simulación y análisis mecánico de perforación con casing …simulación y análisis mecánico de...

30 August 2011

Gonzalo Rodriguez Jordan – Santiago Grittini

String Design & Well Technologies - R&D Argentina

Simulación y análisis mecánico de perforación con casing (CWD)

Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)

230 August 2011G. Rodriguez Jordan

S. Grittini

Agenda

• Introducción

• Fatiga en tubulares

• Ensayos de fatiga resonante

• Evaluación de fatiga acumulada

• Casos de aplicación



S. Grittini

Agenda

• Introducción







S. Grittini

Introducción

Reducción de tiempos de perforación

Mitigación de riesgos (asociados a la formación)

Simplifica la Logística de perforación

Motivación (*)

Equipo de Superficie

Sarta de Casing

Herramental de fondo

Partes del

sistema

(*) De acuerdo a los proveedores del servicio.



S. Grittini

Introducción

Análisis de resistencia mecánica: Simulación

Solicitaciones

*Cargas Estáticas

*Cargas Variables

Resistencia

*Estática

*A Fatiga

Al rotar la tubería, al análisis de cargas estáticas y dinámicas se

suma el análisis de daño acumulado por fatiga. Una estimación

realista de las solicitaciones y límites operativos de cada

componente resulta en operaciones optimizadas y mas confiables.



S. Grittini

Agenda

• Introducción







S. Grittini

Definición de fatiga:

La falla por fatiga es un modo de falla asociado a la aplicación

repetida de cargas variables (de una amplitud típicamente por debajo

de la tensión de fluencia del material), la cual genera y/o propaga una

grieta hasta la eventual falla del componente.

Es un fenómeno Local, Progresivo y Acumulativo.

Etapas: Iniciación; Propagación; Falla repentina.

Componentes de las cargas cíclicas:

• Esfuerzos alternantes (stress range)

• Esfuerzo estático medio (mean stress)

Fatiga en Tubulares



S. Grittini

• La principal fuente de esfuerzo alternante (de flexión) en operaciones

dentro del pozo son las curvaturas del mismo que flexionan la tubería.

• Otras condiciones que pueden imponer cargas de flexión:

Tortuosidad del pozo; Pandeo de la tubería; Vibraciones; Whirling.

Puede haber Fatiga en pozos verticales

• El esfuerzo medio (Mean Stress) es introducido principalmente por cargas

axiales estáticas, principalmente debidas al peso de la tubería colgando,

WOB aplicado y efectos de flotación.

Fatiga en Tubulares

T

C

Esfuerzo Axial

Alternante

Esfuerzo Axial

Estático (Medio)

C Compresión

T Tracción



S. Grittini

Fatiga en Tubulares

• Caracterización de la resistencia a fatiga: Curvas S-N

•Obtenidas exclusivamente a traves de ensayos a plena escala y

análisis estadístico de resultados

Log N

Log S

Example BS:7608 class “B” Mean Curve:

C = 2.34x1015

N: Number of cycles to failure

S: Stress Range

m = 4 (curve slope for class “B”)

(No infinite life limit given by Class B curve)

Log N= Log C - m Log S N=CS-m

ID SR [ksi]

N Cycles

1 19.2 295k

2 19.1 237k

3 28.6 110k

4 28.4 135k

i …… ………N

S

C

• Definición BS:7608 Sección 4.2:Curva S-N: “La relación entre la

amplitud del esfuerzo alternante aplicado (stress range) y el número de

ciclos a falla, bajo condición de carga de amplitud constante”



S. Grittini

Curva S-N de Diseño para uniones:

Se provee a los usuarios finales para el diseño de tuberías. Es el resultado de un análisis

estadístico de datos obtenidos experimentalmente, adoptando una probabilidad de

supervivencia del 97.5%. Se recomienda aplicar Factor de Seguridad dependiendo de las

condiciones de la aplicación cuando se realiza un diseño.

Fatiga en Tubulares

S-N Curve

0

20

40

60

80

100

120

1000 10000 100000 1000000 10000000

Number of Cycles, N

Str

ess R

an

ge

, M

Pa

Experimental average

Low Failure Probability

(i.e. < 0.5 %)

+ Safety Factor

? S-N Design Curve

S-N Curve

0

20

40

60

80

100

120

1000 10000 100000 1000000 10000000

Number of Cycles, N

Str

ess R

an

ge

, M

Pa

Experimental average

Low Failure Probability

(i.e. < 0.5 %)

+ Safety Factor

? S-N Design Curve



S. Grittini

Normas Aplicables a los tubulares:

•No hay normas específicas para tubos sin costura y uniones roscadas.

•Como referencia se adoptan las siguientes normas y curvas:

–BS 7608 “Fatigue Design and Assestment of Steel Structures”

•S-N Curve Class B – Mean; S-N Curve Class B – Design

–DNV RP C203 “Fatigue Design of Offshore Steel Structures”

•S-N Curve “In Air” - B1 – Design

Fatiga en Tubulares



S. Grittini

Agenda

• Introducción







S. Grittini

Ensayos de Fatiga Resonante

• Objetivo: Simular mediante un ensayo a plena escala las

condiciones operativas de los productos tubulares usados en

aplicaciones donde se presentan cargas variables repetitivas de

flexión, como aplicaciones submarinas y ó donde se rota la tubería.



S. Grittini


• Cargas Aplicadas:

– Estática (Mean Stress): Presión interna

– Alternante (Stress Range): Flexión orbital resonante

Pi

Str

es

s R

an

ge

Str

es

s R

an

ge

Natu

ral

Fre

qu

en

cy

Natu

ral

Fre

qu

en

cy

FrequencyFrequency



S. Grittini

Ensayos de Fatiga ResonanteVista General



S. Grittini


Corte de falla de unión en lado PIN

• Grieta pasante a través de la pared del tubo.

• Se detecta por caída de presión interna.



S. Grittini

Ensayos de Fatiga ResonanteAnálisis de falla: Imágenes de un reporte típico.



S. Grittini

Ensayos de Fatiga ResonanteResultados para una conexión, OD, wt y grado.

Las curvas Mean y Design

son tomadas de la norma

BS:7608. La curva Target se

calcula para cada ensayo.

Los puntos son los resultados

de los ensayos.



S. Grittini

Ensayos de Fatiga ResonanteVista de la máquina de fatiga en TenarisTamsa



S. Grittini

Ensayos de Fatiga ResonanteVista de la máquina de fatiga en TenarisSiderca



S. Grittini

Agenda

• Introducción







S. Grittini

Evaluación de fatiga acumulada

•Software: Simulación general del operaciones con tuberías rotando:

Perforación, Reaming, Rotación en el fondo, Bajada de tuberías, etc.

Capacidades:

• Determinación de los esfuerzos estáticos (cargas axiales, torsionales y de

flexión) a lo largo de la sarta, en cualquier instante del proceso de perforación,

introducidas por:

Fuerzas de inercia

Fuerzas de flotación en el fluído

Pandeo

Mejora futura: Vibraciones axiales debidas a la interacción

Trépano-Roca y whirling.

• Evaluación de daño por fatiga:

Conteo de ciclos bajo cada condición estática de carga

Evaluación de daño acumulado mediante el uso de curvas

S-N desarrolladas por Tenaris y la aplicación de la regla de

Miner.



S. Grittini

Evaluación de fatiga acumulada

La simulación de la operación basada en datos reales (datos operativos

y curvas S-N), permite optimizar diseños de sarta y hacer análisis de

sensibilidad sobre las distintas variables del sistema.

INPUT

• Operaciones + parámetros operativos.

• Especificación de la sarta (tubería).

• Curvas S-N de las conexiones Tenaris.

TenarisSoftware

• Análisis estático: torque & drag.

• Análisis de fatiga acumulada: estimación de esfuerzos alternantes, conteo de ciclos, y correlación con curvas S-N.

OUTPUT

• Perfiles de cargas estáticas.

• Perfiles de estado tensional.

• Presencia de buckling.

• Daño acumulado por fatiga en cada conexión.



S. Grittini

Agenda

• Introducción







S. Grittini

Casos de Aplicación•Falla en una columna de 7-5/8" 29.70 ppf L80 TenarisHydril-563 usada para CwD

• Falla por fatiga en conexión a 517 ft MD.

• Se habían perforado con casing solo 320 ft antes de la falla.

• La trayectoria relevada con Gyro survey con una resolución de 10 ft entre

mediciones muestra una curvatura máxima de 9.25°/100 ft a 470 ft MD.

• Secuencia de operaciones descriptas por el cliente:

Se perforó direccionalmente un hoyo de 9 7/8” con perforación convencional y

BHA hasta 7490 ft MD.

Se baja el casing de 7-5/8" 29.70 ppf L80 TenarisHydril-563 hasta 7490 ft.

Se perforan 320 ft con la columna de casing hasta 7835 ft MD.

Se detiene la perforación debido a grandes cantidades de gas en los retornos

de lodo.

Se circula incrementando el peso de lodo rotando y reciprocando el casing

durante mas de 15 horas antes de que este se separe a 517 ft MD.

Se recupera el casing y se corre un Gyro survey con resolución de 10 ft.



S. Grittini

Casos de Aplicación

1

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

9,000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mea

sure

d D

epth

Inclination and DLS

Act DLS - MWD

10 ft Gyro DLS

Angle - MWD

7-5

/8" C

asin

g

7-5

/8" C

asin

g

10-3/4"3, 149 ft

7,490 ft

7,835 ft

Conventional drilling to 7,490 ft

Run 7-5/8" CwD String. Jt #177 at

165 ft

CwD to 7,835 ft. Jt #177 parted at 517 ft.

Drilled 320 ft

9-7/8"Open Hole

9-7/8"Cased Hole

10-3/4" casing run in 12-1/4" hole (assumed)10-3/4" 45.50 ppf L80 BTC, ID = 9.950", Special Drift = 9.875" (assumed)10-3/4" coupling OD = 11.750"Hydril 563 Coupling OD = 8.500", Length = 9.250":

Hyd-563

Wellbore Profile vs. Operations Sequence



S. Grittini


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

-10,000 -5,000 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

De

pth

(ft

)

Stress (psi)

Measured Depth Vs Stresses

AxialStress VME

BendingStress BendingStress w/o BSM

TorsionalStress

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

-10,000 -5,000 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000

De

pth

(ft

)

Stress (psi)

Measured Depth Vs Stresses

AxialStress VME

BendingStress BendingStress w/o BSM

TorsionalStress

DSM Results – MWD Survey DSM Results – Gyro Survey



S. Grittini


•En el análisis se determina que en las condiciones descriptas el daño por

fatiga acumulado supera el límite de rotura.

•La suma de operaciones no previstas (se rotó y reciprocó la columna en la

misma posición durante 15 hs) y de un pico de curvatura tampoco previsto

(9.25 °/100ft) cerca de superficie (donde hay mayor esfuerzo estático medio)

derivó en una condición de trabajo inesperadamente exigente para la

conexión, que dió origen a una falla por fatiga.



S. Grittini


Projecto en Papua Nueva Guinea.

• Casing while Drilling desde 6562 ft MD hasta 8859 ft MD

• Sarta de 13 3/8” 72.0# P110 TSH-523

• ROP = 120 ft / hr @ 50 rpm + ROB @ 50 rpm durante 10 horas.

• Se aplicó una tortuosidad virtual equivalente a DLS = 0.3° /100 ft

• Simulación para verificación de diseño propuesto



S. Grittini


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

MD

[ft

]

DLS [°/100 ft]

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0.00 2,000.00 4,000.00 6,000.00

TVD

[ft

]

VS [ft]Vertical Section

-100.00

1,900.00

3,900.00

5,900.00

-100.00 1,900.00 3,900.00 5,900.00

N

E

Horizontal Section

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

0 1

Helical Buckling0 = NO ; 1 = YES

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

-250,000 -50,000 150,000 350,000

Axial Loads [lbf]Real ForceEff. ForceCrit. Force

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

0 8,000 16,000 24,000

Torque [ft-lbf]

MD

[ft

]



S. Grittini


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

-30,000 0 30,000 60,000 90,000 120,000

Pipe Body Stress[psi]

Axial Stress

Bending Stress

Torsional Stress

VME Stress MAX

MYS

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

-30,000 0 30,000 60,000 90,000 120,000

Connection Stress[psi]

Axial Stress

Bending Stress

Torsional Stress

VME Stress MAX

MYS



S. Grittini


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101

106

111

116

121

126

131

136

141

146

151

156

161

166

171

176

181

186

191

196

201

206

211

DLS [

°/10

0ft]

Cum

ulat

ive

Fatig

ue

Connection # from bit

Cumulative Fatigue and DLS at final position

ROB DRILL DLS

Previous Casing Shoe

position

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