Tuberias de revestimiento y produccion

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

David Hernández MInvestigación del fenómeno del colapso en
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

TenarisTamsa 3
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.
Introducción
General

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

TenarisTamsa 5
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.
Conceptos generales
Esfuerzos
( ) ( )
( )222
222222
irrr
rrrPrrrP
o
ioeoii
r
−
−+−
=σ
( ) ( )
( )222
222222
io
ioeoii
t
rrr
rrrPrrrP
−
+−+
=σ
ro
ri
r
Pi Pe
σr
σt

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.
Conceptos generales
Gráficas y ecuaciones
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Colapso plástico promedio
Inicio de los modos de
colapso elástico-plástico
Colapso elástico promedio
Colapso elástico mínimo
Relación diámetro/espesor
Presióndecolapso(1,000psi)
Colapso
plástico
mínimo
Colapsos
plástico y
elástico mínimos
Colapso de transición
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

TenarisTamsa 7
Conceptos generales
Colapso Elástico
P
E
D
t
D
t
c =
− 










 −


















2
1
1
1
2 2
ν
Colapso de Transición
P
F
D
t
Gc y=






−












σ
Colapso Plástico
P
A
D
t
B Cc y=






−












−σ
Colapso de Cedencia
P
D
t
D
t
c y=





 −


















2
1
2σ

TenarisTamsa 8
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.
Factores causales

TenarisTamsa 9
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.
Factores causales
Desgaste de la tubería de revestimiento

TenarisTamsa 10
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.
Factores causales

TenarisTamsa 11
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.
Factores causales
Desgaste. Ej: Pozo Zaap 7D
16” 2481 m
20” 1000 m
Alta severidad
2871 m
Pegadura
2625 m
Fuerza de Tensión
Fuerza
Lateral
Fuerza de
compresión
Fuerza torsional

TenarisTamsa 12
Factores causales
Resultante de la presión ejercida sobre la TR de 16” (psi)
p
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
(m)
máximo colapso 1,300 psi
resistencianominaldeltubo1,480psi
Anomalía
2065 y 2144 m
Lodo 1.25 gr/cc
cemento
1991 m
2144 m
2481 m - PD
2429 m - PV
2868 m - PD
2758 m - PVagujero 14 3/4”
TR - 16”
Bache 1.00 gr/cc
2207 m
Sep.145 gr/cc
2384 m
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

TenarisTamsa 13
Factores causales
carga axial (toneladas)
p
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
(m)
TR de 11 3/4”
B.L. de 9 5/8”
5 10 150
Anomalía a 921 m
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

TenarisTamsa 14
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.
Factores causales

TenarisTamsa 15
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.
Factores causales
Desgaste por pandeo helicoidal

TenarisTamsa 16
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.
Factores causales

TenarisTamsa 17
Factores causales
( ) ( )( )
( ) ( )( ) ( )eceiieeiieen
isieseiicen
AAAvgAgAW
FstAsEPAPAvLgAgALW
X
δδδδδδ
λδδ
−−∆−∆−−−−
+∆−∆−∆−+−−
=
1
21
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
δc = Gradiente del fluido por exterior de la tubería (psi/pie). (Cemento de alta densidad + cemento de baja densidad)
δi = Gradiente del fluido por el interior de la tubería (psi/pie)
ν = Relación de poisson = 0.3 (adimensional)
E = Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E = 30X106 psi
e = Elongación de la tubería (pg)
λ = Coeficiente de expansión termica del acero 6.9X10-6 (pg/pg-°F)
∆T = Varaciación de la temperatura desde la cima del cemento a la superficie (°F)
∆Pes = Cambio de la presión superficial en el exterior (psi)
∆Pis = 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)
∆δe = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por fuera de la tubería (psi/pie)
Αδi = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por entro de la tubería (psi/pie)

TenarisTamsa 18
Factores causales
13 3/8” 3000 m
Tensión del 80% del peso TR libre
4800 m
Cima de
cemento
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 19
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.
Incremento de presión externa por
temperatura
20” 1000 m
13 3/8” 3100 m
30” 50 m
9 5/8” 5300 m
5” 5700 m
7” 5500 m
Vapor
Aceite
Agua
Sólidos
Cemento
Factores causales

TenarisTamsa 20
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.
temperatura
20” 1000 m
13 3/8” 3100 m
30” 50 m
9 5/8” 5300 m
5” 5700 m
7” 5500 m
Vapor
Aceite
Agua
Sólidos
Cemento
Factores causales

TenarisTamsa 21
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.
temperatura
20” 1000 m
13 3/8” 3100 m
30” 50 m
9 5/8” 5300 m
5” 5700 m
7” 5500 m
Fluido
empacante
Temperatura del yacimiento
Vapor
Factores causales

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

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

TenarisTamsa 24
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).
Factores causales
Depresionamientos inadecuados

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

TenarisTamsa 26
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.
Factores causales
20” 1005 m
13 3/8” 1953 m
30” 50 m
9 7/8” 5180 m
5” 6390 m
7” 5780 m
Golpe de
ariete
B.L. 4977 m
Intervalo
5935 -5915 m

TenarisTamsa 27
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.
Factores causales
20” 1005 m
13 3/8” 1953 m
30” 50 m
9 7/8” 5180 m
5” 6390 m
7” 5780 m
Golpe de
ariete
B.L. 4977 m
Intervalo
5935 -5915 m

TenarisTamsa 28
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.
Factores causales
Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y
actividad tectónica

TenarisTamsa 29
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".
Factores causales
Cargas geostáticas por flujo de
formaciones pláticas y actividad tectónica
20” 1005 m
13 3/8” 2996 m
30” 30 m
9 5/8” 5248 m
7” 5548 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
Sal 4302 - 4590 m
Sal 5301 - 5419 m

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

TenarisTamsa 31
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”.
Factores causales
20” 1005 m
13 3/8” 2996 m
30” 30 m
9 5/8” 5248 m
5” 5694 m
Agujero 4 1/8” 5762 m
7” 5548 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
Sal 4302 - 4590 m
Sal 5301 - 5419 m

TenarisTamsa 32
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”.
Factores causales
20” 1005 m
13 3/8” 2996 m
30” 30 m
9 5/8” 5248 m
5” 5694 m
Agujero 4 1/8” 5762 m
7” 5548 m
B.L. 9 5/8” 2832 m
Sal 4302 - 4590 m
Sal 5301 - 5419 m

TenarisTamsa 33
Factores causales
20” 551 m
13 3/8” 1788 m
30” 147.50 m
SAL
9 5/8”-9 7/8” 3956 m
B.L. 7 - 2845 m
7” a 3936 m
2960 m
3655 m
4260 m5”
B.L. 5” - 3492 m

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

TenarisTamsa 35
Profundid
ad
5,000 10,000 15,000
δ = 2.02 gr/cm3
13,770 psi
Resultante
Resistencia al colapso 9 5/8”
P-110 = 7,950 psi
Resistencia al colapso 9 5/8”
TRC-95 = 7,340 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
20”
13 3/8”
9 5/8”
7”
5”
2957 m
1,800 m
Nota: Resistencia del la tubería 7” TAC-140 de 35 lb/pie - 17,380 psi

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

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

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

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
2000
4000
6000
8000
10000
12000
P
r
e
s
i
ó
n
(psi)
0 10 20 30 40 50
0
2000
4000
6000
8000
10000
16000
P
r
e
s
i
ó
n
(psi)
12000
14000

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

TenarisTamsa 41
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
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Presión (psi)
350 400 450 500
14000
16000
18000
20000

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

TenarisTamsa 43
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 44
Una vez realizado el
acoplamiento, se procedió
a instalar el paquete dentro
del tanque de la máquina
de prueba.

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

TenarisTamsa 46
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 47
La deformación ocasionada por el colapso en el tubo de
9 5/8”, impidió que se pudiera substraer el tubo de 7”.

TenarisTamsa 48

TenarisTamsa 49
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.
Conclusiones

TenarisTamsa 50
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.
Conclusiones

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