diseÑo de tuberias de produccion

PRODUCCION I14 de abr.

DISEO DE TUBERIAS DE PRODUCCION

1. FILOSOFIA DE DISEO.Bsicamente, se disea una tubera con la siguiente filosofa: Seguridad como primeras catastrficas, fallas dependientes del tiempo, fallas debido a manipuleo, etc.) Economicidad (costos de capital, costos de operacin, costos de mantenimiento, etc.) Acciones futuras (exploraciones futuras, desarrollo del yacimiento, forma de producir el pozo, etc.) 2. OBJETIVO.El principal objetivo de las tuberas o (TUBING) de produccin es de conducir los fluidos producidos por el pozo, desde el fondo del mismo hasta la superficie. Se instalan como un medio para permitir el flujo vertical hacia la superficie, son diseados de acuerdo a los requerimientos de esfuerzos que establecen en el curso de produccin de un pozo. De acuerdo a las condiciones de caudal y resistencia, tambin varan en dimetros y grados de acero. Estos tubing, y tambin llamados (EDUCTORES) o sarta de produccin, constituyen arreglos de tubulares y equipos de fondo; pueden ir desde arreglos sencillos hasta arreglos muy complicados.

Su objetivo primordial es de conducir los fluidos desde la boca de las perforaciones hasta la superficie. La seguridad y el costo son factores muy importantes a tomar en cuenta en el diseo, ya que tomando en cuenta estos puntos minimizamos el riesgo con el mejor diseo tcnico econmico.

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3. CONCEPTOS.CASING DE PRODUCCION: El casing de produccin es el que viene colgado desde los arreglo de superficie mediantes unos colgadores especiales o tambin puede ser de tipo LINER o tambin es llamado casing de produccin tipo liner, y puede tener un dimetro de 4,5 a 20 pulgadas de (O.D.),(dimetro externo).

TUBERAS DE PRODUCCIN (TUBING):

El tubing de produccin es una tubera conectada al rbol de produccin y otros dispositivos que permiten el flujo de los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hasta la superficie. Es una tubera ligera, puede ser extrado y colocada con equipos mas ligeros que el de perforacin, y su dimetro es de de pulgada a 4.5 de pulgada de (O.D.) (dimetro externo).

4. DISEO DEL (CASING TUBING) DE PRODUCCIN.Al mencionar los diferentes tipos de determinacin de pozo, aparece la utilizacin de una, dos hasta tres sartas de produccin, segn el nmero de estratos que independientemente amerita ser produccin. Las reglas bsicas para desarrollar un diseo de caeras de produccin en el pozo son: Determinar las dimensiones y longitudes de arreglo de caera a ser corridos en el pozo. Calcular el tipo de magnitudes de los esfuerzos y cargas para las caeras, que se estima encontrar en el pozo. Seleccionar el peso y grado de la caera adecuados para soportar las condiciones extremas de esfuerzo y fatigas esperadas en el pozo.



Las condiciones de esfuerzos y fatigas que debern afrontar las caeras al ser bajadas en el pozo se resumen en tres factores: La presin de reventamiento (estallido). La presin de colapso. Tensin.

Tension.- Una sarta de trabajo al estar suspendida verticalmente, sufrir unesfuerzo axial llamado tensin, producto de su peso. El valor de este esfuerzo varia de cero en el punto neutro hasta un mximo en el punto de apoyo, es decir en la superficie.

Colapso.- este esfuerzo se debe principalmente al efecto de la presinexterior que ejerce la columna hidrosttica de los fluidos de perforacin. El valor de este esfuerzo aumenta con la profundidad y su valor mximo estar en el extremo interior de la tubera.

5. PROCEDIMIENTO DE DISEO DE TUBERAS La lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseo mecnico de cualquier sistema de tuberas: Establecimiento de las condiciones de diseo incluyendo presin, temperaturas y otras condiciones, tales como la velocidad del viento, movimientos ssmicos, choques de fluido, gradientes trmicos y nmero de ciclos de varias cargas. Determinacin del dimetro de la tubera, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presin del fluido. Seleccin de los materiales de la tubera con base en corrosin, fragilisacin y resistencia. Seleccin de las clases de vlvulas.



Clculo del espesor mnimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseo, de manera que la tubera sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presin del fluido. Establecimiento de una configuracin aceptable de soportes para el sistema de tuberas. Anlisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubera por los distintos tipos de carga estn dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores lmites, satisfaciendo as los criterios del cdigo a emplear. 6. CARGAS DE DISEO PARA TUBERAS Un sistema de tuberas constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construccin y montaje. Tambin ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuacin se resumen las posibles cargas tpicas que deben considerarse en el diseo de tuberas. 6.1 CARGAS POR LA PRESIN DE DISEO Es la carga debido a la presin en la condicin ms severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condicin durante la operacin normal. CARGAS POR PESO Peso muerto incluyendo tubera, accesorios, aislamiento, etc. Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso Efectos locales debido a las reacciones en los soportes CARGAS DINMICAS Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberas expuesto al viento Cargas ssmicas que debern ser consideradas para aquellos sistemas ubicadosUNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA


en reas con probabilidad de movimientos ssmicos.

Cargas por impacto u ondas de presin, tales como los efectos del golpe de ariete, cadas bruscas de presin o descarga de fluidos Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presin, por variaciones en las caractersticas del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento. Este tipo de cargas no ser considerado ya que forman parte de anlisis este proyecto slo se realizarn anlisis estticos.

6.2 PRESION DE DISEO La presin de diseo no ser menor que la presin a las condiciones ms severas de presin y temperatura coincidentes, externa o internamente, que se espere en operacin normal. La condicin ms severa de presin y temperatura coincidente, es aquella condicin que resulte en el mayor espesor requerido y en la clasificacin ("rating") ms alta de los componentes del sistema de tuberas. Se debe excluir la prdida involuntaria de presin, externa o interna, que cause mxima diferencia de presin.

6.3 TEMPERATURA DE DISEO La temperatura de diseo es la temperatura del metal que representa la condicin ms severa de presin y temperatura coincidentes. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseo para tuberas son como sigue: Para componentes de tubera con aislamiento externo, la temperatura del metal para diseo ser la mxima temperatura de diseo del fluido contenido. Para componentes de tubera sin aislamiento externo y sin revestimiento interno, con fluidos a temperaturas de 32F (0C) y mayores, la temperatura del metal paraUNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA


diseo ser la mxima temperatura de diseo del fluido reducida, segn los porcentajes de la tabla 4.

6.4 ESPESOR DE PARED El mnimo espesor de pared para cualquier tubo sometido a presin interna o externa es una funcin de: El esfuerzo permisible para el material del tubo. Presin de diseo. Dimetro de diseo del tubo. Dimetro de la corrosin y/o erosin. Adems, el espesor de pared de un tubo sometido a presin externa es una funcin de la longitud del tubo, pues sta influye en la resistencia al colapso del tubo. El mnimo espesor de pared de cualquier tubo debe incluir la tolerancia apropiada de fabricacin.

7. IDENTIFICACIONES DE LAS TUBERAS DE PRODUCCIN.Las tuberas de produccin pueden identificarse segn su: a) Grado b) Peso c) Dimetro d) Conexiones e) Longitud a) GRADOS DE LAS TUBERIAS DE PRODUCCION.Los grados de las tuberas son similares en su denominacin a los de caera, donde el grado de acero define el esfuerzo de cadencia (yield strength) de las tuberas. Usualmente consiste en una letra y de dos y tres letras. El cdigo numrico indica el mnimo (yield strength). En la mayora de los casos, la letra en el orden alfabtico indica mayor(yield strength). El mnimo (yield strength) es usado para calcular la resistencia al reventamiento (estallido) y el colapso de las tuberas de produccinUNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA


Orden 1

Grado H 40

Especificacion Marcado con 40

2

J 55 (TUBING) Codigo color verde

3

J 55 (CASING) Codigo color verde blanco

4

K 55 Codigo color verde

5

M 65 Codigo color verde- azul

6

N 80 Codigo color rojo

7

L 80 Codigo color rojo- - verde

8

C 90 Codigo color rosado

9

T 95 Codigo color blanco

10

C 95 Codigo color rojo

11

P 110 Codigo color blanco

12

Q - 125 Codigo color naranja



CLASIFICACIN DE LA TUBERA DE PRODUCCIN POR SU USUALIDAD

Blanca clase I

Dos blancas clase optima Amarilla clase II Azul Clase III Roja: desechar (agrietada)



b) PESO DE LAS TUBERAS DE PRODUCCIN.El peso unitario de cada tubera es generalmente definido en (Lbs/ Pies). Y representa el peso nominal API de la tubera sin conexiones. El calculo del peso de la tubera esta definido por la siguiente ecuacin.

Wc = Wuc * L + Wtj

Donde:

Wc: peso calculado de la tubera de longitud L (lbs). Wuc: peso unitario de la tubera en (lbs/pies) L: longitud de la tubera incluyendo conexiones Wtj: ganancia o prdida de peso debido alas conexiones

El rea transversal de la tubera puede calcularse aproximadamente en base al peso de la tubera, utilizando la siguiente formula: Ac = 0.29 * Wc (peso de tuberia) = (pulg.2)

c) DIMETROS DE CASING TUBING DE PRODUCCIN.El dimetro del tubing es reducido lo que permite una fcil operacin de bajada al pozo dentro de las caeras instaladas y asimismo una eficiente produccin del petrleo o gas, siendo fcilmente removible al surgir algn problema de produccin. Al incrementar el dimetro del tubing se reducir la friccin y permitir un mayor flujo o produccin de petrleo o una mayor inyeccin (de fluido de fracturamiento, cidos u otros fluidos de tratamiento).UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA


Pero el incremento de dimetro conlleva un mayor costo y asimismo puede traer problemas con el dimetro interno del casing usado. La optima relacin de dimetros tubera/caera es en funcin del rgimen de flujo deseado y del costo de los arreglo. La seleccin de la tubera para un arreglo de intervencin de pozo se basa en las mismas consideraciones que la seleccin de caera. Dimetros desde 1,05 pulgadas hasta 4 1/2 pulgadas son las mas usados. Las dimensiones mas usadas en las operaciones de BOLIVIA son de 23/8 y 27/8 de pulgadas, comnmente conocidas como TUBING de 2 o 3 pulgadas: en grados J-55 API.

Las tuberas se caracterizan por tres tipos de dimetro: dimetro externo, dimetro interno, y dimetro drift. el dimetro externo e interno definen el espesor de la tubera. El dimetro drift es dimetro mximo de herramienta que puede pasar por esa tubera.

d) CONEXIONES.Las conexiones pueden ser de tres tipos: Conexiones NU (non upset) o conexiones API STANDARD con 10 hilos. Estas conexiones tienen menos resistencia (strength) que el cuerpo de la tubera. Conexiones EUE (external upset) o conexiones API STANDARD de 8 hilos (8RD) donde la junta tiene mas resistencia que el cuerpo de la tubera. Conexiones integrales, manufacturadas para brindar ms espacio interior sin prdida de la resistencia a esfuerzos ni friccin en las juntas.



e) LONGITUDES DE LAS TUBERAS DE PRODUCCINLos rangos de las tuberas es un valor aproximado de la longitud de una tubera, para facilitar el manejo de las mismas tuberas. El API especifica los siguientes rangos de longitudes: Rango Rango 1 Rango 2 Longitud (pies) De 20 a 24 (ft) De 28 a 32 (ft)

8. CONSIDERACIONES SOBRE ARREGLOS DE TUBERAS Despus de que el dimetro y el material de la tubera han sido seleccionados y de que el espesor requerido de pared de los tubos y la clase ("rating") de las bridas han sido establecidas, el diseador de la tubera tendr que elaborar una disposicin econmica de tuberas para el nuevo sistema. Adems, el diseador de tuberas debe familiarizarse con los problemas de soportara, los tipos disponibles de soportes y su aplicacin. Por ejemplo, las lneas de tubera deben ser proyectadas para usar las estructuras existentes en los alrededores para proveer puntos lgicos de soporte, si hay espacio disponible en tales estructuras y se puede usar el soporte apropiado.

9. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL DISEO DE LAS CAERAS DE PRODUCCIN.La sarta de produccin son usualmente diseadas para soportar las siguientes condiciones o factores de diseo: a) Presin de reventamiento (estallido) b) Presin de colapso c) Tensin



a) DISEO AL REVENTAMIENTO.La caera de produccin estar sometida una presin interna igual ala presin del fondo (BHP), en caso de que exista una fisura en la tubera de produccin. En el peor de los caso ocurre cuando existe una fisura en el fondo de la tubera, a la altura del packer, permitiendo que el gas ingrese al espacio anular que contienen fluidos de empaque (fluidos de terminacin), y migre hacia la superficie. Por lo tanto la mxima presin al reventamiento ocurrir con una (BHP) en superficie, actuando sobre la presin hidrosttica del fluido de empaque. El fluido de contrapresin es ejercida por una presin equivalente ala densidad del fluido de formacin (9 LPG). Generalmente se usan bajas densidades para fluidos de empaque, si consideramos que la densidad del fluido de empaque es igual a (9 LPG), la presin hidrostatica del mismo anulara la contrapresion. Por lo tanto la carga resultante al reventamiento, es una linea vertical igual ala presin de fondo del pozo (BHP). La linea de diseo, es iguala la resultante multiplicada por un factor de 1.0. En caso de que se estime hacer futuros trabajos de intervencin en el pozo, es aconsejable utilizar un factor de diseo de (1.05) a (1.1.).

b) DISEO AL COLAPSO.La lnea de carga al colapso, es calculada en base al lodo y lechada del cemento que queda en el espacio anular, despus de bajar y cementar la caera. El fluido de contra presiones considera nulo, cuando se produce el pozo mediante elevacin artificial (gas lift). Si no se emplea este mtodo de produccin (gas lift), la contra presin ser ejercida por la columna de fluidos de empaque



La lnea de diseo al colapso, es igual a la resultante, multiplicado por un factor de diseo de (1.0).

c) DISEO A LA TENSIN.El diseo a la tensin, es idntico al procedimiento descrito en las anteriores caeras, usando un factor de diseo de (1.6) y (100000 de sobretensin).

EJERCICIO DE DISEO DE CAERIA DE PRODUCCION.-

DATOS hz

CAERA

7 13500 ft 13.5 ppq 10.500 ft 16.4 ppg. 7600 psi (0.563 psi/ft) 9.0 LPG (fluido empaque) 0.468 psi/ft (D. Eq. F.=9.0 ppq)

Densidad lodo Tope cemento Cemento BHP Densidad empaque GfN

DISEO AL REVENTAMIENTO Presin al Reventamiento PR = BHP + Ph EMP. PR = 7600 + (0.052*9*13.500)=13.918 psi

Contrapresin PF = 0.468 psi/ft * 13.500 ft = 6.318 psi

Resultante PRR = PR - PF = 13.918 6.318 = 7.600 psi



Lnea de diseo (FSR = 1.0 @ 1.15) PRR = 7.600 * 1 = 7.600 psi

DISEO AL COLAPSO

Presin al colapso PC (A) = 0 psi PC (B) = Phlodo = 7.371 psi PC (C) = Phlodo + Phcemento = 9.928 psi Contrapresin PC (A) = 0 psi PC (B) = 0 psi PC (C) = 0 psi Resultante PC (A) = 0 psi PC (B) = 7.371 psi PC (C) = 9.929 psi Lnea de diseo (FSC = [email protected]) PC (A) = 0 psi PC (B) = 5.371 * 1.1 = 8.108 psi PC (C) = 9.929 * 1.1 = 10.922 psi

Usando como Fs = 1.1, nos obliga a buscar otra caera + resistencia. Caera 7, P-110, 35 lb/ft, LTC ID = 6.004 RR = 9.520 psi RC = 13.020 psi RTB = 1.119.00 lbs RTC = 996.000 lbs



DISEO A LA TENSIN .(6004)2 25.31pulg 2 4 A 2 .(7)2 38.5 pulg 2 4 PH1 0.052 *13.5 *13.500 9.477 psi A1 PH2 0.05 * [(13.5*10.500) (16.4* 3000) 9.929.4 psi

F1 = 268.294 lbs. F2 = 382.282 lbs. W1 = 35 * 3700 = 129.500 W = 35*9800 = Fuerzas Axiales (+) 34300 472500 lbs (-)

Faxial base caera FaxB = F1 F2 = 268294-382282 = -113988 lbs Faxial tope caera Fax A = F1 F2 + W1 = -113988+472500 = 358512 lbs Punto NeutroLPN 268294 382282 3257 ft 35

PN = 13500-3256.8 = 10243 ft Lnea de diseo (FST = 1.6 o + MOP = 100000 lbst) FX A = 358512*16 = 573620 lbs FAX B = --13988 lbs.



Las caeras de produccin son utilizadas generalmente para facilitar el trabajo y la extraccin de la produccin de petrleo y gas de cada pozo en cada campo petrolfero, tambin son usadas para el aislamiento de zonas de produccin ya que posteriormente van a ser producidas mediante sistemas de inyeccin (gas lift), u otro sistema que sea necesario para la produccin de petrleo y gas.

CONCLUSIN.El diseo de caera de produccin es de mucha importancia ya que al disear dichas caeras se deben tomar en cuentas los factores de diseo para que posteriormente no se produzcan fallos en el interior del pozo y as tenga una produccin til de petrleo y gas.


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