Determinación de las fuerzas aplicadas y sus efectos a la tubería

de Explotación y Producción

PAMELA DEL CARMEN GALAVIZ MILLANSERGIO ARTURO GARCÍA IDUARTE

TERMINACION Y MANTENIMIENTO DE POZOS

Universidad Autónoma del Carmen facultad de ciencias químicas y

petroleras  

INTRODUCCION• El aparejo de producción es el medio por el cual se transportan los

hidrocarburos desde el yacimiento hasta la superficie. Debe soportar íntegramente las presiones y los esfuerzos a que es sometido durante las operaciones de terminación y mantenimiento, tales como inducciones, pruebas de admisión, estimulaciones, fracturamientos, etc., así como durante la vida productiva del pozo.

• El diámetro del aparejo de producción debe ser tal que permita transportar los gastos de producción esperados, pues, si es pequeño, restringirá la producción, por el contrario, si es demasiado grande, el flujo puede ser intermitente o inestable, además se incrementara el costo total del pozo, pues la geometría de las tuberías de revestimiento dependen directamente del tamaño del aparejo de producción.

PROPIEDADES• Resistencia.- Es el esfuerzo máximo que un material puede soportar

antes de que ocurra una falla (resistencia a la tensión, colapso y presión

interna).

• Rigidez.- Una estructura es rígida si soporta un gran esfuerzo con una

mínima deformación.

• Ductilidad.- Es la capacidad de un material para soportar grandes

deformaciones inelásticas antes de la fractura. Se asocia con los

esfuerzos de tensión.

• Maleabilidad.- Es la capacidad de un material para soportar grandes

deformaciones inelásticas antes de la fractura. Se asocia con los

esfuerzos de compresión.

FACTORES DE DISEÑO• En el diseño de tubulares, los efectos de carga son separados de

la resistencia de la tubería por un multiplicador arbitrario conocido como factor de seguridad, cuya función es tener un respaldo en el diseño, debido a la incertidumbre en determinar las condiciones de carga reales, además del cambio de las propiedades del acero debido a corrosión y desgaste.

• El factor de seguridad es definido como la relación entre la resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada. Por ejemplo, el factor de seguridad para la presión interna es la siguiente:

EFECTO DE COMBINACION DE FUERZASEn las condiciones reales, la tubería de producción estará bajo la acción combinada de las presiones interna, externa y tensión debido al propio peso de la tubería. Los efectos combinado no son simplemente la suma de ellos.

El efecto biaxial considera el cambio en la resistencia al colapso y presión interna debido a la tensión o compresión del aparejo. Esto es representado por el criterio biaxial, el cual esta dado matemáticamente por:

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

Los efectos relevantes que se obtenidos de los criterios biaxiales son los siguientes:

Tensión reduce resistencia al colapso.

Tensión incrementa resistencia a la presión interna

Compresión reduce resistencia a la presión interna

Compresión incrementa resistencia al colapso

Combinación de los esfuerzos principalmente

Ruptura Tensión

Ruptura Compresión

Colapso Tensión

Colapso Compresión

+Tensión

- Compresión

+ruptura

- Colapso

Ruptura + TensiónRuptura + Compresión

Colapso + Compresión Colapso + Tensión

APLICACIÓN DEL CRITERIO TRIAXIAL

El criterio mas aceptado para evaluar los efectos combinados es analizar el esfuerzo Triaxial o Esfuerzo equivalente.

El diseño triaxial considera que en cada elemento de acero en la tubería actúan tres esfuerzos sobre su superficie; estos son: el esfuerzo axial, radial y tangencial.

La única diferencia entre el concepto triaxial y el biaxial es que el segundo considera el esfuerzo radial igual a cero

• La teoría recomendada para calcular el esfuerzo triaxial es conocida como la teoría de Von Mises. Esta teoría consiste en definir un esfuerzo equivalente (óvme) y entonces relacionar este esfuerzo al mínimo especificado de resistencia de esfuerzo (óy) de la tubería de revestimiento.

El cálculo para determinar esfuerzo triaxial es mayor conducido utilizando un programa adecuado de diseño de tubería de revestimiento. El diseño triaxial deberá ser realizado cuando cualquiera de las siguientes condiciones aplique:

La teoría de Von Mises

21222

2

1zrrzVMEpY

• Yp = Mínimo esfuerzo de cedencia, (Psi)• VME = Esfuerzo triaxial, (Psi)• z = Esfuerzo axial, (Psi)• = Esfuerzo tangencial o de abarrilamiento,

(Psi)• r = Esfuerzo radial, (Psi)

Limite Máximo de diseño de tubería cuando la tubería esta Vacía

Factores de diseño

Fuerzas Aplicadas a las tuberías de revestimiento y producción

Por Cargas de presión: 1.- Externa 2.- Interna 3.- Axiales Fuerza por tensión Fuerzas por pandeo Fuerza térmica (Por temperatura)

Cargas de presión

Las presiones actuantes en las paredes de una tubería pueden ser tanto externas como internas.

Es decir, la presión ejercida por cualquier fluido sobre las paredes de una tubería se presenta por la parte exterior de la tubería, con relación al área expuesta definida por el diámetro externo del tubo, y por la parte interna, con relación al área expuesta definida por el diámetro interior del tubo.

En estas condiciones las tuberías quedan sujetas a la acción de fuerzas actuando por efecto de la presión.

El efecto neto de presión actuante será el diferencial de presión presente entre el exterior y el interior del tubo.

Presión ExternaSe presenta un resumen de las condiciones que propician la acción de presiones externas sobre las tuberías y que generan una presión actuante en cada punto de profundidad.

En la introducción de la TR

Es aquella presión ejercida por la hidrostática del fluido de control al momento de la corrida en el pozo.

donde:

Pe = Presión externa (Kg / cm2)hz = Profundidad de interés (m)Pf = Densidad del lodo (gr / cm3)

Durante la cementación de la TR Es la presión generada por el

desplazamiento de los fluidos inyectados al interior del pozo y circulando en el espacio anular entre agujero y TR.

Desde el punto de vista hidráulico, bajo condiciones isotérmicas y considerando fluidos incompresibles, el perfil de presión generado se expresa por la siguiente ecuación:

donde: Pe = Presión de circulación de fondo (psi)

Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi)

hj = Profundidad de interés (ft)

Pj = Densidad del fluido circulante (psi / pie)

Δhi = Tirante de fluido (ft)

fij = Factor de fricción (adimensional)

vij = Velocidad del fluido (j) en la geometría (i) (ft / seg)

Presión internaEste perfil de presión interna determinado para cada caso u operación dentro del pozo, representa el estudio de por vida de las condiciones de presión a las que se va a someter la tubería. Por lo tanto, debemos evaluar todos los casos que represente un estado de cambio de presión en la tubería.

Durante la introducción de la tubería

Representa la presión hidrostática ejercida por el fluido de control al momento de correr la tubería en el interior del pozo.

Donde:

Pi = Presión interna (kg/cm2)hz = Profundidad de interés (m)Pf= Densidad del fluido (gr/cm3)

Durante la cementación

El perfil de presión generado por el desplazamiento de los fluidos bombeados durante las operaciones de cementación, en el cual se consideran las caídas de presión por fricción y el fenómeno de caída libre en el interior de la TR. La representación generalizada para evaluar el perfil de presión es la siguiente:

donde:

Pi = Presión de circulación de fondo (psi)Pwh = Presión en cabeza del pozo (psi)hj = Profundidad de interés (ft)Pj = Densidad del fluido circulante (psi/ft)Δhi = Tirante del fluido (ft)fij = Factor de fricción (adimensional)vij = Velocidad del fluido (j) en la geometría (i) (ft/seg)

Cargas axialesUna de las principales causas de falla en las tuberías es la acción de las cargas axiales en las operaciones en un pozo. La condición del diseño establece que la capacidad de resistencia axial sea superior a la carga axial impuesta para garantizar la seguridad de no deformación de la tubería. Por lo tanto, debemos estimar las diferentes cargas axiales que toman lugar y así lograr evitar la falla en las tuberías.

El primer efecto axial a considerar en el diseño de tuberías es el peso propio de la sarta de tuberías:

W = wi hi

donde: W = Peso total de la sarta (al aire) (lbf)wi= Peso unitario de la tubería (lbf/ft)hi = Longitud de la sarta (ft)

Fuerzas térmicasEl efecto de la temperatura produce un cambio de longitud de la sarta de producción. Ésta se contrae cuando existe inyección de fluidos a temperatura de superficie, en el caso de calentamiento del aparejo de producción, ya sea por las condiciones de producción o por la inyección de fluidos calientes, se genera una elongación.

Lo anterior sucede siempre y cuando se tenga un movimiento libre de los sellos multi-v, de lo contrario se producen fuerzas sobre el empacador.

El cambio de longitud por este efecto es calculado mediante la siguiente ecuación:

∆L4 = Lᵦ∆T

En donde:

ᵦ = Coeficiente de expansión térmica del acero:

(12.42x10^-6/°C)

∆T = Cambio promedio de temperatura

Fuerza de tensión

La fuerza de tensión es resultado del peso propio del conjunto de tubos suspendidos por debajo del punto de interés. La resistencia a la cedencia del cuerpo del tubo es la fuerza de tensión que origina que el tubo exceda el límite elástico o mínimo esfuerzo a la deformación.

Para la unión correspondiente a cada tubo se considera la que se conoce como junta o cople.

Cambios de longitud del aparejo de producción

• Efecto de pistoneo

• Efecto de baloneo

• Efectos de temperatura

Efectos Axiales.• Las condiciones de presión y de temperatura

presentes dentro de un pozo, hacen que el material sufra alteraciones en las condiciones con respecto a su material, en donde tiene la capacidad de deformación elástica hasta los límites de cedencia del acero durante la evaluación de los cambios axiales que experimenta una tubería, se han detectado cuatro fenómenos que son los siguientes:

Pandeo.

Se denomina “pandeo” a la deformación mecánica que experimenta una tubería por la acción del las fuerzas compresionales desarrolladas sobre el cuerpo de la misma. Por la forma y severidad del pandeo de la tubería se han definido dos criterios de pandeo. Es importante mencionar que el pandeo es una deformación que puede hacer fallar a una tubería. Esto ocurre porque se generan grandes esfuerzos por flexión en forma simultánea, el cual limita el trabajo o paso de herramientas por el interior de la tubería.

Balonamiento.

Es el efecto natural que presentan las tuberías por la “inflación” o “desinflación” que se manifiesta por efectos de cambios en la presión interna y externa se denomina “balonamiento”. Es una medida de la deformación elástica propia del acero y que induce esfuerzos tensionales y compresionales en la tubería. Es decir la tubería se contrae o elonga longitudinalmente, cuando esta está confinada o sin libre movimiento. Se dice que existe balonamiento cuando la presión interna que actúa en al tubería es superior a la presión externa. Y se dice que existe “balonamiento inverso” cuando se presenta el efecto de “desinflación” motivado por los cambios de presión externa que son superiores a la presión interna prevaleciente en la tubería, la magnitud de este esfuerzo axial puede obtenerse mediante el siguiente modelo:

• En este caso se refiere al momento en el que alcanza el nivel de la cedencia del material. Las condiciones elásticas del material generan elongaciones longitudinales que dan lugar a una deformación tipo “globo” en la sarta de tubería

Efecto Pistón.• El efecto de contracción

o elongación que presenta una tubería por efecto del cambio en el estado de esfuerzos axiales es denominado efecto “pistón”. La condición elástica que caracteriza a las tuberías de acero da lugar a la deformación axial. Es decir, por cada incremento de carga axial, la tubería experimenta un cambio longitudinal.

Efecto Térmico.• La temperatura a la cual se expone las tuberías

en el interior de un pozo. Son importantes para la estimación de las cargas axiales. Estas cargas se producen por el cambio de temperatura que experimenta la tubería al someterse a diferentes eventos de carga. La magnitud de las cargas axiales generadas por efecto del cambio

Colapso Deformación geométrica y mecánica que experimentan los tubulares al estar sujetos a una presión externa mayor a su resistencia.

• ¿Qué es?• La resistencia al colapso es la condición mecánica de una

tubería (aplastada) originada por la aplicación de una carga, superior a su capacidad de resistencia a la deformación.

• DEFINICIÓN • Fuerza mecánica capaz de deformar un tubo por el efecto

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

• En el colapso, las condiciones más críticas pueden presentarse cuando la tubería se encuentra vacía y en el espacio anular se ejerce una presión, de manera que se pueda colapsar el aparejo.

• Colapso de Cedencia

• Colapso Plástico

• Colapso de Transición

• Colapso Elástico

La resistencia al colapso, de acuerdo con el API boletín 5C3 (1985) consiste en cuatro régimen de colapso, que se determinan con base a la resistencia a la candencia del material y a la relación D/t y son definidos según el tipo de falla.

Colapso de cedencia

• No es un colapso verdadero. Para tuberías con una relación (D/ t < 15), el esfuerzo tangencial excederá la resistencia a la cedencia del material antes de que una falla de inestabilidad de colapso ocurra. Este fenómeno es matemáticamente representado por:

Colapso plástico.

• No existe una expresión analítica para simular este tipo de colapso; sin embargo, una ecuación fue desarrollada a partir de 2, 488 pruebas. Por tanto, la mínima presión de colapso en rango plástico puede ser estimada por la siguiente ecuación:

Colapso de transición.

• La mínima presión de colapso en la zona de transición entre la falla plástica y la elástica es descrita por:

Colapso elástico.

• Se basa en la teoría de falla por inestabilidad elástica. Este criterio es independiente de la resistencia a la cedencia y es aplicable a espesores de pared delgados (D/ t > 25 ). La presión de colapso mínima para el rango elástico de colapso es obtenida como sigue:

Ecuaciones de coeficientes empíricos

La siguiente figura presenta los límites para cada tipo de colapso, en función del grado de acero y la relación diámetro-espesor. Puede utilizarse para determinar el tipo de colapso a emplear en un caso específico. Conforme se incrementa el espesor de pared, la relación diámetro-espesor se reduce y el colapso se mueve de elástico a cedencia, pasando por plástico y de transición.

Regiones de los diferentes tipos de colapso.

Corrosión

La corrosión es un fenómeno electro-químico. Tiene lugar en las tuberías por efecto de la acción del medio ambiente y la reacción de los constituyentes del material con el que están fabricados los tubos, es decir de acero. Este fenómeno tiene muchas y diversas presentaciones en los aceros. Desde una oxidación hasta lo que actualmente conocemos como agrietamiento por ácido sulfhídrico. El efecto de deterioro por los estragos de la corrosión en las tuberías se manifiesta por la pérdida de la capacidad de resistencia, que obliga a prevenir éstos efectos para evitar las fallas en las tuberías.

• Los factores que contribuyen a la corrosión son las concentraciones de ácido sulfhídrico, el nivel de pH, la temperatura, oxigeno, velocidad del fluido, el nivel de esfuerzo en la tubería, la cedencia del material, la micro-estructura, el proceso de tratamiento térmico durante la fabricación y las aleaciones que componen el acero. Incrementando la concentración de ácido sulfhídrico se puede tener un efecto significativo en la susceptibilidad al agrietamiento. Sin embargo, se da por arriba de 8 en el medio que rodea a la tubería, disminuye el ritmo de corrosión. Es por esto, que los lodos de perforación con valores de pH mayores de 8 son benéficos para prevenir el ataque del ácido sulfhídrico.

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