diseño de tr´s
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diseño de tuberías de revestimiento, para pozos petrolerosTRANSCRIPT
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3/12/08
ASENTAMIENTO Y DISEÑO DE TUBERÍAS
DE REVESTIMIENTO
Hinojosa González Natalia Catalina.
3/12/08
Tuberías de revestimiento
Son tuberías que constituyen el medio con el cual se reviste al agujero que se va perforando. Con ello se asegura el éxito de las operaciones llevadas a cabo durante las etapas de perforación y terminación de pozos.
El objetivo de un diseño, es seleccionar una tubería de revestimiento con un cierto grado, peso y junta, la cual sea más económica, y que además resista sin falla, las fuerzas a las que estará sujeta.
Las funciones de las tuberías de revestimiento son:
1. Evitar derrumbes y concavidades.2. Prevenir la contaminación de los acuíferos.3. Confinar la producción del intervalo seleccionado.4. Dar un soporte para la instalación del equipo de control
superficial.5. Facilitar la instalación del equipo de terminación, así como
los sistemas artificiales de producción
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Las tuberías de revestimiento representan alrededor del 18% del costo total del pozo. De aquí la importancia de optimizar los diseños a fin de seleccionar las menos costosas, que garanticen la integridad del pozo durante la perforación y terminación del mismo.
La tubería está sujeta a tres fuerzas durante la perforación, terminación, reparación o vida productiva del pozo:
Presión externaPresión internaCarga axial y longitudinal (tensión y compresión)
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» Tubería superficial » Tubería Conductora
» Tubería intermedia
» Tubería de explotación
» Tubería superficial » Tubería Conductora
» Tubería intermedia
» Tubería de explotación
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Tubería conductoraEs la primera que se cementa o hinca al iniciar la
perforación del pozo. La profundidad de asentamiento varía de 20 m a 250 m. Su objetivo principal es establecer un medio de circulación y control del fluido de perforación que retorna del pozo hacia el equipo de eliminación de sólidos y las presas de tratamiento.
Tubería superficialLa introducción de esta tubería tiene por objeto
instalar conexiones superficiales de control y al mismo tiempo proteger al agujero descubierto, aislando así flujos de agua y zonas de pérdida de loso cercanas a la superficie del terreno.
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Tubería intermedia
Estas tuberías se introducen con la finalidad de aislar zonas que contengan presiones normales de formación, flujos de agua, derrumbes y pérdidas de circulación: en sí se utiliza como protección del agujero descubierto, para tratar, en la mayoría de los casos, de incrementar la densidad de los fluidos de perforación y controlar las zonas de alta presión.
Tubería de revestimiento corta (Liners)
Constituye una instalación especial que evita utilizar una sarta de la superficie al fondo del pozo; la longitud de esta tubería permite cubrir el agujero descubierto, quedando una parte traslapada dentro de la última tubería que puede variar de 50 a 150 m
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Tubería de explotación
Tiene como meta primordial aislar el yacimiento de fluidos indeseables en la formación productora y de otras zonas del agujero, también para la instalación de empacadores de producción y accesorios utilizados en la terminación del mismo.
Además, las tuberías de revestimiento proporcionan el medio para instalar las conexiones superficiales de control (cabezales, BOBs), los empacadores y la tubería de producción.
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Con estas tuberías se desea:
» Aislar zonas indeseables.
» Zonas de perdida de circulación
» Zonas de presión
anormal
Con estas tuberías se desea:
» Aislar zonas indeseables.
» Zonas de perdida de circulación » Zonas de presión anormal
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PARÁMETROS PARA DETERMINAR LA PROFUNDIDAD DE ASENTAMIENTO DE LAS TR’S
- Diámetro requerido al objetivo - Tipo de formación y su contenido de
fluidos - Presión de formación y fractura - Densidad del fluido de control - Presión diferencial - Máximo volumen al brote durante la
perforación
CONSIDERACIONES RESPECTO AL DISEÑO DE TR’S
- Determinar el diámetro y longitud de las sarta de tubería
- Calcular el tipo y magnitud de esfuerzos que serán encontrados
- Seleccionar los pesos y grados de TR que no fallaran al estar sujetos a las cargas
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CARGAS
* Carga de presión interna
Se considera en primer lugar , esta nos indica las condiciones iníciales del diseño
* Carga al colapso
* Carga por tensión
* Carga por compresión
CARGAS
* Carga de presión interna Se considera en primer lugar , esta nos indica las condiciones iníciales del diseño
* Carga al colapso
* Carga por tensión
* Carga por compresión
Fuerza de colapso
Presión interna
Fuerza de Tensión
Fuerza de compresión
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DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO
3/12/08
Recopilación de información
Datos necesarios: » Trayectoria del pozo » Geopresiones » Programa de lodos » Geometría » Especificaciones de tuberías » Inventario de tuberías » Arreglos de pozos Tipo
Recopilación de información
Datos necesarios: » Trayectoria del pozo » Geopresiones » Programa de lodos » Geometría » Especificaciones de tuberías » Inventario de tuberías » Arreglos de pozos Tipo
3/12/08
En el diseño de tubulares los efectos de carga son separados de la resistencia de la tubería por un factor de seguridad conocido también como factor de diseño
Nos brinda un respaldo en la plantación debido a la incertidumbre de las condiciones de carga reales además del cambio de las propiedades del acero debido a la corrosión y al desgaste
El API realizó una investigación de factores de diseño aplicados a tuberías de revestimiento a partir del análisis efectuado por 38 compañías
El factor de seguridad es definido como la relación entre la resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada
En el diseño de tubulares los efectos de carga son separados de la resistencia de la tubería por un factor de seguridad conocido también como factor de diseño
Nos brinda un respaldo en la plantación debido a la incertidumbre de las condiciones de carga reales además del cambio de las propiedades del acero debido a la corrosión y al desgaste
El API realizó una investigación de factores de diseño aplicados a tuberías de revestimiento a partir del análisis efectuado por 38 compañíasEl factor de seguridad es definido como la relación entre la resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada
FACTORES DE DISEÑO DE TR´S
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PR Presión en superficieO 2FU 1 1- Gas en la cimaN 2- Lodo en la cimaDIDA Presión de inyección = Gff +
0.12[gr/cm³]D PRESIÓN
PR Presión en superficieO 2FU 1 1- Gas en la cimaN 2- Lodo en la cimaDIDA Presión de inyección = Gff + 0.12[gr/cm³]D PRESIÓN
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D = X + Y
Pi =Ps + 0.1*ρm *X+ 0.1* ρg*Y
Pi = 0.1*(ρfrac + FS) * D
Donde:
D= profundidad total [m] FS =0.12 [gr/cm³]X= longitud de la columna de lodo [m]
Y= longitud de la columna de gas [m]
Pi= Presión de inyección [Kg/cm²]
Ps= Presión en superficie [Kg/cm²]
ρm = densidad del lodo [gr/cm³]
ρg =densidad del gas [gr/cm³]
ρfrac =Gradiente de fractura [gr/cm³]
D = X + Y
Pi =Ps + 0.1*ρm *X+ 0.1* ρg*Y
Pi = 0.1*(ρfrac + FS) * D
Donde:
D= profundidad total [m] FS =0.12 [gr/cm³]X= longitud de la columna de lodo [m]
Y= longitud de la columna de gas [m]
Pi= Presión de inyección [Kg/cm²]
Ps= Presión en superficie [Kg/cm²]
ρm = densidad del lodo [gr/cm³]
ρg =densidad del gas [gr/cm³]
ρfrac =Gradiente de fractura [gr/cm³]
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Y = 0.1 (ρfrac + FS) * D- Ps - 0.1*ρm * D
0.1*[ρg - ρm ]X = D – YPint = Ps + 0.1 * X * ρm
Con la solución de estas ecuaciones se determina la longitud de las columnas de fluido respectivas y se obtiene la línea de carga máxima por presión interna
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Línea de carga máxima por presión interna
P Presión en superficieR O FU N D Interfase Lodo- gas Presión en interfaseIDA Presión de inyecciónD
PRESIÓN
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La línea de respaldo se considera que en el caso mas critico en la parte externa de la tubería se ejercerá una presión debida al fluido de formación
P R O FU N DIDAD
PRESIÓN
La línea de respaldo se considera que en el caso mas critico en la parte externa de la tubería se ejercerá una presión debida al fluido de formación
P R O FU N DIDAD
PRESIÓN
Línea de carga por presión interna resultante
Línea de respaldo ρ =1.07
Línea de carga Máxima por presión interna
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P R O FU N DIDAD
PRESIÓN Línea de diseño por presión interna esta se obtiene
al aplicarle a la línea de carga por presión interna resultante un factor de diseño de 1.125
P R O FU N DIDAD
PRESIÓN Línea de diseño por presión interna esta se obtiene al aplicarle a la línea de carga por presión interna resultante un factor de diseño de 1.125
Línea de carga por presión interna resultante
Línea de diseño por presión interna
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Una vez determinada la línea de diseño se esta en condiciones de seleccionar entre las tuberías disponibles y de preferencia de acuerdo con arreglos tipo para cada campo o área, las tuberías que tengan características iguales o mayores a las requeridas por la línea de diseño
PROFUNDIDAD
Línea de diseño por presión interna
Valores de resistencia a la presión interna de cada sección
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La carga por colapso para las tuberías es ejercida por el fluido en el espacio anular y se considera a la densidad del lodo máxima a utilizar
La carga por colapso para las tuberías es ejercida por el fluido en el espacio anular y se considera a la densidad del lodo máxima a utilizar
Perfil de presión que genera la columna de lodo (gradiente del lodo mas pesado dentro del pozo
profundidad
presión
Línea de carga máxima de colapso
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La máxima carga de colapso ocurrirá cuando se presente una perdida de circulación y el nivel del lodo en el interior de la tubería disminuya quedando vacía por lo que la presión hidrostática ejercida en la zapata por la reducción en la columna sea menor que la ejercida por una columna llena de agua salada por lo tanto al restar a la línea de carga máxima de colapso este respaldo se obtiene una línea de carga de colapso resultante
La máxima carga de colapso ocurrirá cuando se presente una perdida de circulación y el nivel del lodo en el interior de la tubería disminuya quedando vacía por lo que la presión hidrostática ejercida en la zapata por la reducción en la columna sea menor que la ejercida por una columna llena de agua salada por lo tanto al restar a la línea de carga máxima de colapso este respaldo se obtiene una línea de carga de colapso resultante
profundidad
presión
Carga máxima de colapso
Línea de carga de colapso resultante
Línea de respaldo (1.07 gr/cc)
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Aplicamos un factor de diseño de 1.125 para el colapso, resultante en la línea de diseño por presión de colapso
Aplicamos un factor de diseño de 1.125 para el colapso, resultante en la línea de diseño por presión de colapso
profundidad
presión
Línea de diseño por presión de colapso
Línea de carga de colapso resultante
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Finalmente se compara la resistencia a la presión de colapso de cada sección de tubería seleccionada previamente en el diseño por presión interna con línea de diseño al colapso verificando que estas resistencias no intercepten la línea de diseño por presión de colapso es decir que las resistencias de las tuberías seleccionadas sean mayores que los valores proyectados por la línea de diseño en caso de que no se cumpla esta condición de carga por presión de colapso se deberán seleccionar tuberías de mayor capacidad las cuales tienen que cumplir con las condiciones de presión interna
Finalmente se compara la resistencia a la presión de colapso de cada sección de tubería seleccionada previamente en el diseño por presión interna con línea de diseño al colapso verificando que estas resistencias no intercepten la línea de diseño por presión de colapso es decir que las resistencias de las tuberías seleccionadas sean mayores que los valores proyectados por la línea de diseño en caso de que no se cumpla esta condición de carga por presión de colapso se deberán seleccionar tuberías de mayor capacidad las cuales tienen que cumplir con las condiciones de presión interna
presión
Línea de diseño por presión de colapsoLínea de carga
de colapso resultante
Valores de resistencia a la presión de colapso de cada sección
Intersección corrección en la selección de esta sección
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Conociendo los pesos, grados y longitudes de las secciones que se obtuvieron en los diseños por presión interna y por colapso se puede determinar la carga por tensión para este fin debemos hacer un balance de fuerzas que incluya la de flotación que se interpreta como la reducción de peso de la sarta de tubería cuando se corre en algún liquido a diferencia de cuando se corre en el aire
Conociendo los pesos, grados y longitudes de las secciones que se obtuvieron en los diseños por presión interna y por colapso se puede determinar la carga por tensión para este fin debemos hacer un balance de fuerzas que incluya la de flotación que se interpreta como la reducción de peso de la sarta de tubería cuando se corre en algún liquido a diferencia de cuando se corre en el aire
Ws3
Ws2
Ws1
Fuerza 2
Fuerza 1
Fuerza 3
As1
As2
As3
Carga al gancho
El diseño por tensión se lleva a cabo desde el fondo hasta la superficie y los puntos de interés son los cambios de peso entre secciones
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Tf =6.45*L*GI*As1
Tf =6.45*L*GI*As1
Tf =fuerza de flotación (Kg)L = profundidad de asentamiento de TR (m)GI =gradiente del fluido empleado (Kg/cm2/m)As1 =es el área de la sección transversal de la primera tubería (pg)
Ws3
Ws2
Ws1
Fuerza 2
Fuerza 1
Fuerza 3
As1
As2
As3
Carga al ganchoPara la primera sección de tubería la tensión T1 se obtieneT1 = -Tf+Ws1Donde el peso de la sección 1 Ws1 (Kg) estará dado por
Ws1=1.4913*Ls1*Pu
Ls1= longitud de la sección 1 (m)Pu= el peso unitario de la tubería (lb/pie)Estos cálculos dependerán
del sentido ascendente o descendente de la fuerza y se sumaran o restaran
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Con los valores obtenidos es posible construir la línea de carga por tensión es de notar que mas de una sección de la sarta de la tubería de revestimiento puede encontrarse en compresión
Con los valores obtenidos es posible construir la línea de carga por tensión es de notar que mas de una sección de la sarta de la tubería de revestimiento puede encontrarse en compresión
Sarta en compresión
Línea de carga por tensión
profundidad
Cargas por tensión
3/12/08
A continuación se procede a obtener la línea de diseño por tensión para lo cual se emplea un factor de diseño para este caso existen dos opciones uno como factor de seguridad de 1.6 o una carga adicional de 25000 Kg en caso de que se requiera tensionar la tubería por un atrapamiento
A continuación se procede a obtener la línea de diseño por tensión para lo cual se emplea un factor de diseño para este caso existen dos opciones uno como factor de seguridad de 1.6 o una carga adicional de 25000 Kg en caso de que se requiera tensionar la tubería por un atrapamiento
Línea de carga por tensión
profundidad
Cargas por tensión
Punto en que el factor de diseño es mas grande que la carga adicional (sobre-jalón)
Línea de diseño por tensión
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Con algunas excepciones la parte mas débil de una junta de una tubería de revestimiento en tensión es el cople por ello la línea de diseño a tensión es usada primeramente para determinar el tipo de cople o junta a utilizar. El criterio de selección es elegir el cople que satisfaga las cargas de la línea de diseño al menor costo posible
Con algunas excepciones la parte mas débil de una junta de una tubería de revestimiento en tensión es el cople por ello la línea de diseño a tensión es usada primeramente para determinar el tipo de cople o junta a utilizar. El criterio de selección es elegir el cople que satisfaga las cargas de la línea de diseño al menor costo posible
Línea de diseño
Resistencias a la tensión de las juntas
Corrección en la selección de esta secciónprofundidad
Cargas por tensión
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Al concluir el diseño por presión interna presión de colapso, tensión y tipo de juntas han quedado definidos los pesos , grados y longitudes de cada sección solo resta determinar las modificaciones en la resistencia por presión interna y por colapso causadas por la carga biaxial estas modificaciones pueden obtenerse usando la elipse de Holmquist el efecto mas critico es la reducción de la resistencia a la presión de colapso por lo tanto es conveniente evaluar esta reducción y en su caso corregir la línea de diseño por presión de colapso empleando el siguiente proceso
A) se calcula el parámetro X
B) con el valor de X se obtiene el valor de Y
C) se efectúa la corrección a la resistencia a la presión de colapso por efecto de la tensión Rcc
D) para cada sección de tubería se corregirá por carga axial la resistencia a la presión de colapso y se verifica que cumpla con lo siguiente
Al concluir el diseño por presión interna presión de colapso, tensión y tipo de juntas han quedado definidos los pesos , grados y longitudes de cada sección solo resta determinar las modificaciones en la resistencia por presión interna y por colapso causadas por la carga biaxial estas modificaciones pueden obtenerse usando la elipse de Holmquist el efecto mas critico es la reducción de la resistencia a la presión de colapso por lo tanto es conveniente evaluar esta reducción y en su caso corregir la línea de diseño por presión de colapso empleando el siguiente proceso
A) se calcula el parámetro X
B) con el valor de X se obtiene el valor de Y
C) se efectúa la corrección a la resistencia a la presión de colapso por efecto de la tensión Rcc
D) para cada sección de tubería se corregirá por carga axial la resistencia a la presión de colapso y se verifica que cumpla con lo siguiente
X=(2.205)* T/(Ym*As)
Y= (1-0.75*X2)1/2 – 0.5*X
Rcc=(0.07032)*Rc*Y
Fdc=Rcc/Pcr>1.125
T= tensión aplicada en la sección correspondienteYm= es el esfuerzo mínimo de cedencia del grado de aceroAs=área de la sección transversalRc =es la resistencia nominal de colapso de tuberíaX,Y= son parámetros adimensionalesPcr=presión de colapso resultanteFdc= factor de diseño