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04.09.08
Conceptos, diseo de sartas y tuberasde perforacin
M.I. David Hernndez MoralesServicios Tcnicos Petroleros
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Contenido
Componentes de la sarta
Lastrabarrenas
Longitud de los lastrabarrenas herramienta
Estabilizadores
Tubera de perforacin pesada
Tubera de perforacin
Identificacin de la tubera de perforacin
Rango de la tubera de perforacin
Mtodo del factor de flotacin y de presin-rea
Clculo de la tensin de la tubera
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Contenido
Clasificacin de la tubera de perforacin
Diseo de la tubera de perforacin
Elongacin de la tubera de perforacin
Determinacin del punto libre en funcin de la tensin y elongacin
Torsin en funcin del nmero de vueltas
Esfuerzos combinados de tensin con torsin
Carga lateral sobre la junta de perforacin
Altura de la junta en la mesa rotaria
Problemas en tuberas de perforacin
Avances tecnolgicos
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Componentes de la sarta
Existen diferentes herramientas que conforman la sarta
de perforacin. Las conexiones que se ubican entre la
unin giratoria hasta la parte superior de la flecha, son
roscas izquierdas, mientras que las conexiones que se
ubican desde la parte inferior de la flecha hasta la
barrena son roscas derechas; por lo
que el par de torque impartido a laflecha tiende a apretar ms a las
conexiones cercanas a las superficie.
Roscas derechas e izquierdas en la sarta de perforacin
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Lastrabarrenas (drill collars)
Bsicamente existen dos tipos de
lastrabarrenas, uno es el redondo tradicional
y el helicoidal.
La principal diferencia estriba en que el
lastrabarrenas helicoidal tendr un rea de
contacto menor con las paredes del agujero,
por lo que son recomendados cuando setenga evidencia de problemas relacionados
con pegaduras por presin diferencial.
Tipos de lastrabarrenas
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Los lastrabarrenas son herramientas que proporcionarel peso sobre la barrena deseado.
Los lastrabarrenas son herramientas que trabajan a lacompresin, por eso en su diseo con una seccin
transversal muy elevada y conexiones robustas con
relevadores de esfuerzos.
Proporcionan la rigidez necesaria para mantener labarrena en una posicin correcta y evitar minimizar los
problemas de la desviacin de los pozos.
.
Lastrabarrenas (drill collars)
Objetivos de los lastrabarrenas
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Longitud de la herramienta
PSB
Wu Fs Fb cos
Donde:L = Longitud de los lastrabarrenas (m).
PSB = Peso sobre la barrena a aplicarse (Kg).
Wu = Peso unitario de los lastrabarrenas (Kg/m).
Fs = Factor de seguridad, normalmente 85%
(adimensional).
Fb = Factor de flotacin (adimensional).
= ngulo del inclinacin del pozo (grados).
L =
Ecuacin
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TenarisTamsa 9
Estabilizadores
Los estabilizadores son otro componente importante en el
aparejo de fondo; los cuales deben de cumplir
funciones importantes, tales como:
Centrar a los lastrabarrenas dentro del agujero,
permitiendo as que la barrena gire en forma
concntrica.
Estabilizar y/o repasar el agujero en el intervalo
que la barrena perfora.
Ayudar a que la barrena no perfore en forma lateral.
Funciones
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TenarisTamsa 10
Estabilizadores
Tipos de estabilizadores
Aletassoldadas
Patinesremplazable
s
Camisaintercambiable
Integrales
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Tubera de perforacin pesada (HW)
Reduccin de fallas y costos porque absorbe losesfuerzos de transicin entre los lastrabarrenas y la
tubera de perforacin.
En ocasiones pueden utilizarse como lastrabarrenas
en equipos pequeos, perforaciones especiales como
la direccional y horizontal.
Ayuda a reducir las pegaduras por presin diferencial,torques y arrastres.
Funciones
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TenarisTamsa 12
Tubera de perforacin pesada (HW)
Reduccin de fallas y costos porque absorbe losesfuerzos de transicin entre los lastrabarrenas y la
tubera de perforacin.
En ocasiones pueden utilizarse como lastrabarrenas
en equipos pequeos, perforaciones especiales como
la direccional y horizontal.
Ayuda a reducir las pegaduras por presin diferencial,torques y arrastres.
Funciones
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Tubera de perforacin pesada (HW)
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Tubera de perforacin pesada
El rango dos es el ms comnmente utilizado para las
tuberas de perforacin.
Caractersticas de la tubera de perforacin pesada
Dimetro exterior
3
4
4
5
Dimetro interior
2 1/16
2 9/16
2
3
Peso Unitario
(lb/pie)
26
28
42
50
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TenarisTamsa 15
Proporcionar el medio para conducir el fluido de
perforacin desde el equipo superficial hasta labarrena.
Impartir el movimiento de rotacin a la barrena.
Permitir la aplicacin del peso sobre la barrena.
Permitir bajar y levantar la barrena en el pozo.
Tubera de perforacin
Objetivos Generales
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 16
Proporcionar una buena estabilidad en el aparejo de
fondo, para minimizar la vibracin y el brincoteo dela barrena.
Permitir la evaluacin de algn intervalo productor, a
travs de las pruebas de produccin.
Permitir la evaluacin de las formaciones conherramientas registradoras, cuando no pueden ser
corridas en agujeros descubiertos.
Tubera de perforacin
Objetivos especiales
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TenarisTamsa 18
Tubera de perforacin
Fabricacin de la junta.
Finalmente se realizar la fusin de la junta con el cuerpodel tubo (previamente recalcado) con el proceso de friccion
weld.
Fabricacin
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TenarisTamsa 19
Tubera de perforacin
Producto terminado
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 20
Tubera de perforacin
Existen cuatro grados de acero comnmente utilizado enla Industria Petrolera, los cuales son:
Grados
Grado
E 75
X -95
G 105S - 135
Esfuerzo a la cedencia (psi)
75,000
95,000
105,000135,000
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 21
Identificacin
A continuacin se
presenta las muescas
que aparecen en la junta
de perforacin para una
fcil identificacin en el
campo.
Identificacin segn el grado
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 22
Rango de tubera de perforacin
El rango dos es el ms comnmente utilizado para lastuberas de perforacin.
Rangos de longitudes permitidos por el API
Rango
1
2
3
Longitud (pies)
18 - 22
27 - 30
38 - 40
Longitud (m)
5.50 6.70
8.23 9.15
11.60 12.20
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 23
Mtodos
Mtodo de flotacin Este mtodo involucra elfenmeno de la flotacin de un cuerpo que se sumerge
en un fluido.
Mtodo de presin-rea Este mtodo involucra lasdiferenciales de las secciones transversales de los
tubulares que este en cada sarta de perforacin, ascomo los pesos de los mismos.
Mtodos de clculo
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 24
Mtodo del factor de flotacin
a) Clculo total del peso de los lastrabarrenas
WT = Wu (L)
Wu = 2.669 (82 32) = 147 lb/pie = 219 Kg/m
L = 165 m = 540 piesWT = (147 lb/pie) (540 pies) = 79,380 lb-f
WT = 79,380 lb-f
b) Clculo del factor de flotacin
Fb = 1 (1.78 /7.85) = 0.77
c) Clculo del peso sobre la barrena permisible
PSB = 79,380 (0.77) = 61,122 lb-f = 27,782 Kg = 27 Ton.
Ejemplo
TP 5 X 4.276
4000 m
Lastrabarrenas
8 X 3
165 m
L = 1.78 gr/cc
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 25
Mtodo presin - rea
a) Clculo de la fuerza F1
F1 = P1 (A1)
P1 = 1.78 (4165)/10 = 714 Kg/cm2 = 10,522 psi
A1 = (82 32)/4 = 43.20 pg2
F1 = 10,522 (43.20) = - 454,550 lb-f
b) Clculo de la fuerza F2
F2
= P2
(A2
)
P2 = 1.78 (4165 - 165)/10 = 712 Kg/cm2 = 10,110 ps
A2 = ( (82 32)/4) - ( (4.2762 32)/4) = 37.92 pg2
F2 = 10,110 (37.92) = 383,371 lb-f
Ejemplo
TP 5 X 4.276
4000 m
18 Lastrabarrenas
8 X 3
165 m
L = 1.78 gr/cc
F1
F2
W1
W2
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas deperforacin.
TenarisTamsa 26
Mtodo presin - rea
c) Clculo del peso de los lastrabarrenas
W1 = Wu (L)
Wu = 2.6669 (82 32) = 147 lb/pie
L = 165 m = 540 piesW1 = (147 lb/pie) (540 pies) = 79,380 lb-f
d) Clculo del peso de la tubera de perforacin
W2 = Wu (L)
Wu = 19.5 lb/pie
L = 4,000 m = 13,120 pies
W2 = (19.5 lb/pie) (13,120 pies) = 255,840 lb-f
Ejemplo
TP 5 X 4.276
4000 m
18 Lastrabarrenas
8 X 3
165 m
L = 1.78 gr/cc
F1
F2
W1
W2
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 27
Mtodo presin - rea
e) Distribucin de fuerzas en la sarta
En el fondo = F1 = -454,550 lb_f
En cima D.C. = F1 + F2 = -454,550 + 383,371 = -
71,179 lb-fEn base de los D.C. = F1 + F2 + W1 = - 71,179 +
79,380 = 8,201 lb-f
En la cima de la TP = 8,201 + W2 = 8,201 +
255,840 = 264,041 lb-f
f) Peso disponible por los lastrabarrenas
PSB perm.= F1 + F2 + W1
PSB perm.= - 454,550+383,371+79,380 = 8,201 lb-f
Ejemplo
TP 5 X 4.276
4000 m
18 Lastrabarrenas
8 X 3
165 m
L = 1.78 gr/cc
F1
F2
W1
W2
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 28
Mtodo presin - rea
Ejemplo
TP 5 X 4.276
4000 m
18 Lastrabarrenas
8 X 3
165 m
L = 1.78 gr/cc
F1
F2
W1
W2
- 455
- 71 + 8
+ 264Compresin (miles
lb_f)
Tensin (miles
lb_f)
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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TenarisTamsa 29
Clculo de la tensin de la tubera
FT = (D2 d2) y
Donde:
FT = Fuerza de tensin (lb-f).
D = Dimetro exterior (pg).d = Dimetro interior (pg).
y = Esfuerzo de cedencia (psi).
D
d As
F T
4
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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TenarisTamsa 30
Clasificacin -tubera perforacin-
Nueva
Premium
Clase 2
De acuerdo con la norma del API
No existe desgaste y nunga ha sido utilizada.
La tubera ha tenido un desgaste uniforme;
quedando el espesor de pared con el 80%
del inicial.
La tubera ha tenido un desgaste uniforme,
quedando el espesor de pared con el 70%
del inicial.
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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TenarisTamsa 31
Clasificacin -tubera perforacin-
De acuerdo con la norma del APILa tubera de perforacin durante su
vida va sufriendo desgaste en el
dimetro exterior, generada por la
friccin con las paredes del agujeroy/o tuberas de revestimiento, por lo
que va cambiando su clasificacin.
En nuevo dimetro exterior de la
tubera puede determinarse
mediante la ecuacin:
D = 2t + d
D
d t
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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TenarisTamsa 32
Clculo de la tensin de la tubera
FT = (D2 d2) y / 4
Para una tubera nueva:FT = 0.7853 (52 4.2762)(75,000) = 395,595 lb-f
Para una tubera clase Premium:
t = ((5 - 4.276)/2)(0.80) = 0.2895 pg
D = 2t + d = 2(0.2895) + 4.276 = 4.855 pg
FT = 0.7853 (4.85522 4.2762)(75,000) = 311,535 lb-f
Tubera de 5 grado E-75, 19.5 #/pie, nueva y Premium
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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TenarisTamsa 33
Diseo de la tubera de perforacin
Donde:
LTP = Longitud de la tubera del grado en clculo (m).
LDC = Longitud de los lastrabarrenas (m).
RT = Resistencia a la tensin de la tubera del grado en clculo (kg).
WTP = Peso ajustado de la tubera de perforacin del grado en clculo (Kg/m).WDC = Peso unitario de los lastrabarrenas (Kg/m).
MOP = Margen adicional para la tensin margen para jalar (Kg).
Fb = Factor de flotacin (adimensional).
RT (0.9) MOP
WTP (Fb)
Diseo por tensin para la primera seccin de tubera
LDC (WDC)
WTPLTP =
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 34
Diseo de la tubera de perforacin
Donde:
LTP = Longitud de la tubera del grado en clculo (m).
LDC = Longitud de los lastrabarrenas (m).
RT = Resistencia a la tensin de la tubera del grado en clculo (kg).
WTP = Peso ajustado de la tubera de perforacin del grado en clculo (Kg/m).WDC = Peso unitario de los lastrabarrenas (Kg/m).
MOP = Margen adicional para la tensin margen para jalar (Kg).
Fb = Factor de flotacin (adimensional).
RTn (0.9) MOP
WTPn (Fb)
Diseo para la segunda y subsecuentes secciones
LDC (WDC) + LTP1 (WTP1) + .. + LTPn-1 (WTPn-1)
WTPnLTPn =
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 35
Diseo de la tubera de perforacin
Datos:
Profundidad = 5000 m
Densidad del fluido de perforacin = 2.00 gr/cc
Factor de flotacin = 0.74Longitud de los lastrabarrenas = 108 m de 8 X 3 de 147 lb/pie
MOP = 50 Ton. = 110,000 lb
Clculo de la primea seccin de tubera de grado E-75
Ejercicio
311,535 (0.9) 110,000
(20.89) (0.74)
(355) (147)
20.89LTP =
LTP = 11,022 2,498 = 8,524 pies = 2,600 m
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 36
Diseo de la tubera de perforacin
Clculo de la segunda seccin de tubera grado X-95
Ejercicio
394,612 (0.9) 110,000
(21.44) (0.74)
(355) (147) + (8,524) (20.89)
21.44LTP =
LTP = 15,451 10,739 = 4,712 pies = 1,435 m
Clculo de la tercera seccin de tubera grado G-105
436,150 (0.9) 110,000(21.92) (0.74)
(355) (147) + (8,524) (20.89) + (4,712) (21.44)21.92
LTP =
LTP = 17,418 15,113 = 2,305 pies = 700 m
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 37
Diseo de la tubera de perforacin
Clculo de la cuarta seccin de tubera grado S-135
560,764 (0.9)110,000
(22.60) (0.74)
(355)(147)+(8,524)(20.89)+(4,712)(21.44)+(2,305)(21.92)
22.60
LTP =
LTP = 23,600 16,894 = 6,706 pies = 2,045 m
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 38
Diseo de la tubera de perforacin
Descripcin
Lastrabarrenas
TP E-75TP X-95
TP G-105
TP S-135
Resultados
Longitud (m)
108
2,6001,435
700
157
5,000
Peso Unitario (lb/pie)
147
20.8921.44
21.92
22.60
Peso Flotado por seccin
(lb)
38,617131,769
74,758
37,389
8,613
291,146 lb = 133 Ton.
Tabla de resultados
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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TenarisTamsa 39
Elongacin de la tubera
(65.44 12 ) L2
8,946,497.62
Donde:e = Elongacin (pg).
L = Longitud de la tubera (m).
= Densidad del fluido de perforacin (gr/cc).
Nota: Las variables del mdulo de elasticidad y la relacin
de Poisson est involucrada en las constantes (API
RP7G).
e =
Ecuacin para la elongacin de la tubera en un fluido
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 40
Elongacin de la tubera
Cual ser la elongacin de una tubera de perforacin de
5 de dimetro exterior a la profundidad de 5,400 m,
sumergida en un fluido de perforacin de 2.00 gr/cc.
(65.44 12 ) L2 ((65.44 12 (2.00)) (5,400) 2
8,946,497.62 8,946,497.62
e = 135 pg = 11.25 pies = 3.43 m
e =
Ejercicio
=
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
perforacin.
TenarisTamsa 42
Punto libre en funcin de la tensin
En donde se localizar el punto neutro de una sarta de
perforacin de 5 de 19.5 lb/pie, y se tiene una elongacin
de 24 pg con una tensin de 50,000 lb
(224,175) (e) (Wu) (224,175) (24) (19.5)
T (50,000)
LST = 2,098 m
LST =
Ejercicio
=
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Conceptos, diseo de sartas y tuberas de
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Torsin en funcin de las vueltas
0.203 (QT) (LQ)
10,0000 (D4 d4)
Donde:
N = Nmero de vueltas aplicadas en la superficie (adim.).
QT = Fuerza de torsin (lb-pie).
LQ = Longitud de la tubera a donde se aplica el torque(pies).
D = Dimetro exterior de la tubera (pg).
d = Dimetro interior de la tubera (pg).
N =
Ecuacin para la torsin en funcin del nmero de vueltas
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Torsin en funcin de las vueltas
Se tiene una tubera de 3 de 9.5 lb/pie y se encuentra
pegada a 4800 m y se le aplicaron 15 vueltas. Qu
torque se esta aplicando en el fondo?
10,000 (D4 d4) N 10,0000 (3.54 2.9924) (15)
0.203 (LQ) 0.203 (15,744)
QT = 3,280 lb-pie
QT =
Ejercicio
=
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Esfuerzos combinados
0.96167 J T2
D A2
Donde:QT = Fuerza de torsin (lb-pie).
J = Momento de inercia polar (pg4) = (D4-d4)/32.
A = rea de seccin transversal (pg2) = (D2-d2)/4.
D = Dimetro exterior de la tubera (pg).
T = Carga de tensin (lb-f).
y = Esfuerzo a la cedencia de la tubera (psi).
QT =
Ecuacin para efectos combinados de Tensin - Torsin
y2 -
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Esfuerzos combinados
Del mismo caso anterior, de la tubera de 3 de 9.5
lb/pie y se encuentra pegada a 4800 m; se le aplicaron 15
vueltas y 45 toneladas de tensin. Qu torque se esta
aplicando a la profundidad donde esta pegada?
J = (D4 - d4)/32 = (3.54 2.9924)/32 = 6.86 pg4
A = (D2 - d2)/4 = (3.52 2.9922)/4 = 2.59 pg2
0.96167 (6.86) (99,000)2
3.5 (2.59)2QT =
Ejercicio
(95,000)2 - = 163,930 lb-pie
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Carga lateral sobre la junta
(180,000) F
(
) (L) (T)Donde:
c = Mxima severidad de la pata de perro (grados/100
pies).
F = Fuerza lateral sobre la junta (lb). Arthur Lubinski indicaque el valor de 2,000 lb es aceptable.
L = La mitad de la longitud de la conexin. Rango 2=180
pg.
c =
Ecuacin para determinar la mxima severidad de lapata de perro permisible
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Altura de la juntas en la mesa rotaria
Durante las operaciones de enrosque y desenrosque de
las juntas de la tubera de perforacin en el piso de
perforacin debe mantenerse la junta lo ms cercano a las
cuas ya que se pueden presentar problemas dedoblamiento de la junta, lo que genera deformacin y dao
generando una reduccin en su vida til.
Altura mxima de la junta cerca de las cuas
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Altura de la juntas en la mesa rotaria
y (I/C) LT
61.89 T
Donde:
Hmx. = Altura mxima de la junta desde las cuas (pie).
y = Esfuerzo de cedencia de la tubera (psi).
I/C = Mdulo de la seccin de la tubera (pg3).
LT = Longitud del brazo de la llave (pie).
T = Torque aplicado a la junta (lb-pie).
Caso I (ngulo de 90)
Hmx. =
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Altura de la juntas en la mesa rotaria
y (I/C) LT
86.32 T
Donde:
Hmx. = Altura mxima de la junta desde las cuas (pie).
y = Esfuerzo de cedencia de la tubera (psi).
I/C = Mdulo de la seccin de la tubera (pg3).
LT = Longitud del brazo de la llave (pie).
T = Torque aplicado a la junta (lb-pie).
Caso II (ngulo de 180)
Hmx. =
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Altura de la junta en la mesa rotaria
Constante I/C (requerida para el clculo)Peso Unitario (lb/pie)
4.856.656.85
10.409.50
13.3015.5013.7516.6020.00
22.8224.6625.5016.2519.5025.60
I/C (pg3)0.660.871.121.601.962.572.923.594.275.17
5.686.036.194.865.717.25
Dimetro (pg)2 3/8
2 7/8
3
4
5
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Problemas
Es comn el dao que
genera la tubera de
perforacin (las juntas de
mayor dimetro,recubrimiento duro) sobre la
tubera de revestimiento,
principalmente en pozos
direccionales, horizontales en operaciones de pegadura
(trabajo a tensin, torsin,
compresin, etc.).
Dao a la tubera de revestimiento
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Problemas
Ruptura de una la junta de tubera de perforacin
generada por la acumulacin de esfuerzos en la junta, la
cual haba sido reparada en dos ocasiones.
En cada reparacin
se pierde una
longitud de
aproximadamente2 pg.
Ruptura en la junta de perforacin
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Problemas
Ruptura tpica de esfuerzos combinados de tensin con
torsin. La junta fue reparada (longitud de la caja muy
acortada) y se observa un importante dao causado por
las cuas.
Ruptura por esfuerzos combinados
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Avances tecnolgicos
Hoy en da existen recubrimientos duros
exterior especiales de un material que
reduce el dao por la friccin generada a
la tubera de revestimiento.
Existen juntas de tubera de perforacindiseadas para ser utilizadas en
ambientes corrosivos.
Existen mejores recubrimientos interiores
que permiten mayor resistencia a la
abrasin y temperatura (180C).
Desarrollos Tecnolgicos
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04.09.08
Conceptos, diseo de sartas y tuberas
de perforacin
M.I. David Hernndez MoralesServicios Tcnicos Petroleros