 10,520 psi

2a. PRUEBATR 9 5/8” TAC-140, 53.5 lb/pie


0 20 40 60 80 100 120Tiempo de prueba (seg)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Presión

(psi)

0 10 20 30 40 50Tiempo de prueba (seg)

0

2000

4000

6000

8000

10000

16000

Presión

(psi)

12000

14000


TenarisTamsa 40


4a. PRUEBATR 7” TAC-140, 38 lb/pie


3a. PRUEBATR 7” TAC 110, 35 lb/pie



TenarisTamsa 41


5a. PRUEBAPaquete de TR 7” TAC-110, 35 lb/pie dentro de TR 9 5/8” TAC-110, 53.5 lb/pie,

bien cementado. Se alcanzó una presión de 18,604 psi, sin colapsarse.

0 50 100 150 200 250 300

Tiempo de prueba (seg)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Presión (psi)

350 400 450 500

14000

16000

18000

20000


TenarisTamsa 42


6a. PRUEBATR 9 5/8” L-80, 47 lb/pie


7a. PRUEBATR 7” L-80, 32 lb/pie



TenarisTamsa 43


La octava prueba consistió en acoplar el tubo de 7” dentro del de 9 5/8” mediante calzas de madera, simulando la ausencia de cemento entre ambas tuberías.


TenarisTamsa 44


Una vez realizado el acoplamiento, se procedióa instalar el paquete dentro del tanque de la máquina de prueba.


TenarisTamsa 45


Se ajustaron las calzas que separan ambos tubos, una vez que el conjunto quedó instalado en el tanque de la máquina de prueba.


TenarisTamsa 46


En el momento del colapso del tubo de 9 5/8 a los 7,511 psi, esta se impacto contra la de 7” con fuerza suficiente para deformarla.


TenarisTamsa 47


La deformación ocasionada por el colapso en el tubo de 9 5/8”, impidió que se pudiera substraer el tubo de 7”.


TenarisTamsa 48



TenarisTamsa 49

ü El conjunto de resultados señalan que la calidad de las tuberías no es un factor que contribuya sistemáticamente al problema de los colapsos.

ü Como lo han señalado otros autores, este fenómeno está más relacionado con: desgaste de tuberías, pandeo helicoidal, incrementos de presión exterior por temperatura, depresionamientos inadecuados, cargas geostáticas por flujo de formaciones plásticas y actividad tectónica.

Conclusiones


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ü Conviene enfatizar la importancia de seguir los procedimientos operativos adecuados clave de perforación a fin de minimizar los factores causales del colapso.

ü La prueba con el arreglo de tuberías de 9 5/8" y 7" cementadas, indica que una buena cementación de tuberías permite incrementar su resistencia al colapso.

Conclusiones

22.06.10

Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción

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