Sarta de Perforación: Componentes y Función

Universidad Nacional
Ingenieria
Sarta de Perforacion

Componentes:
• Vastago (Kelly)
• Tuberia de Perforacion ( Drilll Pipe )
• Tuberia extra pesada (Hevy Wate )
• Portamechas ( Drill Collar )
• Estabilizadores
• Martillos
• Herramientas Direccionales (Motor, MWD, etc)

Función:
La Sarta de Perforación provee energia a la broca para
que perfore
Potencia de carga axial
Potencia radial
Potencia hidráulica

Fabricacion:
Bajo normas API, acero Siemens-Martin, de horno eléctrico, o bien
Bessemer básico soplado con oxígeno.
No deben sobrepasar los valores: Fósforo 0,040% (máx.), Azufre
0,060% (máx).
Aleaciones al carbono, manganeso y silicio.
Cinco calidades de acero con resistencias desde 55,000 hasta
135,000 lb/ pulg2 (D, E, X, G y S)
Tambien se fabrican tuberías de aluminio, fibra de vidrio.
Drillpipe

Drillpipe
Esfuerzos Sometidos:
•Tracción
•Torsión
•Flexión
•Presión interna
•Aplastamiento
•Vibraciones
•(Puede estar sometida a esfuerzos de Compresión)
•Combinación de algunos de estos esfuerzos provocando fatiga
•Expuestos a Acción Química y Erosión.

Drillpipe
Esfuerzos Traccion:
•Tracción
•Torsión
•Flexión
•Presión interna
•Aplastamiento
•Vibraciones
•(Puede estar sometida a esfuerzos de Compresión)
•Combinación de algunos de estos esfuerzos provocando fatiga
•Expuestos a Acción Química y Erosión.

Drillpipe
Datos de la tuberia de perforacion:
•Diametro Nominal
•Peso Nominal
•Rango
•Grado
•Resistencia a la Tension
•Colapso
•Torsion

Drillpipe
Fallas de la Tuberia de Perforacion
1. Carga Traccional (Gravedad, Levantamiento, Temperatura)
2. Presiones externas (Colapso o aplastamieto)
3. Presion Interna (Explosion, fuga)
4. Flexion (Corte, tension equivalente)
5. Fatiga (Rotacion en patas de perro)
6. Aplastamiento (Cunas y apilamiento)
7. Torsion, torcimiento (cuerpo, sobretorque ajuste, desenrosque)
8. Pandeo (Por sobrepeso, Incremento Temperatura)
9. Aceleracion (Frenado instantaneo)
10.Abrasion (tubos y conexiones)
11.Erosion (Desgaste por flujo de fluidos)
12.Corrosion (H2S, CO2, O2).

Drillpipe
Diseno
1. Parametros de diseño:
a) Profundidad Total
b) Diametro del Hueco
c) Factor de seguridad en Tension
d) Peso de Lodo
e) Factor de Seguridad en Colapso
f) Longitud Drill Collar, OD, ID y peo lineal
g) Tamaño Drill Pipe, Grado,clase de inspeccion, conexion.
h) Margen de Sobretensión, MOP
i) Tipo de Pozo (vertical, direccional, horizontal)

Drillpipe
Diseno
Tension:
P= (Ldp Wdp + LcWc) x BF
Pa = Pt * 0.9 Pa: Carga max. permitida de diseno
Pt: Tablas, 0.9 Const. De proporcionalidad
limite del esfuerzo de cedencia
SF = Pa / P SF : Factor de seguridad
MOP = Pa – P MOP: Margen de sobretension
Ldp = 0.9 x Pt - Wc x Lc
SF x BF x Wdp Wdp
Ldp = 0.9 x Pt - MOP - Wc x Lc
BF x Wdp Wdp

Colapso
Se produce sólo cuando se baja las b/s al pozo vacías. Dálmine da la
siguiente fórmula para verificar este esfuerzo:
Pc = 2 x τf (d/t) – 1
(d/t)²
Presion de Colapso expuesta: 0.052 x L x MW
Presion Interna
Pi = f ( 2 τf x t ) d
F = 0.875 Clase 1, 0,8 Premium, 0.7 Clase 2
Drillpipe

Torsion
Torque = HP x 5250
RPM
Aplastamiento de las cuñas
Al colocar las cuñas a la tubería origina un esfuerzo radial que en
casos de aplicarlo cuando la tubería se encuentra tensionada puede
ocasionar el aplastamiento del tubo:
(Pw) s ( Sh / St) < ( Pa)
Pw : Carga de trabajo (lbs)
Sh / St : Constante aplastamiento por cuñas
Pa: Carga Tension Permisible
Drillpipe

Drillpipe
Ejercicio
En caso se requiera de tubos de mayor resistencia considerar:

Conjunto de Fondo
Funcion
–Proveer de peso sobre la Broca para perforar
–Proteger el Drill Pipe
–Controlar dirección e inclinación en Perforac.Direccional
–Perforar huecos mas verticales ó derechos
–Minimizar los problemas de perforación (vibración)
–Asegurar que la sarta de revestimiento baje sin
problemas

Conjunto de Fondo
Portamechas
Selección del diámetro
•Se prefiere de mayor diametro para asegurar un mejor
estabilidad direccional
•Sin embargo esto dependera del inventario de medidas que
se disponga en el equipo.
•Pescabilidad

Conjunto de Fondo
Portamechas
Diametro Util = D broca + Diametro Collar (OD)
2

Balance Empuje & Peso sobre la broca
MAXIMUM
BEARING
LOAD
MAXIMUM
DPBIT
kips
BALANCED
Motor PDM

Balance Empuje & Peso sobre la broca para Motor.
DPBIT =
BALANCE
500 psi
WB = 12,000 lbf
FBIT = DPBIT * A
= 500 * 24
= 12,000 lbf

Conjuntos
de Fondo.
Regular Drill
Pipe
BHA Liso
Collars
Bit
Drillpipe
BHA Multicomponente
Heavy Weight
Drillpipe
Smaller Drill
Collars
Roller Reamer
Collars
Bit
Peso sobre la broca
– fuerza axial -
afecta ROP.
Fuerza lateral
afectan cambio en
inclinación

Ejemplo de
“bit tilt”
para un
BHA
pendular
Fuerza negativa
causa tendencia de
caida de angulo.
Broca inclinada (tilt)
causa tendencia de
construcción de
angulo.
Mas WOB incrementa
el “bit tilt” y reduce la
fuerza negativa.
Fuerza lateral negativa
Angulo entre el eje del pozo
y el eje de la broca y BHA
(bit tilt angle)

Fuerza lateral en la Broca
• Todos los BHA crean una fuerza lateral
• Esta fuerza lateral puede ocasionar:
* construcción de angulo,
* mantenimiento de angulo,
* caida de angulo,
* giro a la derecha
* giro a la izquierda

Tipico BHA liso
perforando con
una inclinacion
(a).
Diametro interno de
Drill Collar
Diametro externo de los
Drill collar
El tipo y cantidad de metal en los drill collars genera el peso
de los collares y su comportamiento elastico EI

Momento de Inercia para Portamechas
 
 


A
4
i
4
e
2
y y d
d
64
dA
y
I
π
 







A
4
3
4
r
2
dr
r
2
2
1
r
r
π
π
  


A A
2
2
z rdr
2
r
dA
r
J
 
4
i
4
e
z d
d
32
J 

π
di
de

Momento de Inercia
El momento de inercia axial para un cilindro de
pared gruesa es expresado como sigue:
El Momento de inercia polar de un cilindro
 
4
i
4
e d
d
32
J 

π
(bending)
(twisting)
 
4
i
4
e d
d
64
π
I 


Ejemplo
• Calcular el Momento de Inercia Axial y
polar de
* 6-in. drill collar con 2 3/16-in. ID
(I6 and J6 respectively) and
* for an 11-in. collar with a 3-in. ID
(I11 and J11 respectively).

Solucion
 
 
 
  4
11
4
4
4
11
4
6
4
4
4
6
in
1,430
715
2
J
in
715
3.0
11.0
64
π
I
in
125.0
62.5
2
J
in
62.5
2.1875
6
64
π
I










Notar el incremento de OD de 6 a 11 incrementa el factor de 111

Modulo elastico de Young, E
F = k x Ley de Hooke
k = constante del resorte
x = extension
A
L
L
F
ΔL/L
F/A
strain
stress
E
Δ



x
k
L
L
A
E
L
L
A
E
F 
D

D


LT = Longitud
tangencial
Wb = Carga axial, WOB
Uso de estabilizador
incrementa la
longitud al punto de
tangencia
Tangencia para Conjunto Liso y pendulares

Example
Flotabilidad de Portamechas
• Determine el peso neto de 45 portamechas
de acero, de 10” x 3 1/16” * 31’ .
Densidad de lodo = 16 lb/gal
Densidad de acero = 490 lb/ft
3
Wair = /4(102
- 3.0626
2
)(31/144) * 45 * 490
= 337,852 lbs
Wnet = 337,852 (1 - 16*7.48/490) = 255,300 lbs












STEEL
MUD
AIR
B W
W 1

Ejemplo
• Determinar la fuerza negativa
en u lodo de 9 ppg, para un
BHA liso donde el peso en el
aire es de 98.6 lbm/ft. Bit
weight = 0.
• El Pozo tiene una inclinacion
de 4 grados y una longitud al
punto de tangencia (LT) de 25
ft.
LT
I

Ejemplo
LT
I
  
lbf
74.1
F
4
sin
lb/cu.ft
489
.ft
7.48gal/cu
*
lb/gal
9
1
*
25ft
lbf/ft
98.6
F
P
o
P












 5
.
0
Fuerza lateral,
FP = - 0.5 WAIR LT (1-m/s) sin I
W
FP
{ sin 4
o
= 0.0698 }

BHA Liso con y sin carga axial
Carga
Axial
Nueva Longitud
tangencial reducida
Sin
Fuerza de
Flexion
Punto de
tangencia
sin peso
sobre la
broca
Direccion de broca

Carga
axial
Nueva longitud
tangencial reducida
BHA liso con
carga axial.
Con peso sobre la broca, La fuerza lateral,
FP = - 0.5 WAIR LT (1-m/s) sin I
+ (PB - 0.5 WAIR LT (1-m/s) cos I) / LT
 = (dH - dDC)/2 FP

From Timoshenko’s method of “Three Moment Equations”
Donde PB = Carga axial sobre la broca

 
 
I
cos
L
B
W
0.5
P
P
Also,
EI
P
2
L
u
and
u
u
tanu
3
x
where
x
I
sin
B
W
24EI
L
T
C
C
B
C
0.5
C
T
3
0.25
c
c
T


















Donde PC = Carga compresiva sobre los PM
PB = Carga axial sobre la broca
(1)
(2)
(3)
(4)
Encontrar LT


Pasos para determinar LT
• 1. Asumir un valor de LT
• 2. Calcular PC de la ecuacion 4
• 3. Calcular u de la ecuacion 3
• 4. Calcular x de la ecuacion 2
• 5. Calcular LT de la ecuacion 1 y
compararla con el valor asumido LT

Fuerza Lateral Resultante y Longitud
Tangencial para varios WOB
NOTE: Fza Lateral negativa tendencia caida
Fza Lateral positiva tendencia crecer
FP
FP

Tipico BHA
con
estabilizador
simple
Tangente
Que pasa
cuando la
distancia
entre el
estabilizador y
la broca es
cambiado?
Uso de
estabilizador
incrementa LT

Fuerza lateral vs. longitud pendular del collarh; 12
I/4-in. hole, 8-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud; 10
degrees inclination.
Distancia broca - estabilizador, ft
Fuerza
lateral,lb.
60k
40k
20k
0
-200
-400
-600
-800
100
90
80
70
60
50 40 30
L1

Fuerza lateral vs. longitud pendular; 12 I/4-in. hole, 6
1/2-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud, 10 degrees
inclination.
Distancia broca - estabilizador, ft
60K
40K
20K
200
0
-200
-400
-600
-800
100
90
80
70
60
50
40 30 CONSTRUYE
CAE
With flimsier drill collars, bit weight can be high enough to overcome the pendulum effect
L1

Tipico
BHA con
dos
estabiliza
dores
Tangente
L3 es
desconocido.
Debera
estimarse
inicialmente
BHA con dos estabilizadores

Efecto de agregar un estab.,
12 I/4-in. hole, 8-in. collars,
9-lbm/gal mud, 10 degrees
inclination.
Peso sobre la broca, 1000
lb
Fuerza
lateral,
lb -400
-500
-600
-700
60’
60’+30’
60
50
40
30
20
10
El efecto de agregar un segundo estabilizador es incrementar la fza. negativa.
WHY?

Punto de tangencia entre broca y estabilizador
con respecto a la distancia del pendulo; 9 7/8-
in. hole, 6 3/4-in. collars, 8 degrees inclination,
30,000-lbf WOB.
30’
50’
70’
90’
Si estabilizador esta muy lejos de la broca, el punto de tangencia puede ocurrir entre ellos.

Pto. Tangencia entre estab. Y broca; 90-ft. conjunto para
construccion, 10 grados de inclinacion, 30,000-lbf WOB.
14 3/4” 12 1/4” 9 7/8” 8 1/2”
Broca:
Portamechas: 9 1/2” 6”
7”
8”
Con conjuntos para construir, Portamechas mas pesados proveen una mayor fza positiva
Fza
Lateral =
3,343 lbf
Fza Lateral =
814 lbf

Incrementando el WOB aumenta la fuerza lateral; 8
1/2-in. hole, 6-in. collars, 10 degrees inclination, 70
ft. tangency length.
70 ft
WOB : 20,000 30,000 40,000 lbf
Fza lateral: 855 962 1,002 lbf

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