Tuberias de Revestimiento y Produccion

Investigación del fenómeno del colapso en
tuberías de revestimiento y producción
16.06.09
David Hernández Morales
Servicios Técnicos Petroleros

Investigación del fenómeno del colapso en David Hernández M
tuberías de revestimiento y producción.
TenarisTamsa 2
Contenido
ü Introducción
ü Conceptos Generales
ü Tipos de Colapso
ü Factores Causales (casos de estudio)
ü Pruebas de Laboratorio
ü Conclusiones

Los colapsos en tuberías de revestimiento y de producción
pueden derivar en la pérdida de un pozo. Su estudio ha
sido de gran interés para la industria petrolera.
Actualmente se cuenta con tecnologías y sistemas que
permiten identificar los factores causales más atribuibles a
este fenómeno, con la finalidad de desarrollar medidas
preventivas que ahorren importantes recursos
económicos.
TenarisTamsa 3
Introducción
General

Conceptos generales
El colapso puede definirse como la:
Fuerza mecánica capaz de
deformar un tubo por el efecto
resultante de las presiones
externas.
TenarisTamsa 4
Definición

Conceptos generales
El colapso es un fenómeno
complejo y un gran número
de factores y parámetros
influyen en su efecto.
La teoría clásica de la
elasticidad nos permite
determinar los principales
esfuerzos radiales y
tangenciales que actúan
sobre la tubería.
2 2 2 2 2 2
Pr r - r + P r r -
r
i i o e o i
r -
2 2 2 2 2 2
Pr i i r o + r - P e r o r i
+
r
t r r -
r
TenarisTamsa 5
Esfuerzos
( ) ( )
2 ( 2 2 )
r r o
ri
s =
( ) ( )
2 ( 2 2 )
o i
s =
ro
ri
r
Pi Pe
sr
st

Conceptos generales
Gráficas y ecuaciones
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
TenarisTamsa 6
El API 5C3 presenta
cuatro fórmulas las
cuales permiten
predecir el valor mínimo
de resistencia al
colapso del material, de
acuerdo con el tipo de
falla que puede ser:
elástico, transición,
plástico y de cedencia.
0
Colapso plástico promedio
Inicio de los modos de
colapso elástico-plástico
Colapso elástico promedio
Colapso elástico mínimo
Relación diámetro/espesor
Presión de colapso (1,000 psi)
Colapso
plástico
mínimo
Colapsos
plástico y
elástico mínimos
Colapso de transición
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Conceptos generales
úúúú 2
êêêê
n2 2
êêêê
úúúú
êêêê
úúúú
s -
1
2 s
êêêê
úúúú
TenarisTamsa 7
Colapso Elástico
P
E
D
t
D
t
c =
- æè ç
öø ÷
æè ç
öø ÷-
é
ë ê
ù
û ú
é
ë
ù
û
1
1
1
Colapso de Transición
P
F
D
t
G c y =
æè ç
öø ÷
-
é
ë
ù
û
s
Colapso Plástico
P
A
D
t
B C c y =
æè ç
öø ÷
-
é
ë
ù
û
Colapso de Cedencia
P
D
t
D
t
c y =
æè ç
öø ÷
-
æè ç
öø ÷
é
ë
ù
û
2

Factores causales
Es común atribuir el fenómeno del colapso a una supuesta
calidad deficiente de las tuberías. Sin embargo, estudios
señalan un conjunto de factores causales, tales como:
üDesgaste de la tubería de revestimiento.
üDesgaste por pandeo helicoidal.
üIncremento de presión exterior por temperatura.
üDepresionamientos inadecuados.
üCargas geostáticas por formaciones plásticas y
actividad tectónica.
TenarisTamsa 8

Factores causales
Desgaste de la tubería de revestimiento
Este factor está asociado a la rotación
de las juntas de la sarta de perforación
y a los viajes que se efectúan.
La magnitud del desgaste en la tubería
de revestimiento esta relacionada por:
üMucho tiempo para perforar.
üAltas severidades de la pata de
perro.
üProblemas de pegadura.
TenarisTamsa 9

Factores causales
La reducción del espesor de la pared de la tubería resulta
en una reducción de las propiedades mecánicas del tubo.
Desgastes severos en tuberías de revestimiento han
causado pérdidas de tiempo, operaciones fallidas y
pérdida de pozos, en la cual existen muchos casos.
TenarisTamsa 10

Factores causales
Desgaste. Ej: Pozo Zaap 7D
Durante la perforación de la
etapa de 14 ¾” se presentó
una pegadura, trabajando
sarta con tensión, torsión y
vibración; generándose una
alta fuerza lateral sobre el
lado alto de la TR de 16”,
precisamente donde se
ubicaba una alta severidad.
Fuerza
Lateral
16” 2481 m
Fuerza de Tensión
20” 1000 m
Alta severidad
Fuerza torsional
2871 m
Pegadura
2625 m
Fuerza de
compresión
TenarisTamsa 11

Factores causales
máximo colapso 1,300 psi
resistencia nominal del tubo 1,480 psi
Resultante de la presión ejercida sobre la TR de 16” (psi)
profundidad
(m)
Anomalía
2065 y 2144 m
TR - 16”
Bache 1.00 gr/cc
Sep.145 gr/cc
2207 m
2384 m
TenarisTamsa 12
Lodo 1.25 gr/cc
cemento
1991 m
2144 m
2481 m - PD
2429 m - PV
2868 m - PD
agujero 14 3/4” 2758 m - PV
Evaluación del desgaste del orden del 4%, lo
que generó una reducción en su resistencia
al colapso de 1,480 psi a 1,300 psi
Desgaste de la TR

Factores causales
Anomalía a 921 m
carga axial (toneladas)
profundidad
(m)
TenarisTamsa 13
TR de 11 3/4”
B.L. de 9 5/8”
0 5 10 15
Tensión
Compresión
Retenedor de cemento
Molió 2.40 m en 97:30 horas con lodo de 1.80 gr/cc, posteriormente cambio a bajo balance

Factores causales
Otros casos de desgaste
son: Muspac 51, Cantarell
4D (México), CR-13
(Venezuela), entre otros. Por
lo que es conveniente tomar
en consideración el factor
desgaste en el diseño de las
tuberías de revestimiento,
cuando se tenga indicios
de esta posibilidad.
TenarisTamsa 14

Factores causales
Desgaste por pandeo helicoidal
Cuando las tuberías de revestimiento
no son cementadas hasta la superficie,
debe tomarse en cuenta la tensión
requerida para asentarla
adecuadamente en las cuñas del
cabezal. El valor de esta tensión está
relacionado con las propiedades
mecánicas de la tubería, de los cambios
en la densidad y de temperatura de la
siguiente etapa de perforación.
TenarisTamsa 15

Factores causales
En la operación de anclaje deben conocerse el valor de la
cima de cemento, determinar la tensión adicional y
elongación, en función de los factores que provocan el
pandeo helicoidal, los cuales son:
üCambio en densidad de fluido interno-externo.
üCambio de presiones en la TR interno-externo.
üCambio de temperatura.
TenarisTamsa 16

Factores causales
( ) ( )( )
n ( e e i i ) ( )( e e i i) ( e c e)
X = W L - A g - A g L + 1 - 2
v A D P - A D P - E As D t +
Fs
d d l
- - - - D - D - -
n e c i i e es i is
W A g A g v A A A
d d d d d d
TenarisTamsa 17
1
X = Altura del cemento (pies)
L = Profundidad del pozo (pies)
Wu = Peso Unitario de la tubería (lb/pie)
Ae = Área exterior de la tubería (pg2)
Ai = Área interior de la tubería (pg2)
As = Área del acero de la tubería (pg2) = Ae-Ai
dc = Gradiente del fluido por exterior de la tubería (psi/pie). (Cemento de alta densidad + cemento de baja densidad)
di = Gradiente del fluido por el interior de la tubería (psi/pie)
n = Relación de poisson = 0.3 (adimensional)
E = Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E = 30X106 psi
e = Elongación de la tubería (pg)
l = Coeficiente de expansión termica del acero 6.9X10-6 (pg/pg-°F)
DT = Varaciación de la temperatura desde la cima del cemento a la superficie (°F)
DPes = Cambio de la presión superficial en el exterior (psi)
DPis = Cambio de la presión superficial en el interior (psi)
Fs = Fuerza de tensión durante el anclaje de la tubería para evitar el pandeo (lb-f)
Dde = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por fuera de la tubería (psi/pie)
Adi = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por entro de la tubería (psi/pie)

Factores causales
Tensión del 80% del peso TR libre
Cima de
cemento
13 3/8” 3000 m
4800 m
9 5/8”
Para evitar problemas por pandeo
helicoidal, una recomendación
práctica es tensionar el 80% del
peso de la tubería que se
encuentre libre, es decir de la
cima de cemento hacía la
superficie.
TenarisTamsa 18

Factores causales
Incremento de presión externa por
temperatura
Cuando la cementación de la tubería
de revestimiento no alcanza la
superficie, el fluido de perforación
que permanece en la parte exterior,
por el paso del tiempo sufre una
degradación física de sus fases,
separando sólidos de líquidos.
30” 50 m
Vapor
Aceite
20” 1000 m
Agua
13 3/8” 3100 m
Sólidos
Cemento
9 5/8” 5300 m
7” 5500 m
5” 5700 m
TenarisTamsa 19

Factores causales
temperatura
El agua, puede ser sometida a una
temperatura que pueda alcanzar
valores por arriba de su punto de
ebullición, de tal manera que
comienza a evaporarse, lo que
puede generar un incremento en la
presión por el espacio anular, si esta
no es desfogada.
30” 50 m
Vapor
Aceite
20” 1000 m
Agua
13 3/8” 3100 m
Sólidos
Cemento
9 5/8” 5300 m
7” 5500 m
5” 5700 m
TenarisTamsa 20

Factores causales
temperatura
Cuando el pozo está fluyendo, los
hidrocarburos ascienden a la
temperatura del yacimiento, la cual
se puede presentarse una
transferencia de calor a través de la
tubería de producción hacia el fluido
empacante, el cual, en algunas
ocasiones puede alcanzar su punto
de ebullición generando vapor.
30” 50 m
Vapor
20” 1000 m
13 3/8” 3100 m
Fluido
empacante
9 5/8” 5300 m
7” 5500 m
5” 5700 m
Temperatura del yacimiento
TenarisTamsa 21

Factores causales
temperatura
Ahora bien un incremento de
presión en el espacio anular, puede
alcanzar valores elevados que
causando el colapsamiento de la
tubería.
30” 50 m
Vapor
20” 1000 m
13 3/8” 3100 m
Fluido
empacante
9 5/8” 5300 m
7” 5500 m
5” 5700 m
Temperatura del yacimiento
TenarisTamsa 22

Factores causales
Incremento de presión externa por temperatura. Ejemplo
TenarisTamsa 23

Factores causales
Depresionamientos inadecuados
Este fenómeno se presenta en las inducciones de pozo,
cuando el espacio anular se encuentra con fluido
empacante y por el interior de la tubería se maneja un gas
a presión.
El fenómeno se vuele crítico especialmente cuando no se
manifiestan los hidrocarburos o agua salada, quedando la
tubería completamente vacía y sometida a una máxima
carga por el exterior (efecto succión).
TenarisTamsa 24

Factores causales
Esto se conjuga con los depresionamientos inadecuados,
que generan los denominados “golpes de ariete”,
incrementando la fuerza exterior y por ende, el colapso.
TenarisTamsa 25

Factores causales
Un ejemplo fue en el pozo Gabanudo
1 que durante el manejo de
presiones en superficie, el espacio
anular fue abierto inadecuadamente,
causando un golpe de ariete, el cual
fue trasmitido hasta el empacador y
al último tramo de tubería de
producción, sobrepasando la
resistencia nominal de 12,080 psi,
provocando así su colapso.
30” 50 m
20” 1005 m
13 3/8” 1953 m
Golpe de
ariete
B.L. 4977 m
9 7/8” 5180 m
7” 5780 m
Intervalo
5935 -5915 m
5” 6390 m
TenarisTamsa 26

Factores causales
Un golpe de ariete se genera cuando
se abre y se cierra el estrangulador
sin tener un control. Se debe de
considerar un tiempo de 3 segundos
por cada 1000 m de profundidad
para esperar la reacción de la
presión en el manómetro.
30” 50 m
20” 1005 m
13 3/8” 1953 m
Golpe de
ariete
B.L. 4977 m
9 7/8” 5180 m
7” 5780 m
Intervalo
5935 -5915 m
5” 6390 m
TenarisTamsa 27

Factores causales
Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y
actividad tectónica
Durante la perforación se atraviesan formaciones tales
como lutitas, domos arcillosos y salinos, etc., cuyos
comportamientos químico-mecánicos son francamente
plásticos (donde el material se extruye y fluye hacia el
pozo), y ocasionan que la carga geostática se transmita
radialmente hacia el pozo, lo cual puede propiciar el
colapso de la tubería de revestimiento.
TenarisTamsa 28

Factores causales
Cargas geostáticas por flujo de
formaciones pláticas y actividad tectónica
Al estar perforando la última etapa
de perforación con barrena de 5 7/8”
y fluido de perforación de 1.75 gr/cc,
se presentó la influencia de una
carga geostática de sal en el
intervalo de 5,301-5,419 m. Este
intervalo había sido cubierto
anteriormente con una tubería de
revestimiento de 7".
30” 30 m
20” 1005 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
13 3/8” 2996 m
Sal 4302 - 4590 m
9 5/8” 5248 m
Sal 5301 - 5419 m
7” 5548 m
TenarisTamsa 29

Factores causales
Sin embargo, la sal generaba una
deformación sobre la tubería,
tratando de colapsarla.
30” 30 m
20” 1005 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
13 3/8” 2996 m
Sal 4302 - 4590 m
9 5/8” 5248 m
Sal 5301 - 5419 m
7” 5548 m
TenarisTamsa 30

Factores causales
30” 30 m
El efecto fue cuantificado en cerca
de 30,000 psi al colapso. Para evitar
esta deformación fue necesario
incrementar la densidad del fluido
hasta 2.03 gr/cc e introducir una
tubería de revestimiento de
contingencia de 5”.
20” 1005 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
13 3/8” 2996 m
Sal 4302 - 4590 m
9 5/8” 5248 m
Sal 5301 - 5419 m
7” 5548 m
5” 5694 m
Agujero 4 1/8” 5762 m
TenarisTamsa 31

Factores causales
30” 30 m
La zona de influencia de la sal ahora
quedo cubierta por dos tuberías de
revestimiento una de 7” y de 5”,
terminando finalmente el pozo con
agujero reducido de 4 1/8”.
20” 1005 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
13 3/8” 2996 m
Sal 4302 - 4590 m
9 5/8” 5248 m
Sal 5301 - 5419 m
7” 5548 m
5” 5694 m
Agujero 4 1/8” 5762 m
TenarisTamsa 32

Factores causales
30” 147.50 m
20” 551 m
13 3/8” 1788 m
2960 m
SAL
B.L. 7 - 2845 m
B.L. 5” - 3492 m
7” a 3936 m
3655 m
9 5/8”-9 7/8” 3956 m
5” 4260 m
TenarisTamsa 33

Factores causales – Mal Diseño
BL 7 5/8” – 4000 m
Resistencia de la tubería 7 5/8”
TAC-140 39 lb/pie = 15,250 psi
905 m
Intersección 5077 m. Extender el liner de 5 ½”
TenarisTamsa 34
30” 50 m
20”
13 3/8”
9 7/8” 4212 m
7 5/8” 5759 m
5 ½” 5961 m 5,000 10,000 15,000 20,000
Presión (psi)
Profundidad (m)
Carga = 15,374 psi
Diseño = 17,296 psi
(factor = 1.125)
2404 m
Anomalía
BL 5 ½” – a 5535 m
5697 m

Resistencia al colapso 9 5/8”
TRC-95 = 7,340 psi
20”
13 3/8”
9 5/8”
TenarisTamsa 35
Profundid
ad
5,000 10,000 15,000
d = 2.02 gr/cm3
13,770 psi
Resultante
Resistencia al colapso 9 5/8”
P-110 = 7,950 psi
4,801 m
5,295 m
5,874 m
Intercepción de la carga con la
capacidad mecánica de la tubería se
ubicó por cálculo a 2,800 m.
1,005 m
2,987 m
B.L.5046 m
7”
5”
2957 m
1,800 m
Nota: Resistencia del la tubería 7” TAC-140 de 35 lb/pie - 17,380 psi

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾”
TRC-95 60 lb/pie = 3,440 psi
Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” P-110
60 lb/pie = 3,610 psi
6,600 psi
Carga y Resultante
2,000 4,000 6,000
Presión (psi)
16” 530 m
13 3/8” 916 m
3275 m
TenarisTamsa 36
B.L. de 9 5/8”
d = 1.42 gr/cc
B.L. 9 5/8”
11 ¾”
3920 m
9 5/8”
3070 m
TXC 1800 m
La intercepción de la carga con la
capacidad mecánica de la tubería se
ubicó por cálculo a 1,800 m.

Pruebas de laboratorio
En el centro de Investigación de la Compañía Tenaris
Tamsa, se cuenta con dos simuladores para pruebas de
colapso en tiempo real.
TenarisTamsa 37
Descripción del equipo

La muestra es colocada dentro de la cámara. Se
incrementa la presión por el exterior con agua hasta
alcanzar el colapso.
TenarisTamsa 38
Descripción del equipo

12000
10000
8000
6000
4000
2000
16000
14000
10000
8000
6000
4000
2000
TenarisTamsa 39
1a. PRUEBA
TR 9 5/8” TAC-110, 53.5 lb/pie
Presión de colapso real: 11,779 psi
Presión de colapso de fábrica: 10,520 psi
2a. PRUEBA
TR 9 5/8” TAC-140, 53.5 lb/pie
0 20 40 60 80 100 120
Tiempo de prueba (seg)
0
P
r
e
s
i
ó
n
(psi)
0 10 20 30 40 50
0
P
r
e
s
i
ó
n
(psi)
12000

4a. PRUEBA
TR 7” TAC-140, 38 lb/pie
TenarisTamsa 40
3a. PRUEBA
TR 7” TAC 110, 35 lb/pie

5a. PRUEBA
Paquete de TR 7” TAC-110, 35 lb/pie dentro de TR 9 5/8” TAC-110, 53.5 lb/pie,
bien cementado. Se alcanzó una presión de 18,604 psi, sin colapsarse.
0 50 100 150 200 250 300
20000
18000
16000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
TenarisTamsa 41
0
Presión (psi)
350 400 450 500
14000

TenarisTamsa 42
6a. PRUEBA
TR 9 5/8” L-80, 47 lb/pie
7a. PRUEBA
TR 7” L-80, 32 lb/pie

La octava prueba consistió en acoplar el tubo de 7” dentro del
de 9 5/8” mediante calzas de madera, simulando la ausencia
de cemento entre ambas tuberías.
TenarisTamsa 43

Una vez realizado el
acoplamiento, se procedió
a instalar el paquete dentro
del tanque de la máquina
de prueba.
TenarisTamsa 44

Se ajustaron las calzas que separan ambos tubos, una
vez que el conjunto quedó instalado en el tanque de la
máquina de prueba.
TenarisTamsa 45

En el momento del colapso del tubo de 9 5/8 a los 7,511
psi, esta se impacto contra la de 7” con fuerza suficiente
para deformarla.
TenarisTamsa 46

La deformación ocasionada por el colapso en el tubo de
9 5/8”, impidió que se pudiera substraer el tubo de 7”.
TenarisTamsa 47

TenarisTamsa 48

ü El conjunto de resultados señalan que la calidad de las
tuberías no es un factor que contribuya
sistemáticamente al problema de los colapsos.
ü Como lo han señalado otros autores, este fenómeno
está más relacionado con: desgaste de tuberías,
pandeo helicoidal, incrementos de presión exterior por
temperatura, depresionamientos inadecuados, cargas
geostáticas por flujo de formaciones plásticas y
actividad tectónica.
TenarisTamsa 49
Conclusiones

ü Conviene enfatizar la importancia de seguir los
procedimientos operativos adecuados clave de
perforación a fin de minimizar los factores causales del
colapso.
ü La prueba con el arreglo de tuberías de 9 5/8" y 7"
cementadas, indica que una buena cementación de
tuberías permite incrementar su resistencia al colapso.
TenarisTamsa 50
Conclusiones

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