Definición y funciones de la tubería de revestimiento y producción

• Tubería de revestimiento:

– La que se utiliza para recubrir las paredes del pozo con el propósito general de protegerlo.

• Tubería de producción:

– Aquella por donde circulará el fluido

• Revestidor/Camisa/Tieback “de producción”:

– La que está (o puede estar) en contacto directo con el fluido.

• Camisa (liner):

– Tubería que no llega hasta la superficie sino que está colgada de otra.

• Tieback:

– Tubería que va desde una camisa hasta la superficie.

• Conductor (Puede referirse también la primera tubería de revestimiento):

• Reduce al mínimo la pérdida de circulación a poca profundidad

• Conducto por donde el lodo regresa a la superficie al comienzo de la perforación

• Minimiza la erosión de sedimentos superficiales debajo del taladro

• Protege de la erosión las tuberías de revestimiento subsiguientes

• Sirve de soporte para el sistema desviador en caso de afluencia inesperada a poca profundidad.

• Tubería de superficie:

• Soporta el resto de los revestidores

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

Conductor

Revestidor superficial

Revestidor Intermedio

Tieback de producción

Tubería de producción Camisa de producción

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

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

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

• Sirve de apoyo primario para los impiderreventones

• Revestidor intermedio, camisas y tiebacks de perforación:

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

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

• Revestidor de producción, camisas y tiebacks de producción:

• Protege el ambiente en caso de una falla de tubería

• Permite cambiar o reparar la tubería de producción

• Aísla la zona productora de las demás formaciones

• Crea un conducto de paso de dimensiones conocidas

• Tubería de producción:

• Constituye el conducto por donde fluye el fluido en la fase de producción

• Sirve para controlar la presión del yacimiento

• Permite estimular el yacimiento

Procedimiento General de Diseño

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

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

– La distribución de temperaturas,

– Las funciones del pozo, actuales y futuras,

– Caudal de fluido esperado,

– Etc.

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

– Seleccionar las profundidades de asentamiento.

– Escoger los diámetros de los distintos revestidores.

– Determinar los tipos de material, espesores y conexiones de las sartas.

Selección de la profundidad de asentamiento

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

Presiones vs. profundidad ó Gradiente de presiones vs. Profundidad

Pro

fun

did

ad

Gradiente de presión, peso equivalente de lodo

Gradiente defractura

Gradiente depresión de poro

0

Prof. final

Pro fund idad

Pre sión

p

pro fG

r adien tede presi ón

ppro f

=

Pro fund idad

Gr adien te

de presi ón

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

Gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad

Profundidad

Presión Gradientede presión

Profundidad

Zona depresiónnormal

Zona depresiónanormal

ProfundidadG

radien

te de p

resi ón, p

eso equ

iva lente d

e lo do

Gr ad

iente d

efra ctu

raG

r adien

te fra c.m

e nos m

arge n d

e arr em

et ida

Gr ad

iente d

ep

re sión d

e po ro

Gr ad

. PP

má s

sobreb

a lance

0

Pro f. fin

al

So breb ala nce: 0,5 lpg

Marge n de arr em

e tida : 0,5 lpgM

arge n de seg urid ad: 0,5 lpg

Así, por ejemplo, se obtiene:

• Adicionalmente se tiene que verificar:

- Riesgo de pega por presión diferencial

- Resistencia de la formación contra arremetidas

Riesgo de pega por presión diferencial

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

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

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

sea menor a 2.000 ó 3.000 psi

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

Pro

fun

did

ad

Peso equivalente de lodo

0

Prof. final

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

Hay que proteger toda la formación por encimaRevestidor

D

Plodo

Pporo

• Resistencia de la formación contra arremetidas

• Resistencia de la formación contra arremetidas

Pro

fun

did

ad

Peso equivalente de lodo

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

{!

Revestidor superficial

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

Lodo

Lodo

GasHoyo abierto

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

Parre = (Profhoyo/Profcalc) * DM + Plodo

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

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

Ejemplo:

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

Solución:

Considerando los márgenes de 1 lpg, las profundidades de asentamiento resultaron:

Revest. producción: 12.000’

Revest. intermedio: 10.000’

Revest. superficial: 3.200’

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

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

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

Repitiendo la operación para el revestidor intermedio a 10.000 pies:

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

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

Y para el revestidor de producción a 12.000 pies:

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

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

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

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

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

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

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

¿Hasta qué profundidad se puede perforar con 15,8 lpg?... Esa será la nueva profundidad de asentamiento... O usar ese lodo (menor factor de seguridad)... O modificar las profundidades anteriores...

Finalmente se verificará que el revestidor superficial, asentado a 3.200 pies resista una arremetida.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

9 11 13 15 17 19

Gradiente de presión (lb/gal)

Pro

fun

did

ad (

pie

s)

Para ello se calculará la presión que generaría en la zapata a 3.200 pies, una arremetida que tenga lugar cuando se perfora el segundo hoyo a 10.000 pies.

La presión de fractura a 3.200 pies es de sólo 13,2 lpg por lo que la arremetida generaría una fractura de la formación.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

9 11 13 15 17 19

Gradiente de presión (lb/gal)

Pro

fun

did

ad

(p

ies)

Gradientede fractura - MS

Gradientede presión

de poro + MS

Para evitar el problema de la arremetida hay que calcular una nueva profundidad de asentamiento, utilizando la misma ecuación anterior y se calcula para diferentes profundidades. Luego se comparan los valores con el gradiente de fractura.

Conductor320’

B + ConductorB

Producción

12.000’

10.000’

4.000’Superficial

IntermedioRevestimiento de Producción

A

Selección de los diámetros de los distintos revestidores

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

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

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

Rev. de producción

Superficial

Intermedio

Camisa

Tub. de producción

Superficial

Intermedio

CamisaRev. Intermedio(no previsto en el diseño)

Ejemplo

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

4

4 3/4

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 5/8

14 3/4

16

4 1/2

5 7/8

7

8 1/2

9 5/8

12 1/4

13 3/8

17 1/2

20

5

6 1/87 5/87 3/48 3/4

10 3/4

14 3/4

16

20

24

5 1/2

6 1/2

8 5/8

9 1/2

17 1/2

20

26

30

7 7/8

9 5/8

10 5/812 1/411 3/411 7/8

13 3/814

11 3/411 7/8

RevestidorHoyo

RevestidorHoyo

RevestidorHoyo

RevestidorHoyo

Revestidor

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

Las líneas contínuas representan las selecciones más usuales.

• Analizados los casos de carga, se deben comparar los resultados con la resistencia del material a:

• Colapso

• Cedencia interna (estallido)

• Tracción

• Compresión

• Esfuerzos de Von Mises

4

4 3/4

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 5/8

14 3/4

16

4 1/2

5 7/8

7

8 1/2

9 5/8

12 1/4

13 3/8

17 1/2

20

5

6 1/8

7 5/87 3/4

8 3/4

10 3/4

14 3/4

16

20

24

5 1/2

6 1/2

8 5/8

9 1/2

17 1/2

20

26

30

7 7/8

9 5/8

10 5/8 12 1/4

11 3/411 7/8

13 3/814

11 3/411 7/8

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

12.000’

10.000’

4.000’ Superficial

Producción

Producción

Resultado:

5 1/2”

9 5/8”

13 3/8”

Conductor320’ 20”

4

4 3/4

6 5/8

7 7/8

8 5/8

10 5/8

14 3/4

4 1/2

5 7/8

7

8 1/2

9 5/8

12 1/4

13 3/8

17 1/2

20

5

6 1/8

7 5/87 3/4

8 3/4

10 3/4

14 3/4

16

20

5 1/2

6 1/2

8 5/8

9 1/2

17 1/2

20

26

7 7/8

9 5/8

10 5/812 1/4

11 3/411 7/8

13 3/814

11 3/411 7/8

RevestidorHoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

Hoyo

Revestidor

12.000’10.000’

4.000’Superficial

Rev.de Producción

Camisa deProducción

Conductor320’

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

Cuánto mayor lo determina el:

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

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

• Materiales

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

• Diámetro externo (-0,5% + 1,0%)

• Peso (espesor) (-12,5% + 0%)

• Grado (resistencia del material)

• Tipo de conexión

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

Factor de Diseño Resistencia asumida del MaterialCarga aplicada

Factor de Seguridad Resistencia real del MaterialCarga aplicada

Factor de Diseño

Factor de Diseño Resistencia del M aterialCarga aplicada

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

• Los valores de diámetro que se fabrican usualmente son:

Peso

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

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

13 1/2”13 3/8”11 7/8”11 3/4”10 3/4”

20”

18 5/8”16”14”13 5/8”

9 7/8”9 3/4”9 5/8”8 3/4”7 3/4”

7 5/8”7”6 5/8”5 1/2”5”

4 1/2”4”3 1/2”2 7/8”2 3/8”

De color rojo las de mayor uso en Venezuela.

9 5/8” 47 lb/pie P-110 BTCDiámetro externoPeso

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

Material con una resistencia a la fluencia mínima de 110.000 psi

Rosca Buttress

Grado

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

Conexiones

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

• Los principales elementos que caracterizan una conexión son:

– Si es acoplada o integral, es decir, si la caja es separada o es parte del tubo

– Los diámetros internos y externos (en relación al tubo)

– El tipo de rosca

– El tipo de sello

– El reborde

Tipo de acoplamiento

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

Es integral, cuando la caja está tallada en el tubo

Diámetros internos y externos

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

En la conexión integral pueden haber cuatro tipos:

– Interna lisa

– Externa lisa

– Intermedia

– Toda lisa

Tipo de rosca

Existen básicamente dos tipos de rosca

– La triangular (60°)o redonda:

– y la trapezoidal:

El sello

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

El reborde

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

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

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

– conexiones API (uso libre)

– conexiones PREMIUM

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

– Redondas:

• IJ - Integral Joint

• NUE - Non upset tubing thread

• EUE - External upset tubing thread

• STC - Short thread connector

• LTC - Long thread connector

– Trapezoidales (antiguamente eran patentadas)

• BTC - Buttress

• XL - Extrem-line

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

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

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

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

• MTC - Estándar con sello metal-metal (VAM, BDS)

• MIJ - Integral con sello metal-metal (PH-6, IJ4S)

• HW - Especiales para paredes gruesas (HPC,VAM HW)

• LD - Especiales para grandes diámetros (Big Omega, ATS)

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

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

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

Sellos metal-metal

Reborde

Rosca trapezoidal

conexión integral

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

• Colapso

• Cedencia Interna (Estallido)

• Tensión / Compresión

• Esfuerzos Triaxiales (von Mises)

• Consideraciones Especiales

COLAPSO

Se llama colapso a la posibilidad de que la tubería falle por exceso de presión externa

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

• Por fluencia

• Colapso plástico

• De transición

• Colapso elástico

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

• La fórmula de colapso por fluencia es:

donde: Rp resistencia a la fluencia

D diámetro externo de la tubería

t espesor

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

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

• Donde las letras A, B y C son:

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

CEDENCIA INTERNA (Estallido)

• Se llama cedencia interna o estallido a la posibilidad de que la tubería falle por exceso de presión interna.

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

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

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

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

Pe = Pi - Po donde Pe es la presión equivalente

Po la presión externa

Pi la presión interna

Tracción y Compresión

Se analizan los esfuerzos de tracción y compresión debido a la posibilidad de que la tubería falle por exceso de carga axial

Consideraciones Generales

• La tubería de producción se diseña en base a la Resistencia a la Fluencia del material.

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

Carga = Area * Esfuerzo

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

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

Deformación

Esfuerzo

Resistencia a la Fluencia

ResistenciaMáxima

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

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

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

Consideraciones especiales de Diseño

Pandeo

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

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

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

Hay varias variables que permiten evaluar la “magnitud” del pandeo:

– El paso de la “hélice” que forma el tubo.

– La severidad de la curvatura (pata de perro).

– El diámetro máximo de herramienta que puede pasar por la zona pandeada.

Temperatura

La temperatura de un revestidor puede variar considerablemente durante la operación, causando esfuerzos térmicos en el mismo.

Así pues, por ejemplo, en el caso de circulación con la sarta de perforación, la temperatura puede tener el siguiente perfil:

FF

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

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

Transferencia de cargas

Bajo determinadas circunstancias las cargas de un revestidor pueden ser trasmitidas a otros, causando la falla de éstos.

Te m

pera

tura

Ti e

mp o

Iny e

cció

nC

i err

eT

e mpe

ratu

ra d

e fo

n do

d e h

o yo,

est

á tic

a

Te m

pera

tura

de

supe

rfi c

ie, e

stá t

ica

Tu b

erí a

de

pro d

ucci

ón

Temperatura

Profundidad

Temperaturaestática

Dentro de la sartade perforaciónFuera (espacio anular)

Así por ejemplo, debido a que el tope del cemento del tieback del ejemplo de la izquierda está más alto que el del revestidor intermedio, el peso de éste puede transferirse al tieback.

Revestidorde superficie

Revestidorintermedio

Tieback deproducción

Camisa deproducción

Aumento de presión en el anular

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

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