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![Tuberías Tuberías
CONTENIDO:
RP 5C6 efectos de la corrosión sobre una diversidad de mate-
Recommended Practice for Welding Connections to riales, la National Association of Corrosion
CONTENIDO DE C 2O EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) Pipe, Engeneering (NACE). Esta institución ha generado una
CONTENIDO DE H 2 S EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) FIRST EDITION, DECEMBER 1996 serie de recomendaciones y boletines de pruebas de
PRESENCIA DE CLORUROS O CONTENIDO DE NaCl EN EL AGUA
EN PORCIENTO EN PESO
materiales que se aplican sobre los elementos
PRESION TOTAL DEL SISTEMA (PT) (PSI) RP 5C7 tubulares. Generalmente esta institución emite cada
TEMPERATURA DEL AGUA EN EL POZO (°C) Recommended Practice for Coiled Tubing Operations año una revisión actualizada de sus referencias. La si-
in Oil and Gas Well Services , guiente lista de referencias presenta los boletines y
FIRST EDITION, DECEMBER 1996 recomendaciones más aplicables a los elementos
tubulares utilizados en la ingeniería de perforación:
CALCULAR:
RP 5L1
Recommended Practice for Railroad Transportation MR0175-99 Sulfide Stress Cracking Resistant
PRESION PARCIAL DEL C2O : of Line Pipe, Metallic Materials for Oilfield Equipment-Item No.
FIFTH EDITION, DECEMBER 1996 21302
PCO2 = PT [ CONTENIDO DE C 2 O (%MOL) / 100 ]
PRESION PARCIAL DEL H 2 S:
RP 5L2 MR0176-94 Metallic Materials for Sucker-Rod
Recommended Practice for Internal Coating of Line Pumps for Corrosive Oilfield Environments-Item
PH2S = PT [ CONTENIDO DE H 2S (%MOL) / 100 ] Pipe for Non-Corrosive Gas Transmission Service No. 21303
THIRD EDITION, MAY 1987
RP0169-96 Control of External Corrosion on
RP 5L3 Underground or submerged Metallic Piping System-
Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Item No. 21001.
Tear Tests on Line Pipe
ACEROS AL Cr
12%Cr Si PCO2 > 30 PSI THIRD EDITION, JANUARY 1996 RP0191-96 The Application of Internal Plastic
Coatings for Oilfield Tubular Goods and Accessories-
RP 5L7 Item No. 21048
Recommended Practice Unprimed Internal Fusion
No Bonded Epoxy Coating of Line Pipe, RP0192-98 Monitoring Corrosion in Oil and Gas
SECOND EDITION, JUNE 1988, Production with Iron Counts-Item No. 21053
AMBIENTE
CO2+H2S+CL SE PUEDE USAR
RP 5L8 TM0169-95 Laboratory Corrosion Testing of Metals-
ALEACIONES Cr - PH2S < 0.05 PSI Si CUALQUIER GRADO DE
Ni ACERO HASTA TAC -140 Recommended Practice Field Inspection of New Item No. 21200
Line Pipe,
SECOND EDITION, DECEMBER 1996 TM0171-95 Autoclave Corrosion Testing of Metals
No in High-Temperature Water-Item No. 21203
RP 5LW
Recommended Practice Transportation of Line Pipe TM0177-96 Laboratory Testing of Metals for
ACEROS API N-80, P-110
TEMP> 79°C on Barges and Marine Vessels , Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress
Si ACEROS TAMSA TAC -
95, TAC
-110 SECOND EDITION, DECEMBER 1996 Corrosion Cracking in H2S Environments-Item No.
21212
No Std 5T1 , Imperfection Terminology , 10th Edition,
November 1996 TM0183-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings
for Corrosion Control of Tubular Goods in an
ACEROS API N-80, C - 95 Provides definitions in English, French, German, Aqueous Flowing Environment-Item No. 21213
TEMP > 65°C Si ACEROS TAMSA TAC-
80 Italian, Japanese, and Spanish for a number of
defects which commonly occur in steel pipe. TM0185-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings
for Corrosion Control of Tubular Goods by Autocla-
No
NACE ve Testing-Item No. 21217
ACEROS API: J-55, K-55, L-80 TIPO -1, C-95, T-95 Del mismo modo, existe otra institución que se ha TM0186-94 Holiday Detection of Internal Tubular
ACEROS TAMSA TRC-80, TRC-85, TRC-90, TRC-95
enfocado desde 1943 al estudio e investigación de los Coatings of 250 to 760 micrometers (10 to 30 mils)
Figura 71 Diagrama de flujo de la recomendación emitida por la norma NACE MR-0175-99
78 27](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-27-320.jpg)
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Tensión (1.000LBX)
Deflexión radial
Reducción en diámetro Presión (PSI)
Figura 27 Modelo de Akgun Figura 28 Modelo de Akgun, con presión diferencial
Aplicando el modelo de figura 27, se obtiene que
donde: para la carga axial y severidad presente, la tubería
Figura 58 Capacidad de resistencia y carga de una tubería se reducirá en su diámetro 0.1 pg, generando con
v cambio radial en el eje principal de la sec- ello una ovalidad adicional.
ción transversal [pg]
bería que se introduce al pozo, desde su corrida, va o un estado inicial de esfuerzos, a partir de un "tiem- θ es el ángulo donde ϖ es determinado [rad] Por otro lado, aplicando el modelo de Akgun, para la
sufriendo alteraciones en las condiciones de carga po cero". Es decir, representar la magnitud del esta- ϖo cambio radial en el eje principal de la sec- presión diferencial actuando en el tubo, se tiene una
de presión y de temperatura. Por esto es de gran do de esfuerzos axiales generados por las condi- ción transversal cuando θ = 0 deflexión radial total de 0.07 .Se debe tener cuidado
interés evaluar las transformaciones en los esfuer- ciones iniciales de presión y de temperatura bajo o sobre el significado de este valor final, ya que repre-
µ relación de Poisson (0.3 de acero)
zos, particularmente en las cargas axiales. Los cam- durante la ocurrencia de un evento en particular. senta únicamente la deflexión debida a la diferencial
E modulo de Young’s (30*106psi) de presión positiva. La reducción del diámetro del tubo
bios que se presentan en los esfuerzos axiales tiene Como condición de carga inicial de una tubería de
lugar por la característica de ductilidad con las que revestimiento se ha establecido el estado de esfuer- P diferencial de presión [psi] original (circular) se obtiene adicionando la deflexión
están fabricadas las tuberías. Es decir, tienen la ca- zos axiales posterior a la cementación de la tubería. ro radio principal del tubo [pg] por carga axial a la deflexión por carga de presión,
pacidad de deformación elástica hasta los límites En el caso de tuberías de producción, el estado de t espesor de pred [pg] esto es:
de cedencia del acero. esfuerzo inicial se establece a partir del momento 0.07+0.1=0.17 pg
de colgarla en el cabezal. En cambio en el fondo del Aplicando el modelo anterior para diferentes presio-
Durante la evaluación de los cambios axiales que pozo, el estado de carga axial inicial para una sarta nes diferenciales y diferentes deflexiones radiales ini- Por lo tanto, la ovalidad generada en el cuerpo del
experimenta una tubería, se han detectado cuatro de perforación es la prevaleciente en condiciones ciales, se genera una gráfica como la mostrada en la tubo en condiciones reales, considerando como diá-
fenómenos o efectos axiales muy particulares que estáticas. figura 28. metro exterior máximo al diámetro nominal es:
dan lugar a una alteración o modificación en el es-
tado del esfuerzo axial. Estos son: Una vez establecida la condición inicial, para cada Ejemplo: S = ( 7 – ( 7-0.17) )/7=0.024=2.4%
evento de carga (que generan un cambio de pre-
· Pandeo sión y temperatura) se debe establecer el estado de Una tubería de 7 pg de diámetro exterior con espe- Este resultado tiene su impacto en la evaluación de
· Balonamiento esfuerzos axiales, modificado por la acción de los sor de pared de 0.317 pg (23 lb/pie) y grado N-80 la resistencia al colapso de la tubería. En el caso
· Pistoneo fenómenos aciales presentes. Cada nuevo estado trabajando a una presión diferencial de 2,000 psi y ideal esta tubería, de acuerdo con el API, tiene una
· Efecto térmico. de esfuerzos axiales es analizado para aplicarlo con sujeta a una carga axial de 100000 lb, en un pozo resistencia al colapso de 3830 psi. Al considerar la
fines de seleccionar el tubo o tuberías más propi- con una severidad de 30º /100 pies, genera la si- ovalidad del 2.4% estimada por efecto de la carga,
Cada uno de ellos refleja una acción de carga axial cias para soportar estos cambios axiales. guiente deflexión u ovalidad adicional: la resistencia al colapso de esta tubería es de 3480
adicional (tensional o compresional) que hay que psi (aplicando el. modelo de ISSA para estimar la
considerar en el diseño de las tuberías. Para lograr A continuación se describen los principales efec-
lo anterior, se debe establecer una condición inicial tos axiales:
66 39](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-39-320.jpg)
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t = espesor nominal, [pg] terferencia de contacto en los hilos de la rosca, o Yc = resistencia mínima a la ce-
Up = ultima resistencia del tubo, [psi] bien, por la falta de presión en los sellos metal-me- dencia, [psi]
tal en las conexiones premium. La ciencia encarga- W = diámetro exterior nominal
Resistencia a la torsión da de estudiar los fenómenos que ocurren cuando del cople, [pg]
existen dos superficies en contacto se llama d1 = diámetro de la raíz de la
La resistencia de una junta a la carga impuesta por tribología. Mediante esta ciencia, se ha establecido rosca, [pg]
torsión generada por el apriete y la manifestada du- la forma de medir la fugacidad en dos superficies
rante las operaciones en el fondo del pozo, es el en contacto. Se dice que en términos estrictos no Para roscas redondas de tuberías
límite permisible aceptable de torque que se le pro- hay en una conexión con 100% de hermeticidad, de revestimiento (TR) y produc-
porciona a una junta para evitar la falla de la misma. dado que se ha comprobado la existencia de flujos ción
También, se reconoce como el límite de torque para a nivel molecular. Es por ello que una buena medida
evitar deterioro en el desempeño mecánico de la para identificar la hermeticidad de una conexión deba d = E - (L + A) T + H - 2S
1 1 1 rn
junta. El API ha reconocido como válida la ecuación acudirse a un indicador del flujo. Esto se logra con la
de Farr para determinar la resistencia a la torsión de prueba de flujo para hacer pasar un gas inerte (helio) donde:
una conexión: entre la conexión a un tiempo determinado. Sin em-
bargo, los fabricantes de conexiones malamente pu- E1 = diámetro de paso, [pg]
Ty = S A[(p/2p) + (R f / cos q) + R ] / 12 blican esta característica como una medida de pre- L1 = Longitud medida a partir del
yc t sf sión de los sellos metal-metal. Es decir, se recomien- extremo del cople [pg]
Resistencia a la compresión dan las conexiones con sello metal-metal aludiendo A = Ancho de la separación en-
que soportaran presiones mayores a las presiones lí- Figura 51 Fractura de caja de tuberías de perforación tre el extremo y el primer hilo[pg]
La resistencia que opone la conexión a ser compri- mites de colapsamiento o estallamiento. T = conicidad, [pg/pg]
mida por el efecto de apriete o interferencia en la H = altura de la rosca, [pg]
rosca y las cargas combinadas de esfuerzos axiales La única forma que se tiene para estimar la fuga en = 0.86600 para 10TPI
y tangenciales es una medida de las áreas de con- una conexión es la ecuación API para rosa buttres y = 0.10825 para 8TPI
tacto de la conexión para absorber los esfuerzos rosca redonda, tal y como se preesentaron anterior- Srn = 0.014 pg para 10TPI
axiales compresivos. Generalmente, esta caracte- mente. Para conexiones premium, cada fabricante = 0.017 pg para 8TPI
rística se mejora con la incorporación de hombros establece sus límites de resistencia.
de paro, cuya función principal, es absorber el Para roscas buttress en tubería de revestimiento
sobretorque. Sin embargo, la zona de contacto o Diagrama de capacidad de juntas
superficie de contacto en la conexión sirve para ab- E1 = diámetro de paso, [pg]
sorber carga axial. El diseño de la rosca es el factor La forma irregular geométrica de una conexión hace L1 = longitud de la rosca perfecta, [pg]
principal para tener más resistencia a la compre- difícil determinar la capacidad de resistencia de una Resistencia a la fuga ( evaluada en el plano E1 o
sión en una junta. Los denominados flancos de car- junta, entendiéndose esto como la condición pre- E7.)
ga con ángulo negativo permiten absorber mayor sente en una conexión para soportar cualquier car-
carga compresiva. Las conexiones con rosca de tipo ga que comprometa el desempeño mecánico de la
gancho (o enganchadas) existen actualmente en mu- misma. Es decir, los límites de resistencia que opo-
chas conexiones premium. ne la junta para evitar la falla o fallas. Se dice que en
una conexión las fallas pueden tener un comporta-
Dada la dificultad de contar con un modelo analíti- miento de sinergia, ya que al presentarse una falla,
co que permita determinar la resistencia a la com- suele generarse otra adicional, que provoca la falla
presión de una junta, los fabricantes de juntas pu- catastrófica de la misma.
blican este dato como una medida en porcentaje de 2 2 2
la resistencia a la tensión, en virtud de realizar esti- Un intento por cuantificar los límites de operación Figura 52 Vista frontal de caja fracturada P = ETNp (W - E ) / 2 E W
s s
maciones estadísticas a un gran número de prue- de una junta ha sido presentado recientemente. El
bas en las conexiones. resultado del estudio es similar al entendimiento de donde:
la capacidad de resistencia de una tubería (envol-
Resistencia a la fuga vente o criterios de falla), pero para una junta, dada P = Presión límite para la fuga, [psi]
La capacidad de evitar el flujo de fluidos del exte-
la variación en su diámetro y espesor, se considera
la aplicación del modelo triaxial en cada una de las
P = Yc
[ W - d1
W ] E = 30x106 módulo de elasticidad
T = conicidad, [pg/pg]
rior al interior o viceversa en una conexión, se de- partes críticas de la conexión, resultando en una donde: = 0.0625 rosca redonda para TR
nomina resistencia a la fuga. La fuga de un fluido en envolvente semi-elíptica que permitirá cuantificar los P = presión límite para la fuga, [psi] = 0.0625 para rosca buttress TR 13 3/8
una conexión se presenta por efecto de la poca in- límites de trabajo de una junta. La figura 53 muestra y menores.
54 51](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-51-320.jpg)
![Tuberías Tuberías
= 0.833 para rosca buttress TR 16 W = diámetro exterior del cople, [pg] q = ½ de la máxima interferencia en la rosca,
y mayores d1 = diámetro de la raíz del cople redondo, al ex- [pg]
N = número de vueltas de apriete tremo del tubo, [pg] =(H-I)/2
= A para roscas redondas TR (Std 5B) Uc = resistencia ultima del cople, [psi] H = diámetro de la raíz máximo en la ultima Resistencia a la flexión
= A + ½ para roscas buttress TR 13 3/8 rosca perfecta del piñon, [pg] para: Pb/Ajp > Yp
y menores Resistencia a la fractura para roscas buttress en d = conicidad superior entre el plano H y J,
= A + 1 para rosca buttress TR 16 TR [pg]
y mayores Pj = 0.95ApUp 1.008-0.0396 (1.083-Yp/Up) D = 0.035 para 6 hilos por pulgada
p = paso de la rosca, [pg] = 0.032 para 5 hilos por pulgada
= 0.125 rosca redonda para TR Resistencia del cople f = 1/2 de la interferencia con el sellado máxi- para: Pb/Ajp < Yp
= 0.200 para rosca buttress TR mo, [pg]
d = diámetro interior, [pg] = (A-O)/2
W = diámetro exterior del cople, [pg] donde: Pj = 0.95 AcUc A = diámetro máximo en el piñon al punto
Es = diámetro de la inclinación al plano tangente del sello, [pg]
de sello, [pg] Pj = resistencia mínima de la conexión, [lb] O = diámetro mínimo en la caja al punto tan- Ty = resistencia a la torsión (psi)
y
= E1 para roscas redondas, [pg] Ac = área de la sección transversal del cople, [psi] gente del sello, [pg] A = Area del piñón o de la caja (el más peque-
= E7 para rosca buttress de TR, [pg] = 0.7854 (D2 -d2) ño) o área crítica (pg )
Resistencia a la tensión en la conexión de la tube- Rs = (D + Qc) / 4
Resistencia de las roscas redondas: Uc = resistencia ultima del cople, [psi] ría de producción Syc = Cedencia de la conexión (psi)
2
p = Longitud de rosca (pg)
Resistencia a la Fractura: Resistencia de la rosca extremeline en TR para tuberías no recalcadas: Rt = Radio promedio de la rosca (pg)
f = Factor de fricción (adimensional)
P = 0.95 A U (recomendado por API f = 0.08)
j jp p
donde: Pj = AcrU p Pj = Yp * 0.7854 ((D4 -2hs)2 -d2) q = 1/2 ángulo de inclinación de la rosca (gra-
Resistencia al jalón dos)
Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb] para tuberías recalcadas: C = Diámetro de separación entre hilos de la
Acr = área de la sección critica de la caja, piñon o rosca (pg)
tubo, [pg] Pj = Y p * 0.7854 (D2 - d2) Qc = Diámetro de la caja (externo) (pg)
D = Diámetro exterior de la conexión (pg)
donde: = 0.7854(Dp2 -d2) piñón Lpc = Longitud del piñon (pg)
= 0.7854(D2 -d2) tubo donde: tc =Conicidad (pg / pie)
Pj = resistencia de la conexión mínima, [lb] = 0.7854(M2 -Db2) caja Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb]
Ajp = área de la sección transversal de la pared del Nomeclatura:
Yp = mínima cedencia,[psi]
tubo debajo de la ultima cuerda perfecta, [pg2] Up = resistencia ultima específica, [psi]
M = diámetro nominal OD, [pg] D = diámetro exterior tubulado, [pg] AH = área correspondiente al diámetro interior,
para rosca redonda de 8 hilos. db = diámetro interior de la sección critica de la D4 = diámetro principal tubulado, [pg] [pg] 2
D = diámetro nominal exterior del tubo, [pg] caja, [pg] hs = altura de la rosca, [pg] Ajp = área de la sección transversal de la tubería
d = diámetro interior del tubo, [pg] bajo la ultima rosca perfecta, [pg] 2
= 0.05560 pg para 10 hilos por pulgada
L = longitud de la rosca ocupado, [pg] B = flexión en grados por cada 100pies
=L4-M para apriete nominal, [pg] Std 5B Dp = sección critica del piñón OD [pg] = 0.07125 pg para 8 hilos por pulgada D = diámetro exterior del tubo, [pg]
Yp = resistencia a la cedencia mínima d = diámetro interior tubulado, [pg] K = relación el esfuerzo de presión interna entre
del tubo, [psi] la cedencia
Up = resistencia mínima final del tubo, [psi] dj = diámetro interior nominal de la rosca, [pg] Resistencia de la conexión de rosca redonda para P = presión interna,[psi]
D = OD nominal de la TR, [pg] TR combinadas con cargas de flexión y presión Yp = resistencia mínima a la cedencia del tubo,
Resistencia a la fractura del cople d = ID nominal de la TR, [pg] interna. [psi]
h = mínima altura del hilo de la rosca L = longitud de la rosca, [pg]
Pj = 0.95 Ajc Uc en la caja, [pg] Resistencia a la fractura: Pb = falla a la carga total de tensión con flexión
= 0.060 para 6 hilos por pulgada Pu = 0.96AjpUp B, [lb]
donde: = 0.080 para 5 hilos por pulgada Pj = carga de tensión total al sobresalto o fractu-
Ajc = área de la sección transversal del cople, [pg] D = cambio de conicidad Resistencia al sobresalto de la rosca: ra reducida, [lb]
2
Ajc = 0.7854 (W - d ) 2 = 0.253 para 6 hilos por pulgada Pu = carga de tensión total a la fractura, [lb]
1
= 0.228 para 5 hilos por pulgada R = radio de la curvatura, [pies]
52 53](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-52-320.jpg)
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= 0.833 para rosca buttress TR 16 W = diámetro exterior del cople, [pg] q = ½ de la máxima interferencia en la rosca,
y mayores d1 = diámetro de la raíz del cople redondo, al ex- [pg]
N = número de vueltas de apriete tremo del tubo, [pg] =(H-I)/2
= A para roscas redondas TR (Std 5B) Uc = resistencia ultima del cople, [psi] H = diámetro de la raíz máximo en la ultima Resistencia a la flexión
= A + ½ para roscas buttress TR 13 3/8 rosca perfecta del piñon, [pg] para: Pb/Ajp > Yp
y menores Resistencia a la fractura para roscas buttress en d = conicidad superior entre el plano H y J,
= A + 1 para rosca buttress TR 16 TR [pg]
y mayores Pj = 0.95ApUp 1.008-0.0396 (1.083-Yp/Up) D = 0.035 para 6 hilos por pulgada
p = paso de la rosca, [pg] = 0.032 para 5 hilos por pulgada
= 0.125 rosca redonda para TR Resistencia del cople f = 1/2 de la interferencia con el sellado máxi- para: Pb/Ajp < Yp
= 0.200 para rosca buttress TR mo, [pg]
d = diámetro interior, [pg] = (A-O)/2
W = diámetro exterior del cople, [pg] donde: Pj = 0.95 AcUc A = diámetro máximo en el piñon al punto
Es = diámetro de la inclinación al plano tangente del sello, [pg]
de sello, [pg] Pj = resistencia mínima de la conexión, [lb] O = diámetro mínimo en la caja al punto tan- Ty = resistencia a la torsión (psi)
y
= E1 para roscas redondas, [pg] Ac = área de la sección transversal del cople, [psi] gente del sello, [pg] A = Area del piñón o de la caja (el más peque-
= E7 para rosca buttress de TR, [pg] = 0.7854 (D2 -d2) ño) o área crítica (pg )
Resistencia a la tensión en la conexión de la tube- Rs = (D + Qc) / 4
Resistencia de las roscas redondas: Uc = resistencia ultima del cople, [psi] ría de producción Syc = Cedencia de la conexión (psi)
2
p = Longitud de rosca (pg)
Resistencia a la Fractura: Resistencia de la rosca extremeline en TR para tuberías no recalcadas: Rt = Radio promedio de la rosca (pg)
f = Factor de fricción (adimensional)
P = 0.95 A U (recomendado por API f = 0.08)
j jp p
donde: Pj = AcrU p Pj = Yp * 0.7854 ((D4 -2hs)2 -d2) q = 1/2 ángulo de inclinación de la rosca (gra-
Resistencia al jalón dos)
Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb] para tuberías recalcadas: C = Diámetro de separación entre hilos de la
Acr = área de la sección critica de la caja, piñon o rosca (pg)
tubo, [pg] Pj = Y p * 0.7854 (D2 - d2) Qc = Diámetro de la caja (externo) (pg)
D = Diámetro exterior de la conexión (pg)
donde: = 0.7854(Dp2 -d2) piñón Lpc = Longitud del piñon (pg)
= 0.7854(D2 -d2) tubo donde: tc =Conicidad (pg / pie)
Pj = resistencia de la conexión mínima, [lb] = 0.7854(M2 -Db2) caja Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb]
Ajp = área de la sección transversal de la pared del Nomeclatura:
Yp = mínima cedencia,[psi]
tubo debajo de la ultima cuerda perfecta, [pg2] Up = resistencia ultima específica, [psi]
M = diámetro nominal OD, [pg] D = diámetro exterior tubulado, [pg] AH = área correspondiente al diámetro interior,
para rosca redonda de 8 hilos. db = diámetro interior de la sección critica de la D4 = diámetro principal tubulado, [pg] [pg] 2
D = diámetro nominal exterior del tubo, [pg] caja, [pg] hs = altura de la rosca, [pg] Ajp = área de la sección transversal de la tubería
d = diámetro interior del tubo, [pg] bajo la ultima rosca perfecta, [pg] 2
= 0.05560 pg para 10 hilos por pulgada
L = longitud de la rosca ocupado, [pg] B = flexión en grados por cada 100pies
=L4-M para apriete nominal, [pg] Std 5B Dp = sección critica del piñón OD [pg] = 0.07125 pg para 8 hilos por pulgada D = diámetro exterior del tubo, [pg]
Yp = resistencia a la cedencia mínima d = diámetro interior tubulado, [pg] K = relación el esfuerzo de presión interna entre
del tubo, [psi] la cedencia
Up = resistencia mínima final del tubo, [psi] dj = diámetro interior nominal de la rosca, [pg] Resistencia de la conexión de rosca redonda para P = presión interna,[psi]
D = OD nominal de la TR, [pg] TR combinadas con cargas de flexión y presión Yp = resistencia mínima a la cedencia del tubo,
Resistencia a la fractura del cople d = ID nominal de la TR, [pg] interna. [psi]
h = mínima altura del hilo de la rosca L = longitud de la rosca, [pg]
Pj = 0.95 Ajc Uc en la caja, [pg] Resistencia a la fractura: Pb = falla a la carga total de tensión con flexión
= 0.060 para 6 hilos por pulgada Pu = 0.96AjpUp B, [lb]
donde: = 0.080 para 5 hilos por pulgada Pj = carga de tensión total al sobresalto o fractu-
Ajc = área de la sección transversal del cople, [pg] D = cambio de conicidad Resistencia al sobresalto de la rosca: ra reducida, [lb]
2
Ajc = 0.7854 (W - d ) 2 = 0.253 para 6 hilos por pulgada Pu = carga de tensión total a la fractura, [lb]
1
= 0.228 para 5 hilos por pulgada R = radio de la curvatura, [pies]
52 53](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-53-320.jpg)
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t = espesor nominal, [pg] terferencia de contacto en los hilos de la rosca, o Yc = resistencia mínima a la ce-
Up = ultima resistencia del tubo, [psi] bien, por la falta de presión en los sellos metal-me- dencia, [psi]
tal en las conexiones premium. La ciencia encarga- W = diámetro exterior nominal
Resistencia a la torsión da de estudiar los fenómenos que ocurren cuando del cople, [pg]
existen dos superficies en contacto se llama d1 = diámetro de la raíz de la
La resistencia de una junta a la carga impuesta por tribología. Mediante esta ciencia, se ha establecido rosca, [pg]
torsión generada por el apriete y la manifestada du- la forma de medir la fugacidad en dos superficies
rante las operaciones en el fondo del pozo, es el en contacto. Se dice que en términos estrictos no Para roscas redondas de tuberías
límite permisible aceptable de torque que se le pro- hay en una conexión con 100% de hermeticidad, de revestimiento (TR) y produc-
porciona a una junta para evitar la falla de la misma. dado que se ha comprobado la existencia de flujos ción
También, se reconoce como el límite de torque para a nivel molecular. Es por ello que una buena medida
evitar deterioro en el desempeño mecánico de la para identificar la hermeticidad de una conexión deba d = E - (L + A) T + H - 2S
1 1 1 rn
junta. El API ha reconocido como válida la ecuación acudirse a un indicador del flujo. Esto se logra con la
de Farr para determinar la resistencia a la torsión de prueba de flujo para hacer pasar un gas inerte (helio) donde:
una conexión: entre la conexión a un tiempo determinado. Sin em-
bargo, los fabricantes de conexiones malamente pu- E1 = diámetro de paso, [pg]
Ty = S A[(p/2p) + (R f / cos q) + R ] / 12 blican esta característica como una medida de pre- L1 = Longitud medida a partir del
yc t sf sión de los sellos metal-metal. Es decir, se recomien- extremo del cople [pg]
Resistencia a la compresión dan las conexiones con sello metal-metal aludiendo A = Ancho de la separación en-
que soportaran presiones mayores a las presiones lí- Figura 51 Fractura de caja de tuberías de perforación tre el extremo y el primer hilo[pg]
La resistencia que opone la conexión a ser compri- mites de colapsamiento o estallamiento. T = conicidad, [pg/pg]
mida por el efecto de apriete o interferencia en la H = altura de la rosca, [pg]
rosca y las cargas combinadas de esfuerzos axiales La única forma que se tiene para estimar la fuga en = 0.86600 para 10TPI
y tangenciales es una medida de las áreas de con- una conexión es la ecuación API para rosa buttres y = 0.10825 para 8TPI
tacto de la conexión para absorber los esfuerzos rosca redonda, tal y como se preesentaron anterior- Srn = 0.014 pg para 10TPI
axiales compresivos. Generalmente, esta caracte- mente. Para conexiones premium, cada fabricante = 0.017 pg para 8TPI
rística se mejora con la incorporación de hombros establece sus límites de resistencia.
de paro, cuya función principal, es absorber el Para roscas buttress en tubería de revestimiento
sobretorque. Sin embargo, la zona de contacto o Diagrama de capacidad de juntas
superficie de contacto en la conexión sirve para ab- E1 = diámetro de paso, [pg]
sorber carga axial. El diseño de la rosca es el factor La forma irregular geométrica de una conexión hace L1 = longitud de la rosca perfecta, [pg]
principal para tener más resistencia a la compre- difícil determinar la capacidad de resistencia de una Resistencia a la fuga ( evaluada en el plano E1 o
sión en una junta. Los denominados flancos de car- junta, entendiéndose esto como la condición pre- E7.)
ga con ángulo negativo permiten absorber mayor sente en una conexión para soportar cualquier car-
carga compresiva. Las conexiones con rosca de tipo ga que comprometa el desempeño mecánico de la
gancho (o enganchadas) existen actualmente en mu- misma. Es decir, los límites de resistencia que opo-
chas conexiones premium. ne la junta para evitar la falla o fallas. Se dice que en
una conexión las fallas pueden tener un comporta-
Dada la dificultad de contar con un modelo analíti- miento de sinergia, ya que al presentarse una falla,
co que permita determinar la resistencia a la com- suele generarse otra adicional, que provoca la falla
presión de una junta, los fabricantes de juntas pu- catastrófica de la misma.
blican este dato como una medida en porcentaje de 2 2 2
la resistencia a la tensión, en virtud de realizar esti- Un intento por cuantificar los límites de operación Figura 52 Vista frontal de caja fracturada P = ETNp (W - E ) / 2 E W
s s
maciones estadísticas a un gran número de prue- de una junta ha sido presentado recientemente. El
bas en las conexiones. resultado del estudio es similar al entendimiento de donde:
la capacidad de resistencia de una tubería (envol-
Resistencia a la fuga vente o criterios de falla), pero para una junta, dada P = Presión límite para la fuga, [psi]
La capacidad de evitar el flujo de fluidos del exte-
la variación en su diámetro y espesor, se considera
la aplicación del modelo triaxial en cada una de las
P = Yc
[ W - d1
W ] E = 30x106 módulo de elasticidad
T = conicidad, [pg/pg]
rior al interior o viceversa en una conexión, se de- partes críticas de la conexión, resultando en una donde: = 0.0625 rosca redonda para TR
nomina resistencia a la fuga. La fuga de un fluido en envolvente semi-elíptica que permitirá cuantificar los P = presión límite para la fuga, [psi] = 0.0625 para rosca buttress TR 13 3/8
una conexión se presenta por efecto de la poca in- límites de trabajo de una junta. La figura 53 muestra y menores.
54 51](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-54-320.jpg)
![Tuberías Tuberías
Tensión (1.000LBX)
Deflexión radial
Reducción en diámetro Presión (PSI)
Figura 27 Modelo de Akgun Figura 28 Modelo de Akgun, con presión diferencial
Aplicando el modelo de figura 27, se obtiene que
donde: para la carga axial y severidad presente, la tubería
Figura 58 Capacidad de resistencia y carga de una tubería se reducirá en su diámetro 0.1 pg, generando con
v cambio radial en el eje principal de la sec- ello una ovalidad adicional.
ción transversal [pg]
bería que se introduce al pozo, desde su corrida, va o un estado inicial de esfuerzos, a partir de un "tiem- θ es el ángulo donde ϖ es determinado [rad] Por otro lado, aplicando el modelo de Akgun, para la
sufriendo alteraciones en las condiciones de carga po cero". Es decir, representar la magnitud del esta- ϖo cambio radial en el eje principal de la sec- presión diferencial actuando en el tubo, se tiene una
de presión y de temperatura. Por esto es de gran do de esfuerzos axiales generados por las condi- ción transversal cuando θ = 0 deflexión radial total de 0.07 .Se debe tener cuidado
interés evaluar las transformaciones en los esfuer- ciones iniciales de presión y de temperatura bajo o sobre el significado de este valor final, ya que repre-
µ relación de Poisson (0.3 de acero)
zos, particularmente en las cargas axiales. Los cam- durante la ocurrencia de un evento en particular. senta únicamente la deflexión debida a la diferencial
E modulo de Young’s (30*106psi) de presión positiva. La reducción del diámetro del tubo
bios que se presentan en los esfuerzos axiales tiene Como condición de carga inicial de una tubería de
lugar por la característica de ductilidad con las que revestimiento se ha establecido el estado de esfuer- P diferencial de presión [psi] original (circular) se obtiene adicionando la deflexión
están fabricadas las tuberías. Es decir, tienen la ca- zos axiales posterior a la cementación de la tubería. ro radio principal del tubo [pg] por carga axial a la deflexión por carga de presión,
pacidad de deformación elástica hasta los límites En el caso de tuberías de producción, el estado de t espesor de pred [pg] esto es:
de cedencia del acero. esfuerzo inicial se establece a partir del momento 0.07+0.1=0.17 pg
de colgarla en el cabezal. En cambio en el fondo del Aplicando el modelo anterior para diferentes presio-
Durante la evaluación de los cambios axiales que pozo, el estado de carga axial inicial para una sarta nes diferenciales y diferentes deflexiones radiales ini- Por lo tanto, la ovalidad generada en el cuerpo del
experimenta una tubería, se han detectado cuatro de perforación es la prevaleciente en condiciones ciales, se genera una gráfica como la mostrada en la tubo en condiciones reales, considerando como diá-
fenómenos o efectos axiales muy particulares que estáticas. figura 28. metro exterior máximo al diámetro nominal es:
dan lugar a una alteración o modificación en el es-
tado del esfuerzo axial. Estos son: Una vez establecida la condición inicial, para cada Ejemplo: S = ( 7 – ( 7-0.17) )/7=0.024=2.4%
evento de carga (que generan un cambio de pre-
· Pandeo sión y temperatura) se debe establecer el estado de Una tubería de 7 pg de diámetro exterior con espe- Este resultado tiene su impacto en la evaluación de
· Balonamiento esfuerzos axiales, modificado por la acción de los sor de pared de 0.317 pg (23 lb/pie) y grado N-80 la resistencia al colapso de la tubería. En el caso
· Pistoneo fenómenos aciales presentes. Cada nuevo estado trabajando a una presión diferencial de 2,000 psi y ideal esta tubería, de acuerdo con el API, tiene una
· Efecto térmico. de esfuerzos axiales es analizado para aplicarlo con sujeta a una carga axial de 100000 lb, en un pozo resistencia al colapso de 3830 psi. Al considerar la
fines de seleccionar el tubo o tuberías más propi- con una severidad de 30º /100 pies, genera la si- ovalidad del 2.4% estimada por efecto de la carga,
Cada uno de ellos refleja una acción de carga axial cias para soportar estos cambios axiales. guiente deflexión u ovalidad adicional: la resistencia al colapso de esta tubería es de 3480
adicional (tensional o compresional) que hay que psi (aplicando el. modelo de ISSA para estimar la
considerar en el diseño de las tuberías. Para lograr A continuación se describen los principales efec-
lo anterior, se debe establecer una condición inicial tos axiales:
66 39](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-66-320.jpg)
![Tuberías Tuberías
CONTENIDO:
RP 5C6 efectos de la corrosión sobre una diversidad de mate-
Recommended Practice for Welding Connections to riales, la National Association of Corrosion
CONTENIDO DE C 2O EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) Pipe, Engeneering (NACE). Esta institución ha generado una
CONTENIDO DE H 2 S EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) FIRST EDITION, DECEMBER 1996 serie de recomendaciones y boletines de pruebas de
PRESENCIA DE CLORUROS O CONTENIDO DE NaCl EN EL AGUA
EN PORCIENTO EN PESO
materiales que se aplican sobre los elementos
PRESION TOTAL DEL SISTEMA (PT) (PSI) RP 5C7 tubulares. Generalmente esta institución emite cada
TEMPERATURA DEL AGUA EN EL POZO (°C) Recommended Practice for Coiled Tubing Operations año una revisión actualizada de sus referencias. La si-
in Oil and Gas Well Services , guiente lista de referencias presenta los boletines y
FIRST EDITION, DECEMBER 1996 recomendaciones más aplicables a los elementos
tubulares utilizados en la ingeniería de perforación:
CALCULAR:
RP 5L1
Recommended Practice for Railroad Transportation MR0175-99 Sulfide Stress Cracking Resistant
PRESION PARCIAL DEL C2O : of Line Pipe, Metallic Materials for Oilfield Equipment-Item No.
FIFTH EDITION, DECEMBER 1996 21302
PCO2 = PT [ CONTENIDO DE C 2 O (%MOL) / 100 ]
PRESION PARCIAL DEL H 2 S:
RP 5L2 MR0176-94 Metallic Materials for Sucker-Rod
Recommended Practice for Internal Coating of Line Pumps for Corrosive Oilfield Environments-Item
PH2S = PT [ CONTENIDO DE H 2S (%MOL) / 100 ] Pipe for Non-Corrosive Gas Transmission Service No. 21303
THIRD EDITION, MAY 1987
RP0169-96 Control of External Corrosion on
RP 5L3 Underground or submerged Metallic Piping System-
Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Item No. 21001.
Tear Tests on Line Pipe
ACEROS AL Cr
12%Cr Si PCO2 > 30 PSI THIRD EDITION, JANUARY 1996 RP0191-96 The Application of Internal Plastic
Coatings for Oilfield Tubular Goods and Accessories-
RP 5L7 Item No. 21048
Recommended Practice Unprimed Internal Fusion
No Bonded Epoxy Coating of Line Pipe, RP0192-98 Monitoring Corrosion in Oil and Gas
SECOND EDITION, JUNE 1988, Production with Iron Counts-Item No. 21053
AMBIENTE
CO2+H2S+CL SE PUEDE USAR
RP 5L8 TM0169-95 Laboratory Corrosion Testing of Metals-
ALEACIONES Cr - PH2S < 0.05 PSI Si CUALQUIER GRADO DE
Ni ACERO HASTA TAC -140 Recommended Practice Field Inspection of New Item No. 21200
Line Pipe,
SECOND EDITION, DECEMBER 1996 TM0171-95 Autoclave Corrosion Testing of Metals
No in High-Temperature Water-Item No. 21203
RP 5LW
Recommended Practice Transportation of Line Pipe TM0177-96 Laboratory Testing of Metals for
ACEROS API N-80, P-110
TEMP> 79°C on Barges and Marine Vessels , Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress
Si ACEROS TAMSA TAC -
95, TAC
-110 SECOND EDITION, DECEMBER 1996 Corrosion Cracking in H2S Environments-Item No.
21212
No Std 5T1 , Imperfection Terminology , 10th Edition,
November 1996 TM0183-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings
for Corrosion Control of Tubular Goods in an
ACEROS API N-80, C - 95 Provides definitions in English, French, German, Aqueous Flowing Environment-Item No. 21213
TEMP > 65°C Si ACEROS TAMSA TAC-
80 Italian, Japanese, and Spanish for a number of
defects which commonly occur in steel pipe. TM0185-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings
for Corrosion Control of Tubular Goods by Autocla-
No
NACE ve Testing-Item No. 21217
ACEROS API: J-55, K-55, L-80 TIPO -1, C-95, T-95 Del mismo modo, existe otra institución que se ha TM0186-94 Holiday Detection of Internal Tubular
ACEROS TAMSA TRC-80, TRC-85, TRC-90, TRC-95
enfocado desde 1943 al estudio e investigación de los Coatings of 250 to 760 micrometers (10 to 30 mils)
Figura 71 Diagrama de flujo de la recomendación emitida por la norma NACE MR-0175-99
78 27](https://image.slidesharecdn.com/tomo05tuberias-120910151541-phpapp01/85/Tomo05-tuberias-78-320.jpg)
Subido porAlejandra Hoyos
Tomo05 tuberias
El documento presenta conceptos generales sobre tuberías, incluyendo su definición, clasificación, fabricación, propiedades mecánicas, conexiones y estándares. También cubre la capacidad de resistencia de las tuberías y las condiciones de carga a las que están sujetas, así como la metodología para el diseño mecánico de tuberías de producción y sartas de perforación. Finalmente, menciona herramientas de software para el diseño de tuberías.
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- 1. Tuberías Tuberías Tuberías ÍNDICE página INTRODUCCIÓN 3 I. CONCEPTOS GENERALES 3 ¿Qué es una tubería? 3 Acero 4 Clasificación por objetivo 4 Clasificación por función 5 Datos de tuberías 6 Proceso de fabricación 6 Propiedades mecánicas 16 Conexiones o juntas 18 Tipos de juntas 19 Proceso de maquinado 22 Estándares sobre tuberías 25 Diseño de sartas de tuberías 28 Retrospectiva de métodos 30 II. CAPACIDAD DE RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS 32 Condiciones de falla 32 Cedencia 33 Colapso 34 Estallamiento 40 Tensión 40 Fallas por carga de presión 46 Ejemplos de fallas en tubulares 47 Diagrama de capacidad de juntas 54
- 2. Tuberías Tuberías in Agnormally Pressured Wells", documento IADC/ SPE 17178 presentado en 1988 IADC/SPE Drilling III. CONDICIONES DE CARGA 55 Conference en Dallas, Tx, Febrero 28, Marzo 2, 1988. Eventos de carga 56 38. H. Ramos y D. Hernández; "Investigación del fe- Cargas de presión 57 nómeno de colapso en tuberías de revestimiento y de producción", Villahermosa, Tab, Agosto 1999. Perfiles de presión externa 58 Perfiles de presión interna 59 39. Sandvik Stell; "Sandvik Steel Corrosion Handbook Cargas axiales 61 Stainless Steels", Suiza 1994. Cargas no axiales (formaciones plásticas) 64 40. H. Kinsel, T. Koithan y B. Lirette; "A new Approach Cargas triaxiales 64 to Calculate the Optimum Placement of Centralizers, Efectos axiales 64 includes toque and Drag Predicions", documento Corrosión 69 IADC/SPE 36382, presentado 1996 IADC/SPE Asia Condiciones iniciales de carga 70 Pacific Drilling Technology Conference en Kaula Malasia, Septiembre 9-11, 1996. IV. SELECCIÓN DE TUBULARES 73 41. Applied Drilling Enginering, SPE Text Book Series, Vol 2.0, Bourgoyne, Adam T, 1991. Métodos de selección 74 42. Beggs; "Production Optimization", Using NODAL Selección de juntas 75 Analysis, H.D. 1991. Selección hidráulica de tubería de producción 76 Análisis de torque y arrastre 81 43. Effect of wear and Bending on Casing Collapse Ancalado de TR 82 Strength, Kuriyama, Y.T., 1992. Centradores de tuberías de revestimiento 83 44. Minimum Cost Casing Design, Halal, A.S. SPE 36448, 1994. V. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO MECÁNICO 85 45. Economides, Watters, dunn Norman "Petroleum Well Construction", John Wiley, 1998. Tubería de producción 85 Procedimiento de diseño 85 46. Benito Ortiz Sánchez, "Diseño de aparejos de Eventos de carga 86 Producción por Metalurgia", División de Estudios de Diseño de sartas de perforación 88 Posgrado, Facultad de Ingeniería UNAM. Octubre 1991. Los aparejos de fondo convencionales 90 Método de flotación de Lubinski 90 47. Fitzgerald; "Mecánica de Materiales", Edición Método de Paslay y Dawson 91 revisada, Editorial Alfaomega. Ejemplo de diseño de una sarta de perforación 92 48. Bruce D. Craig "Saour-Gas Design Considerations", VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO DE TUBERÍAS 99 Monograph Volume 15, SPE, Henry L. Doherty Memo- rial Fund of AIME Series, Richardson Texas, Primera Edi- ción 1993. REFERENCIAS 101 2 103
- 3. Tuberías Tuberías 20. T. Xu, R.G. Bea, R. Ramos, O. Valle y V. Valdes; "Uncertainties in the Fatigue Lives of tubular Joints", With a Finite-Element Method", SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), páginas 103-106. Tuberías documento OTC 10848 presentado en 1999 por el. Offshore Technology Conference en Houston, Texas, 29. K.K. Biegler, "Concluions Based on Laboratory Mayo 3-6 1999. Tests of Tubing and Casing Connections", documen- to SPE 13067 presentado en 1984 SPE 50º Annual 21. H. Ramos y D. Hernández; "Colapso en Tuberías Technical Conference and Exhibition en Houson, de Revestimiento y de Producción", Horizonte Tec- Texas, Septiembre 16-19, 1984. nológico, Octubre-Diciembre 1998. 30. R:M: Hackney, ¡A New Approach to Casing 22. R.A. Sukup y V.C. Estes; "How new tools were Desing for Salt Formations", documento SPE/IADC INTRODUCCIÓN used to repair HPHT sour gas producer", World Oil, 13431 presentado en 1985 en la SPE/IADC Drilling Básicamente el diseño de tuberías se fundamenta Julio 1994, páginas 37-42. Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 6-8, Este capítulo presenta los elementos conceptuales re- en dos factores principales: el conocimiento del ma- 1985. lacionados con las tuberías utilizadas en los pozos pe- terial (capacidad de resistencia) y el conocimiento 23. Yukihisa Kuriyama y Toshitaro Mimaki; "A New troleros, a fin de propiciar el mejor aprovechamiento de las condiciones de esfuerzos (cargas) a los que Formula for Elosto-Plastic Collapse Strength of Thick- 31. J.A. Issa y D.S. Crawford, "An Improved Desing sobre las mismas y fortalecer la práctica de la ingenie- van a estar sujetas las tuberías. El primer factor abar- Walled Casing", documento SPE 28327 presentado Equiation for Tubular collapse", documento SPE ría de perforación. Fundamenta técnicamente el dise- ca desde su fabricación hasta el desempeño mecá- en 1994 en la SPE 69º Annual Technical Conference 26317 presentado en 1993 en el 68º Annual technical ño (o selección) de las diferentes tuberías utilizadas. nico. Es la base para reconocer la capacidad de una and Exhibition en New Orleans, LA, Septiembre 25- Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, tubería. El segundo factor significa el conocimiento 28, 1994. Octubre 3-6, 1993. Como parte de los insumos que demanda un pozo, teórico y experimental necesario para ser capaces las tuberías representan un alto porcentaje en el cos- de predecir las condiciones de trabajo o de carga 24. A.S. Halal y R.F Mitchell, "Casing Desing for Trapped . 32. W.T. Jones y N. Dharma; "Standarisation of to del mismo. Se tienen estimaciones generales de que se presentarán en un pozo y en consecuencia, Annular Pressure Buildup", documento SPE Drilling Tubuluar Goods for Wowldwide Application", docu- que varía del 15 al 30% de la inversión total. Por lo que soporte una tubería. and Completion, Junio 1994. Páginas 107-114. mento SPE 25328, presentado en la SPE Asian Pacific tanto, es importante considerar el costo de las tu- Oil and Gas Conference, en Singapore, Febrero 8- berías. El tema merece atención especial. Por lo anterior, el material se ha dividido en tres A. MacEachran, y A.J. Adams; "Impact on Casing 10, 1993. partes: en la primera se presenta todo lo relacio- Desing of Thermal Expansion of Fluids in Confined Las bases de todo proceso de ingeniería recaen en nado con el material “tubo”. Es decir, su proceso Annuli" documento SPE/IADC 21911, presentado en 33. F Klementich y Michael J.Jellison; "Service-Life . los fundamentos técnicos. Sin embargo, se requie- de fabricación, las propiedades mecánicas, y la 1991 SPE/IADC Drilling Conference en Amsterdam, Model for Casing Strings", SPE, Abril 1986, páginas re observar sistemáticamente la disminución de los forma de evaluar su capacidad de resistencia. En Marzo 11-14, 1991. 141-152. costos asociados en cada proceso. Por lo que en la una segunda parte se presentan las diferentes al- práctica de la ingeniería de perforación, se deben ternativas para determinar las distintas condicio- 25. L.D. Keilty y H. Rabia, "Applying Quantitative Risk 34. J.F. Greenip Jr. "How to Desing Casing Strings definir y optimizar los materiales tubulares que de- nes de carga. Se inicia por la definición de las Assessment to Casing Desing", documento IADC/ For Horizontal Wells" 1989 petroleum Engineer ben utilizarse en un pozo. cargas y se termina por definir la forma de eva- SPE 35038 presentado en 1996 IADC/SPE Drilling International, Houston, Texas, Diciembre 1989, pá- luarlas. En una tercera parte, se presentan las téc- Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 12- ginas 34-38. El diseño de un pozo requiere la aplicación y cono- nicas de selección de los materiales, criterios y 15, 1996. cimiento de una diversidad de técnicas y procedi- metodologías de diseño. 35. I.S. Meghani; "Calculating leak performance for mientos. Éstos, bien aplicados y orientados con la 26. Marshall, H. Asahi y M. Ueno; "Revised Casing- API casing connections" 1984 String Desing premisa de minimizar costos, conducen a definir las I. CONCEPTOS GENERALES Desing Crieteria for Exploration Wells Containing Seminary-by-Mail, Hydriil; World Oil, Junio 1984. especificaciones de los materiales y parámetros de H2S" SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), operación óptimos para aplicar en un pozo. Como ¿ Qué es una tubería? páginas 115-118. 36. API Spec 5AX, "High-Strength, Casing, Tubing parte de este proceso, el diseño de las tuberías es Una tubería es un elemento cilíndrico hueco com- and Drill Pipe", american Petroleum Institute, Was- una actividad que debe ser recurrente en la práctica puesto generalmente de acero, con una geometría 27. Yukihisa Kuriyama, T. Mimaki y Tetsuo hington, D.C- Tenth Edition, Marzo 1976. de ingeniería de perforación. Cada pozo presenta definida por el diámetro y el espesor del cuerpo que Yonezawa; "Effect of Wear and Bending on Casing un comportamiento diferente para su operación y lo conforma. Para fines prácticos, se define median- Collapse Strength", documento SPE 24597 presen- A. Baryshnikov, A. Caderoni, A. Ligrone y P Ferrara, . construcción. te una geometría homogénea e idealizada. Es decir, tado en 1992 SPE 67º Annual Technical "A New Approach to the Analysis of Drillstring Fati- un diámetro nominal y un espesor nominal cons- Conference and Exhibition en Washington, DC, gue Behavior", documento SPE Drilling and El material expuesto en este libro incluye los tec- tante en toda su longitud. Sin embargo, la realidad Octubre 4-7, 1992. completion, Junio 1997. Páginas 77-84. nicismos más usuales que deben incorporarse es que no existe una tubería perfecta geomé- en el proceso de diseño de tuberías. La idea es tricamente. Adolecen de ciertas imperfecciones que 28. Freda Akgun, Bill J. Mitchell y H-Peter Huttelmaire; 37. A.P Vorenkamp; "A Theory of Resultant Burst .A. mejorar y consolidar la práctica de ingeniería de serán tratadas más adelante, como la ovalidad y la "API Tubular Ovality and Stresses in Horizontal Wells Loads for Designing Production Casing: Principally perforación entre los estudiantes. excentricidad. 102 3
- 4. Tuberías Tuberías Acero tubería. Es decir, la función de operación que Referencias debe cumplir, para ello, las tuberías se clasifi- 11. J.J. Maney y c.a. Strozier, "High-Temperature El acero es un metal refinado. Se obtiene a partir de can como: 1. "Halliburton Cementing Tables", Printed in USA Performance of Rotary-Shoyldered Connections", la fundición de un lingote de hierro combinado al 2XJ, Little's- Duncan, Okla, 1999. documento SPE 19554 presentado en 1989 en el 64º mismo tiempo con otros elementos químicos. Tuberías de revestimiento Annual Technical Confererence y Exhibition of the 2. "Productos Tubulares de Acero sin Costura", Tu- SPE, en San antonio, Tx, Octubre 8-11, 1989. Los aceros se dividen en ordinarios y especiales. Son tuberías que constituyen el medio con el cual bos de Acero de México, S.A. 1998. Los aceros ordinarios contienen tres elementos prin- se reviste el agujero que se va perforando. Con 12. Y. W Know y E.F. Klementich, "An Efficent and cipales: hierro, carbono y manganeso. El carbono y ello se asegura el éxito de las operaciones lleva- 3. "Formulaire du Foreur" Gilles Gabolde, Jean Paul Accurate Model for the Structural Analysis of el manganeso reunidos no representan más del das a cabo durante las etapas de perforación y Nguyen, Sexta Edición IFP Editorial Technip 1989. , Threaded Tubular Connections", documento SPE 1.5% del metal. Los aceros ordinarios con el 0.1 a terminación del pozo. 18057 presentado en 1988 en el 63º Annual Technical 1.5% de carbono se clasifican como aceros de bajo 4. "Applied Drilling Engineering", Bourgoyne, Millheim, Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, contenido de carbono. Los aceros especiales se El objetivo de las tuberías de revestimiento es pro- Chenevert, Young., Second Printing, Society of Octubre 2-5, 1998. hacen como los ordinarios, pero se les agregan otros teger las zonas perforadas y aislar las zonas proble- Petroleum Engineers, Richardson, TX; 1991. elementos tales como: níquel, cromo, molibdeno, máticas que se presentan durante la perforación. Tal 13. M. F. Hainey, "Makeup Torques for API-Type cobre, vanadio y tungsteno. es el caso de revestir el agujero para mantener la 5. J.A. Bednarski y E.F. Flementich; "Focused Round Thread Casing Connections With Non-API estabilidad del mismo, prevenir contaminaciones, Acceptance Testing: A Logical Approach for Qualifying Weights, Grades, and Coupling Diameters", docu- Tanto los aceros al carbono como los especiales aislar los fluidos de las formaciones productoras, Critical Service Conections", documento IADC/SPE mento SPE 15517 presentado en 1986 en el 61º (aceros inoxidables, aceros resistentes a la corro- controlar las presiones durante la perforación y en 14728 presentado en 1986 IADC/SPE Drilling Annual Technical Conference y Exhibition of the SPE, sión y a las altas temperaturas), se producen en la vida productiva del pozo. Conference en Dallas, Tx, Febrero 10-12, 1986. en New Orlans, LA, Octubre 5-8, 1986. hornos eléctricos. Además, las tuberías de revestimiento proporcio- 6. Rick Johnson, Michael J. Jellison y Erich F. 14. G.M. Armstrong, and T.M. Wadworth; "Failure Otros materiales tubulares nan el medio para instalar las conexiones superfi- Klementich; "Triaxial-Load-capacity Diagrams Prevention by Selection and Analysis of Drillstem ciales de control (cabezales, BOPs), los empacadores provide a New Approach to Casing and Tubing Connections", documento SPE/IADC 16075 presen- La fabricación de tuberías se ha diversificado y extendi- y la tubería de producción. desing Analysis", artículo de la SPE drilling tado en 1987 SPE/IADC Drilling Conference en do para satisfacer la demanda de las diferentes in- Engineering, (Septiembre 1987) páginas 268-274. New Orlans, LA, Marzo 15-18, 1987. dustrias que las utilizan como insumo. Es por ello que Tuberías de producción en la actualidad obtenemos tuberías con diferentes 7. K.K. Biegler, Exxon Co. USA y C.W. Petersen, "Rating 15. Mac Thomas y J.E. Smith; "Box OD Stability of calidades en los materiales que la componen. Tal es el Las tuberías de producción son el elemento Tubular connections for Today?s service Double Shoulder Tool Joints at Catastrophic Failure", caso de: tuberías de aluminio, tuberías de fibra de vi- tubular a través del cual se conducen hasta la su- Requirements", documento SPE 12205 presentado en documento SPE/IADC 35035 presentado en 1996 drio, tuberías de plástico, etc. Cada una de ellas tie- perficie los fluidos producidos de un pozo, o bien, el 58º Annual Technical Conference and Exhibition of SPE/IADC Drilling Conference en New Orlans, ne aplicaciones específicas y limitadas por las condi- los fluidos inyectados de la superficie hasta el ya- the SPE, en San Francisco, Octubre 5-8, 1983. Louisiana, Marzo 12-15, 1996. ciones del material y de su respuesta en su manejo. cimiento. 8. L.B. Hilbert Jr. Y I.A. Kalil, "Evaluation of 16. Eiji Tsuru, Kazushi Maruyama, Ryuichi Inowaki Tipos de tuberías Tuberías de perforación Premium threaded Connections Using Finite- y Tetsuro Tochikawa; "Allowable Torque of Tubular element Anaylis and Full-Scale Testing", Documen- Connection Under Simulated Running and Working El uso de tuberías en un pozo es de vital importan- Las tuberías de perforación son los elementos to IADC/SPE 23904 presentado en 1992 IADC/SPE Conditions", documento SPE/IADC29353 presenta- cia. Constituyen el medio por el cual garantizan el tubulares utilizados para llevar a cabo los trabajos Drilling Conference en New Orlans, Louisiana, do en 1995 SPE/IADC Drilling Conference en control del mismo y se aseguran las instalaciones durante la operación de la perforación. Generalmente Febrero 19-21, 1992.9. M.L. Paynes, H.L. Davis y Amsterdam, Febrero 28, Marzo2, 1995. para el mejor aprovechamiento y mantenimiento del se les conoce como tuberías de trabajo, porque es- P Pattillo, "Joint Industry Qualification Test program .d. pozo. Con el fin de entrar en materia, es importante tán expuestas a múltiples esfuerzos durante las ope- for High-Clearance Casing Connections", docu- 17. Bruce D. Craig; "Evaluation and Application Of mencionar que dentro de la ingeniería de perfora- raciones de perforación del pozo. mento IADC/SPE 21908 presentado en 1991 IADC/ Highly Alloyed Materials for Corrosive Oil Production", ción las tuberías juegan un papel fundamental y SPE Drilling Conference en Amsterdam, Marzo 11- artículo de american Society for Metals (Junio 1983) cumplen diversas funciones. Por ello, se ha mane- Ductos (tubería de línea) 14, 1991. páginas 351-362. jado una clasificación tanto por su objetivo como por la función que deben cumplir al ser utilizadas Se le conoce como ducto al elemento tubular (co- 10. G.F. Reynolds y P.d. Summurfield, "A New 18. Hart's petroleum Engineer International; "1995 en el interior de un pozo. nocido como tubería de línea) utilizado para condu- approach to the Desing of Threaded connections", Tubing Guide" Junio 1995 Hart's Publications Inc. cir los fluidos producidos del pozo hacia los centros documento SPE 21739 presentado en 1991 en la Clasificación por objetivo de recolección, separadores, compresores o tan- Production Operations Symposium en la Ciudad de 19. Grand Duncan; "Enhanced recovery enginering", ques de almacenamiento. Son conductos que se co- Oklahoma, Abril 7-9, 1991. World Oil, (Mayo 1995), Páginas 77-87. Una clasificación preliminar, pero importante, es nectan en la superficie a partir del cabezal o árbol la que permite definir en qué se va a utilizar la de válvulas del pozo. 4 101
- 5. Tuberías Tuberías Otros tubulares de circulación del lodo de perforación. Es la de ma- yor diámetro que se utiliza en el pozo, pues a través Los elementos tubulares utilizados en las diferentes de ella pasan todas las tuberías de revestimiento funciones mencionadas anteriormente pueden pre- que se utilizan. En el mar, es la primera tubería que sentar variaciones catalogadas como otros elemen- se extiende desde la plataforma hasta abajo del le- tos tubulares muy específicos. En su mayoría, se cho marino (mudline). Tabla 6 Software utilizado para diseño de tuberías presentan para la actividad de perforación. Sin em- bargo, su muy particular aplicación los hace de in- Superficial: Es la tubería que sirve para aislar los Software Compañía terés para mencionarlos: acuíferos subsuperficiales o someros, así como StressCheck Enertech-Landmark manifestaciones de gas someros. Provee equipo WellCat Enertech-Landmark Tuberías flexibles de flotación, que permita realizar una buena DistrW Instituto Mexicano del Petróleo cementación para continuar la perforación den- Casing2 Maurer Engineering Inc. Son conductos tubulares de gran longitud y flexibi- tro de una zona de transición de alta presión. En Camax Pemex División Sur lidad que no requieren utilizar conexión o junta para pozos desviados, la superficie de la tubería debe conformar todo un tren o sarta de tuberías. Es decir, cubrir toda la sección construida para prevenir de- la tubería es continua, a diferencia de las tuberías rrumbes de la formación durante la perforación CARACTERISTICA StressCheck WellCat DistrW Casing2 Camax convencionales que requieren un elemento conector profunda. Esta sarta es cementada típicamente Modelo API para unir tubo por tubo y lograr contar con una lon- hasta la superficie o lecho marino (mudline) y sos- Modelo Biaxial gitud apropiada para el trabajo a realizar. La tubería tiene las conexiones superficiales de control defi- Modelo Triaxial flexible es de dimensiones geométricas esbeltas nitivas. (< 3 ½” de diámetro), aunque actualmente existen Pozos desviados de grandes dimensiones (7” de diámetro) y la ma- Intermedia: Es la tubería que aísla zonas inesta- Flexión yoría de las veces se utiliza como tubería de trabajo bles del agujero, zonas con pérdida de circulación Domo Salinos en procesos de recuperación avanzada durante la de baja presión y zonas de producción. Se utiliza Temperatura/cedencia vida productiva del pozo. en la zona de transición de presión normal a pre- Slección gráfica sión anormal. La cima del cemento de esta tube- Selección matemática Lastrabarrenas (drill collars) ría debe aislar cualquier zona de hidrocarburo. Selección por usuario Algunos pozos requieren de múltiples sartas in- Datos de Juntas Los elementos tubulares denominados lastrabarrenas termedias. Datos de Tuberías son tuberías utilizadas para auxiliar a la tubería de per- Modelo API de Juntas foración a dar peso a la barrena durante las operacio- De explotación: Es la tubería que aísla zonas de Juntas premium nes de perforación. producción y debe soportar la máxima presión de Efectos axiales fondo de la formación productora, tener resisten- Carga máxima Tubería pesada (heavy weigth) cia a la corrosión así como resistir las presiones Service life que se manejarán en caso de que el pozo se frac- Análisis de pandeo La tubería pesada (“heavy-weigth”) se compone de ture para aumentar su productividad, el bombeo Diseño de centradores elementos tubulares de grandes dimensiones mecánico (gas lift), la inyección de inhibidores Diseño de anclaje geométricas (espesor) que se utilizan como auxiliar de aceite. El buen trabajo de cementación prima- entre la tubería de perforación y los lastrabarrenas. ria es crítico para esta sarta. Diseño de corrida Con esto se evita la fatiga de los tubos durante la Análisis axial perforación. Existen tuberías de revestimiento que por su condi- Modelos de flujo hidráulico ción y objetivo de colocación pueden definirse Modelos de flujo multifásico Clasificación por función como: Modelos de Temperatura Modelo de Torque y arrastre Las tuberías de revestimiento se clasifican por la fun- Tubería corta (liners): Es una sarta de tubería que Modelo de Corrosión ción que desempeñan al colocarse en el interior de no se extiende a la cabeza del pozo. En cambio, se un pozo, esto es: sostiene por otra sarta. La tubería corta se usa para reducir costos y mejorar la hidráulica durante per- Conductora: Es la primera tubería de revestimiento foraciones profundas. La tubería corta puede ser que puede ser hincada o cementada; sirve para sen- usada tanto en la sarta intermedia como en la de tar el primer cabezal en el cual se instalan las co- explotación. La tubería corta es cementada típica- nexiones superficiales de control y las conexiones mente a lo largo de toda su longitud. 100 5
- 6. Tuberías Tuberías Complemento (TIE-BACK): Es una sarta de tubería A continuación, se presentan algunos datos ca- VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO La tabla 6 muestra las características de algunos que proporciona integridad al pozo desde la cima racterísticos de las tuberías utilizadas para la per- DE TUBERÍAS programas de cómputo que se utilizan para reali- de la tubería corta hasta la superficie. Es un refuer- foración de un pozo. zar el diseño de tubulares. Básicamente consis- zo para la tubería de explotación. Si se tienen altas Los grandes avances tecnológicos alcanzados en los ten en aplicaciones de software que se utilizan en presiones protege de los fluidos corrosivos y Tubería de perforación últimos 15 años por la tecnología en materia infor- los equipos denominados PC, y que tienen un ob- refuerza la tubería de explotación en caso de que se Los datos principales que deben conocerse sobre mática (hardware y software), ha hecho posible la jetivo específico cada uno de ellos. Sus ventajas presenten daños. Puede cementarse parcialmente. las tuberías de perforación son los siguientes: diá- generación de herramientas de cálculo orientadas y desventajas mostradas permite diagnosticar el metro nominal, peso nominal, clase, grado, resis- para el diseño y análisis de las diferentes aplicacio- potencial de uso de cada uno de ellos para fines Complemento corto (STUB): Es una sarta de tu- tencia a la tensión, colapso y torsión. nes que nos ocupan en el ámbito de la ingeniería de diseño de tuberías. bería que funciona igual que el complemento. Pro- La clase de tubo, se refiere al grado de usabilidad de perforación. Canalizadas en forma apropiada es- porciona integridad por presión para extender la que ha tenido el tubo. El API divide las tuberías en tas herramientas de cálculo, deben ser una fuente cima de la tubería corta. Puede cementarse par- clase I (tubería nueva), II, III y Premium. Un ejemplo inmejorable de entendimiento y mejoría constante cialmente. de estas características se muestra en la tabla 1. de la práctica de la ingeniería de perforación. Sin embargo, son un arma de dos filos: en la carrera Sin tubería de produccion (TUBINGLESS): Es una Tuberías de revestimiento (TRs) y producción (TPs) por automatizar los cálculos y finalmente los dise- tubería de explotación que se extiende hasta la su- Las características principales a observar en las tu- ños, se cae en la situación de desligarnos del cono- perficie y se utiliza como tubería de producción para berías de revestimiento y tuberías de producción cimiento básico de las cosas. Pero por otro lado, y explotar los hidrocarburos. son: diámetro nominal, peso nominal, grado, drift, benéfico, contamos con la "panacea" que nos re- resistencia a la tensión, resistencia al colapso y re- suelve los problemas de diseño. La figura 1 muestra un esquema que representa la sistencia al estallamiento. Un ejemplo de estos da- forma como se colocan las tuberías de revestimien- tos se muestra en la tabla 2. Dentro del desarrollo de tecnología de software y to en el interior de un pozo. con aplicación al diseño de tuberías, existe una Para obtener datos más gran variedad de programas de cómputo de dife- TUBERÍA COMPLEMENTO SIN APAREJO completos sobre las con- rentes casas fabricantes. Los hay desde simples TUBERÍA DE TUBERÍA COMPLEMENTO CORTO DE PRODUCCIÓN diciones geométricas y propuestas de cálculo para evaluar la resistencia REVESTIMIENTO CORTA ( LINER ) ( TIE-BACK ) ( STUB ) ( TUBINGLESS ) de las tuberías, pasando por incipientes progra- mecánicas y con mayor detalle de las tuberías con- mas de diseño, que cuentan con toda una meto- sultar las referencias 1, 2, dología y grandes simuladores para evaluar cual- 3, y 4. quier condición de carga de presión y temperatu- ra. Hasta llegan tener sistemas expertos, que aho- Proceso de fabricación ra se comercializan para el diseño de tuberías de revestimiento. Debido a la importancia de la tubería de acero en la Aun cuando se ha alcanzado un grado de madurez en perforación de pozos pe- materia de diseño tubular y logrado un avance acele- troleros, la fabricación rado en materia de software, los programas de cálcu- debe contar con caracte- lo actuales realmente NO están preparados para reali- rísticas de calidad extre- zar un diseño. Son realmente excelentes herramien- ma, acordes a los riesgos tas de cálculo que nos permiten efectuar con mayor y necesidades manejados rapidez y precisión los cálculos y presentaciones grá- en la Industria Petrolera. ficas para analizar los mejores resultados. Carecen de ese sentido común que debe aplicarse con criterio y Existen tres procesos de decisión, y que finalmente, hace la diferencia respec- fabricación de tuberías: el to a un verdadero programa de diseño. Por tal razón, Figura 1 Esquemas representativos del uso de las tuberías de revestimiento proceso sin costura, el debemos ser precavidos con el uso de los programas proceso con soldadura de cómputo o herramientas de software, porque no eléctrica-resistencia y el debemos esperar que estos resuelvan el problema de Datos de tuberías proceso de soldadura eléctrica instantánea (flash). diseño tubular. El problema de diseño en sí, todavía El proceso más utilizado para suministrar la deman- mantiene muchas situaciones de criterio, y el único Los tubos utilizados en la industria petrolera de- da de tuberías dentro del ámbito de perforación (diá- que puede replantearlas es precisamente, el ingenie- ben cumplir con ciertas características metros desde 20” o menores) es sin lugar a dudas ro de perforación, nadie más. geométricas y mecánicas dependiendo de su uso. la fabricación de tubería sin costura. 6 99
- 7. Tuberías Tuberías Tabla 1 Características geométricas y mecánicas de la tubería de perforación Diámetro Peso Clase Grado Tensión Torsión Resistencia nominal nominal *( lbf) (ft-lbf) al Colapso (pg) (lb/pie) (psi) 2 3/8 4.85 I E75 98000 4760 10500 II G105 151000 5810 11763 Premium X95 136000 6090 12155 3½ 13.30 I G105 452000 29520 13344 II S135 382000 22160 13721 Premium E75 153000 11090 8703 4 14.00 I X95 361000 29500 13721 II S135 404000 27740 15592 Premium G105 314000 25420 13866 4½ 20.00 I E75 412000 36900 12546 II S135 581000 44030 18058 Premium G105 452000 40160 16042 5 19.50 I X95 501000 52140 12039 II X95 395000 34460 9631 Premium S135 561000 58110 15636 5½ 24.70 I S135 895000 101830 17626 II G105 548000 52370 11096 Premium E75 391000 44320 9051 Figura 98 Comportamiento de esfuerzo triaxial en diseño de TR del pozo prueba 3 6 5/8 25.20 I E75 489000 70580 6542 * lbf = libras fuerza Tabla 2 Características geométricas y mecánicas de la tubería de revestimiento y tubería de producción Diámetro Peso Grado Diámetro Diámetro Resistencia Tensión nominal nominal Drift Interior al Colapso (1000 lbf) (pg) (lbf/ ft) (pg) (pg) (psi) 4½ 9.50 H-40 3.965 4.090 2760 111 11.60 K-55 3.875 4.052 4010 165 15.10 P-110 3.701 3.826 14350 485 5 11.50 J-55 4.435 4.560 3060 182 15.00 N-80 4.283 4.408 7250 350 24.10 P-110 3.875 4.000 19800 778 5½ 14.00 J-55 4.887 5.012 3120 222 17.00 K-55 4.767 4.892 4910 273 20.00 P-110 4.653 4.778 11100 641 6 5/8 20.00 H-40 5.924 6.049 2520 229 24.00 C-90 5.796 5.921 6140 624 24.00 P-110 5.796 5.921 6730 763 7 17.00 H-40 6.413 6.538 1420 196 23.00 L-80 6.241 6.366 3830 532 35.00 P-110 5.879 6.004 13020 1119 7 5/8 47.10 N-80 6.250 6.375 12040 1100 26.40 C-95 6.844 6.969 3710 714 29.70 P-110 6.750 6.875 5350 940 Figura 99 Comportamiento axial en diseño de TR para el pozo prueba 3 8 5/8 24.00 K-55 7.972 8.097 1370 381 36.00 L-80 7.700 7.825 4100 827 49.00 P-110 7.386 7.511 10750 1553 98 7
- 8. Tuberías Tuberías 9 5/8 32.30 H-40 8.845 9.001 1370 365 36.00 K-55 8.765 8.921 2020 564 53.50 P-110 8.379 8.535 7950 1710 10 ¾ 32.75 H-40 10.036 10.192 840 367 51.00 C-90 9.694 9.850 3400 1310 65.70 P-110 9.404 9.560 7500 2088 11 ¾ 60.00 C-75 10.616 10.772 3070 1298 60.00 L-80 10.616 10.772 3180 1384 60.00 C-90 10.616 10.772 3180 1384 13 3/8 72.00 G-90 12.191 12.347 2780 1869 72.00 C-95 12.191 12.347 2820 1973 72.00 P-110 12.191 12.347 2890 2284 16 65.00 H-40 15.062 15.250 630 736 75.00 J-55 14.936 15.124 1020 1178 84.00 K-55 14.822 15.010 1410 1326 18 5/8 87.50 H-40 17.567 17.775 630 994 87.50 J-55 17.567 17.775 630 1367 87.50 K-55 17.567 17.775 630 1367 20 94.00 H-40 18.936 19.124 520 1077 94.00 J-55 18.936 19.124 520 1480 133.00 K-55 18.542 18.730 1490 2125 TAMSA es la compañía mexicana productora de tu- cuenta con el sistema EBT y consiste en el vaciado Figura 96 Diseño de TR por carga axial, pozo prueba 3 berías sin costura que satisface la demanda de excéntrico en el fondo de la olla. Así se ayuda a evi- tubulares para Petróleos Mexicanos. Todos sus pro- tar la oxidación del acero durante el vaciado, por lo cesos de fabricación están totalmente automatiza- que en la olla de fusión quedarán 20 toneladas de dos. Su programa de aseguramiento de calidad pro- acero con escoria, para obtener acero de alta cali- vee rastreabilidad completa desde el número de co- dad. En los hornos, la composición química se lada original, de tal manera, que un cliente puede monitorea por computadoras para ajustar automáti- obtener información actualizada de su pedido en camente la carga de ferroaleaciones. cualquier momento. El proceso que a continuación se describe es aplicado en esta compañía. En el horno de afinación, la computadora calcula la adición de ferroaleaciones y por medio de micropro- En 1987 esta empresa construyó una nueva acería, cesadores, se controla automáticamente la tempe- en la cual se producen 700,000 toneladas métricas ratura y otras variables. Al mismo tiempo, es inyec- de acero anualmente. Fabrica tubos sin costura de tado gas argón para homogeneizar la composición hasta 14 pulgadas de diámetro exterior en el química del acero. El tratamiento con calcio silicio laminador continuo. La acería cuenta con sistemas se utiliza para controlar la forma de las inclusiones. que permiten un alto control de los procesos de fu- Los elementos microaleantes son dosificados por la sión, afinación y colada continua de barras de sec- adición de alambre. Esto permite una gran preci- ción redonda. Produce acero limpio en una amplia sión en la composición química del acero; la cual es variedad de composiciones químicas. analizada a través del espectómetro. Durante la afi- nación del acero, la computadora calcula en función La producción de tubería se realiza mediante acero de los nuevos análisis, y proporciona la información de calidad por fusión de fierro esponja y chatarra para adicionar la cantidad de ferroaleaciones reque- seleccionada en un horno eléctrico de 170 tonela- ridas y obtener la composición química deseada. das por colada, capaz de fundir a un tiempo prome- dio de 105 minutos. El fierro esponja (casi fierro Durante el proceso de la colada continua, se evita Figura 97 Diseño de TR por estallamiento, pozo prueba 3 puro), resulta limpio con bajos contenidos de ele- que la olla del acero deseado tenga contacto con la mentos residuales en el acero. En este horno se atmósfera. Así se evitan la oxidación y la contami- 8 97
- 9. Tuberías Tuberías nación en el momento del vaciado al distribuidor. El partículas magnéticas húmedas antes de maquinarse distribuidor ha sido diseñado con deflectores espe- las roscas, de acuerdo con las normas API. En el cuar- ciales para evitar turbulencias y la mezcla de la es- to de patrones y calibres, la calibración se programa coria con el acero. para verificar los instrumentos y calibradores de tra- bajo contra los patrones, así como todo el equipo de El laminador continuo a mandril retenido permite inspección, medición y prueba. obtener una precisión dimensional en la tubería que cumple con tolerancias extremadamente estrictas. Para la certificación de cada tubo fabricado dentro En laminación y en la línea de tratamiento térmico de las normas API se realiza un monitoreo de todas los hornos han sido equipados con computadoras las etapas del proceso de fabricación, con la ayuda que con los modelos de cálculo, controlan la de los laboratorios, que son: químico (acería), físi- rastreabilidad y el calentamiento. Para protección co (tensión), metalográfico (estructura del acero) y durante el embarque, manejo y transporte, los tu- prueba de colapso (valor real de colapso). También bos se barnizan y se les instalan sus protectores en TAMSA cuenta con la Norma Internacional ISO 9000. las roscas. En la figura 2 se muestra el proceso de fabricación. Durante el laminado a mandril retenido, se produ- A continuación se detallan los pasos del proceso de cen espesores de pared extremadamente uniformes, la fabricación de tubería sin costura. ésta es una variable ideal para tuberías resistentes al alto colapso, que es verificado a través de un equi- Materia prima: La materia prima usada en la fabri- po de rayos láser que proporciona mediciones rápi- cación de tubería es, básicamente, un 30% de fie- das y precisas. Así se obtiene un producto con tole- rro esponja (fierro natural) y un 70% chatarra. Figura 94 Factores de trabajo para TR en pozo prueba 3 rancias estrictas en el diámetro exterior y baja ovalidad. Acería: Es un proceso que consta de 3 etapas: fu- sión, afinación y vaciado. En la figura 3 se muestra Durante el tratamiento térmico de temple y revenido el flujo de proceso de la acería. se obtienen propiedades mecánicas óptimas en las tuberías resistentes al alto colapso. El temple por Fusión: La materia y ferroaleaciones se calientan inmersión se realiza tanto de modo interno como hasta alcanzar una temperatura cercana a los 1620°C. externo. Esto produce una completa transformación En ese punto, el acero se encuentra en estado líqui- martensítica a través de todo el espesor del cuerpo do, la inyección de argón se realiza por la parte in- del tubo. Durante el revenido se consiguen propie- ferior de la olla de fusión, con la finalidad de homo- dades mecánicas homogéneas y en el enderezado geneizar la composición química del acero. en caliente, se obtienen productos con bajos esfuer- zos residuales. Pruebas de laboratorio han demos- Afinación: Después de realizar el vaciado de la olla de trado que en tuberías con espesores delgados, su fusión a la olla de afinación, con precisión, se realiza resistencia al colapso excede los requerimientos del la afinación del acero mediante la adición de aleacio- API de aceros equivalentes, en aproximadamente nes Así se obtiene el grado de acero requerido. un 30 por ciento. Vaciado: Posteriormente, el acero de la olla de afi- Después del tratamiento térmico, se prueba en lí- nación es llevado y vaciado al distribuidor para ob- nea la dureza de la tubería. El equipo de inspección tener la colada continua. electromagnético verifica cada tubo a través de cua- tro funciones, buscando posibles defectos longitu- Colada continua: El distribuidor de la colada continua dinales y transversales, así como el espesor y gra- ha sido diseñado con deflectores especiales que evi- do de acero. tan la turbulencia, con el propósito de obtener barras de sección redonda, que finalmente son cortadas en Todos los productos tubulares se verifican con el paso secciones de longitud conocida, dependiendo del diá- Figura 95 Diseño de TR al colapso, pozo prueba 3 del mandril (drift) y se prueban hidráulicamente. Tam- metro de la tubería que se fabricará. Esta sección de bién se cuenta con equipo de verificación de ultraso- acero es comúnmente llamada “tocho”. En la figura 4 nido. Los extremos se inspeccionan por el método de se muestran las barras redondas. 96 9
- 10. Tuberías Tuberías Ejemplo de Diseño de Tubería de Revestimiento. Fuga en el tubing Pérdida de circulación Datos: Jalón de 10000lbf Vel. De Introducción: 3 ft/s Pozo: Prueba 1 Domo salino a 2133-2286, Gs=19.22ppg Diámetro de TR: 9 5/8" Profundidad: 3962.4 m Desviación el pozo: Costa afuera: 137 m de tirante de agua H Inc Azim Estado mecánico: 0.0 0.00 0.00 18 5/8" Conductor Casing 0-609.6 762.0 0.00 0.00 13 3/8" Superficial Casing 0-1645.9 1447.8 45.00 0.00 9 5/8" Producción Casing 0.0-2956.6 3962.4 45.00 0.00 7" Producción Liner 2804-3962.4 Diseño: Factores de diseño: Cima base Diám Peso Grado Axial:1.6 (m) (m) (pg) (lb/p) Estallamiento:1.25 0.0 944.9 9 5/8" 47.00 N-80 Colapso:1.1 944.9 2468.9 9 5/8" 53.50 N-80 Triaxial:1.25Geopresiones 2468.9 2956.6 9 5/8" 58.40 P-110 Eventos de carga: Soporte: Figura 2 Proceso de fabricación de una tubería atmósfera y se procede al perforado. Se obtiene un esbozo cilíndrico. Este proceso es fundamental en la fabri- cación de tuberías sin costura y es lla- mado “Proceso Mannessmann”. Este esbozo se envía al mandril que con- tiene un lubricante (bórax), el cual es introducido al laminador continuo, que pasa a través de siete jaulas y calibradores. Ahí es donde se hace el tubo. Se obtienen longitudes de hasta 30 metros, con diámetro inte- Horno eléctrico de fusión Horno de afinación Vaciado de acero rior y exterior precisos, cumplien- Figura 3 Flujo del proceso de acería do con las tolerancias permitidas API. A la salida del calibrador, el diá- metro y la ovalidad son verificados Laminado: El tocho entra al horno giratorio, que con- por medio de rayo láser y posteriormente el tubo tiene nueve zonas de calentamiento, donde se al- es enviado a las cortadoras para dar el rango so- canzan temperaturas de 1200°C en forma gradual. licitado. Por último, se envía al piso de enfriamien- Al salir del horno, se envía al desescamador para to. En la figura 5 se muestra el proceso de lamina- Figura 93 Trayectoria del pozo prueba 3 Figura 92 Geopresiones del pozo prueba 3 eliminar la oxidación que sufre al contacto con la do continuo a mandril retenido. 10 95
- 11. Tuberías Tuberías Factor de Trabajo Normalizado 4. Aplicar el concepto de carga máxima. Vaciado con boquilla refractaria 0 2 4 6 8 10 Control automático de velocidad 0 · Determinar los diferenciales de presión en cada y nivel en distribuidor y molde caso de carga Control computarizado en enfriamiento Fd=1.6 · Definir los puntos máximos de carga 500 Laboratorio Baumann · Presión de estallamiento Barras redondas 215, 270, 310 y 1000 · Presión de colapso 371 mm · Carga axial Profundidad ( m ) 1500 · Triaxial · Afectar las cargas máximas por los factores de 2000 diseño 2500 5. Selección de tuberías. 3000 · Delimitar materiales por efectos ambien- tales(H2S,CO2), aplicando NACE. 3500 · Determinar grado y peso de tuberías para cum- 7 pases, 15100Kw, 11 motores de C.D. plir las cargas máximas Laminador extractor de 4 pases. 4000 Controlado por MPR, conectados al sistema computarizado de regulación. · Optimizar longitud y costo de las secciones Figura 4 Máquina de colada continua de barras redondas 2 desescamadores en línea. Figura 90Factores de trabajo en sarta del pozo prueba 2 6. Evaluar las tuberías seleccionadas. Desoxidación interior del perforado. Uniformidad del espesor. Tratamiento térmico: Existen tres tipos de tratamien- Baja excentricidad. · Determinar factores de trabajos normalizados tos térmicos: temple, revenido y normalizado. El tra- TP 3 ½” · Verificar : factores normalizados > 1 tamiento térmico de temple y revenido es utilizado Figura 5 Laminado continuo a mandril retenido. Tipo para tuberías de acero C75, L80, N80, TRC95, P110, M.P.M. (Multitand Pipe Mill) 7. Selección de juntas TAC 110, Q125 y TAC140. Prueba de Inspección electromagnética. Se hace con · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de- Temple: El tubo es llevado a un horno. Ahí se au- el equipo AMALOG IV, donde se detectan defectos menta gradualmente la temperatura hasta 860°C, longitudinales y transversales, internos y externos. limitar el número de juntas esto modifica la estructura molecular del acero a Asimismo, se mide el espesor de la pared del cuerpo HW 3 ½” · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de una austenita. Posteriormente, el tubo se sumerge del tubo y se compara el grado de acero. cada tipo de junta súbitamente en agua a temperatura de 40°C, alte- · Determinar factores de trabajo normalizados rando la estructura molecular a una martensita, la Posteriormente se cortan los extremos del tubo y cual es dura y poco dúctil. En la figura 6 se muestra se les maquinan los biseles. Para eliminar la rebaba · Verificar: Factor normalizado > 1 el tratamiento térmico de temple. se sopletea el interior del tubo y se introduce el · Seleccionar la junta considerando su costo calibrador (mandril o drift) a todo lo largo del tubo. Revenido: La tubería es introducida a un horno que DC 4 ¾” 3 8. Revisión final del diseño aumenta gradualmente su temperatura hasta 550°C. Inspección electromagnética método de vía húme- 2 El calor convierte la estructura molecular en una da: Debido a que en los extremos la tubería llevará · Determinar condiciones de carga dinámicas martensita revenida, que es dura y dúctil. Posterior- la mayor carga, ambos extremos del tubo son ins- agc 1 · Determinar el efecto de cambios axiales en las mente es recalibrado y enderezado en caliente. Se peccionados por el método de partículas magnéti- obtiene un producto con bajos esfuerzos residuales. cas para determinar posibles defectos longitudinales tuberías(pandeo, térmico) En la figura 7 se muestra el horno de revenido. y transversales. · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1 agc Normalizado: Es usado para los otros grados de tu- Roscado: Se realiza de acuerdo con las normas 9. Preparación del reporte final bería como: H40, J55, K55, etc. En este tratamiento del API, las cuales son verificadas con calibres es- Dob.C Est 4 ¾” x 6” el tubo es calentado sin llegar a la austenización de trictos. · Diseño de centradores la estructura molecular del acero. Barrena 6 “ · Revisión de la corrida Prueba hidrostática: El tubo se sumerge en una · Diseño del anclaje de TR Acabado del tubo: Se realiza bajo la siguiente se- tina que contiene fluido y se colocan elastómeros · Llenar formato preestablecido cuencia: en ambos extremos del tubo, donde se aplica una Figura 91 Esquema de sarta del pozo prueba 2 · Anexar soportes del diseño 94 11
- 12. Tuberías Tuberías Diseño de Sarta de Perforación Carga axial ( kg ) -50000 0 50000 100000 150000 200000 0 500 1000 Profundidad ( m ) Horno de Revenido 1500 Horno de Austenización 62 toneladas por hora 62 toneladas por hora 22 zonas de calentamiento 2000 9 zonas de calentamiento 3 zonas de homogeneización 3 zonas de homogeneización vigas móviles de 55 espacios 2500 Flotada vigas móviles de 45 espacios pirometros ircon con registro 3000 Aire 60 quemadores a gas natural precisión de temperatura horno +/- 5°C S-135 sistema de computación y regulación computarizados 3500 microestructura uniforme de martensita revenida G-105 4000 Figura 7 Horno de revenido X-95 Control final y embarque: Finalmente, el tubo se CUARTA ETAPA pesa y se mide. Así se tiene toda la información com- INTERVALO DE 2800 a 3500 m. pleta de rastreabilidad del tubo, para ser estarcido, DENSIDAD DE LODO = 2.15 gr/cc. estampado, barnizado y embarcado. TRAM. SECC DIAM LONG GRADO P.AJUST P.AIRE P.FLOT P.ACUM APRIETE RESIST.TENS. pg m kg/m kg kg kg pie/lbs ton En el estarcido se indican los datos del tubo como: 3 1 4 3/4 35 DC 73,8 2584 1844 1844 54000 el diámetro exterior, peso unitario, mandril, lon- 3 2 4 3/4 5,0 ESTAB 73,8 369 263 2107 54000 gitud, pruebas de inspección, manufacturado, nú- 27 3 3.5 243 HW 40,0 9720 6934 9041 21800 238 4 3 1/2 922 T P S135 21,9 20154 14377 23418 12600 161 mero de colada, orden de producción y número 18 4 4 1/2 162 T P G105 28,1 4551 3247 26665 16546 149 de tubo. 102 4 5 2138 T P X95 31,9 68208 48658 75323 19919 156 TOTAL 3505 105586 75323 75323 En la figura 8 se muestra el flujo del proceso de aca- Tina de temple por Inmersión bado del tubo (proceso de pesado, medición, Templado externo e interno estarcido y estampado). PESO SARTA EN EL AIRE = 105586 Kg Máxima longitud del tubo 14.5m PESO SARTA EN EL LODO = 75323 Kg MARGEN PARA JALAR = 81 ton 99% de transformación martensítica El control final es la última inspección detallada del Dureza homogénea a través del espesor tubo, este control puede ser: Control de presión y temperatura de agua Figura 89 Comportamiento axial, pozo prueba 2 × Inspección electromagnética (EMI); consiste en Figura 6 Tratamiento de temple medición longitudinal, rayos gama, inspección transversal y comparador de grado de acero. presión interna del 80% de su capacidad durante × Prueba ultrasónica (UT); consiste en espesor de cinco segundos, de acuerdo con la norma del pared y detección de posibles defectos longitu- API 5CT. dinales, transversales y oblicuos. 12 93
- 13. Tuberías Tuberías ción o desviación. Tampoco se pandea en pozos Margen para jalar la tubería: 81 ton. donde existen pequeños claros entre la tubería y Tuberías de revestimiento: las paredes del pozo. Información Requerida La base de este análisis parte del hecho de que la fuerza de gravedad atrae a la sarta de perforación · Trayectoria del pozo. hacia el lado inferior del pozo estabilizándola. Esto · Perfiles de geopresiones permite que la tubería de perforación sea usada · Geometría del agujero y diámetros de TR. como peso sobre la barrena, sin que llegue a · Programa de lodos pandearse. Además, cuando existen claros peque- · Especificaciones tubulares ños entre la tubería y las paredes del pozo, se pue- · Pozos correlación. a) Prueba de inspección Funciones: den aplicar cargas de compresión a ésta, sin lle- Rango: 2 3/8’’ a 18 5/8’’ Protección de defecto longitudinales gar a crear esfuerzos de flexión que causen fallas Procedimiento de diseño Detección de defectos transversales Comprobación del grado de acero por fatiga. Medición de espesor (ultrasonido) 1. Definir los eventos a los que se someterá la tube- Este método combina los dos análisis para predecir ría. la estabilidad de la sarta de perforación. Se ha de- sarrollado tomando como variables las cargas críti- · Perforación cas de compresión contra diámetro del pozo y án- Pérdida de circulación gulos, para varios tamaños de tuberías de perfora- Brote ción. El método permite que la tubería de perfora- Desplazamiento con gas ción se usa como peso sobre la barrena en pozos Migración de gas fuertemente desviados. Pruebas Cementación Para el diseño de la TP se realiza un análisis de la , Corrida de Tubería carga axial vs profundidad. Se establece que la re- sistencia a la tensión del cuerpo del tubo sea supe- · Producción b) Corte de extremos y biselado c) Prueba hidrostática rior a la carga axial. Esto proporciona la magnitud Inducción Rango: 4 1/2’’ a 13 3/8’’ Máxima presión de prueba del margen de trabajo para jalar la tubería en caso Cambio de fluidos Taylor Wilson de cabezal 15,000 psi necesario. Fuga en tubería giratorio Rango: 4 1/2’’ a 13 3/8’’ Producción Herramienta de carburo de Registro de presión y tiempo Ejemplo de Diseño de una sarta de perforación Inyección tugsteno (ver figuras 89 a 91) Pruebas Estimulaciones DATOS: 2. Definir condiciones de diseño. Pozo: Prueba 3 Etapa No. 4 · Factores de diseño Agujero: 6" · Criterio de falla Profundidad: 3500m Diámetro de TP: 5" x 4 ½" x 3 ½" 3. Determinar las condiciones de carga para cada Densidad lodo: 2.15 gr/cc evento establecido. PSB: 4 ton. Perforar vertical. · Presión interna · Presión externa d) Inspección de extremos por e) Pesado, medición, estarcido y DISEÑO: · Carga axial partículas magnéticas vía estampado · Flotación húmeda Rango: 4 1/2’’ a 13 3/8’’ · Fricción Longitud máxima: 14.5 m. Aparejo de fondo: 283 m Pendular Registro de peso y longitud · Flexión TP: 3222m Identificación de norma · Fuerzas de choque Grados de Tubería: S-135,G-105,X-95 · Térmicas Punto neutro: 2200m · Peso al aire Figura 8 Flujo del proceso de acabado del tubo 92 13
- 14. Tuberías Tuberías Propiedades del acero es de interés primario para el análisis de tratamientos térmicos. Las aleaciones con más del 2% de carbono Metalurgia se clasifican como fundiciones. El acero puede tratarse térmicamente para produ- Las líneas continuas muestran el equilibrio entre cir una gran variedad de microestructuras y propie- Fe3C y varias fases del hierro, mientras las líneas dades. Existen dos diagramas de equilibrio que le discontinuas muestran el equilibrio entre el grafito dan forma y naturaleza al acero. y otras fases. El diagrama se emplea solo a presio- nes de una atmósfera. Las aleaciones fierro-carbono, que contienen car- bono libre (grafito) correspon- den a un estado estable. El otro tipo de aleación contiene el car- bono bajo una combinación de Fe3C o cementita y que corres- ponde a un estado metaestable. × Diagrama Fe-Fe3C × Diagrama Fe-C En el diagrama de equilibrio se definen las regiones de compo- sición-temperatura, donde las distintas fases de acero son es- Figura 88 Punto neutro en una sarta Temperatura °C tables, así como, los límites de equilibrio entre las regiones de es igual al peso sobre la barrena". Este punto neu- las fases. tro, no es el mismo que el punto en el cual no exis- ten ni tensión ni compresión. Este punto no es afec- Para las aleaciones formadas ex- tado por la presión hidrostática. clusivamente de Fe-C, el diagra- ´ ma de equilibrio debe conside- En el estudio de pandeo de sartas de perforación, rarse como una guía. Cualquier se derivan niveles críticos de pandeo para varios proporción de algún otro ele- diámetros de lastrabarrenas y tuberías de perfo- mento en el acero, modifica los ración. El análisis de Lubinski demuestra que los límites de las fases. lastrabarrenas se pandean y que bajo condicio- nes normales de perforación se pandean cuando Para que el diagrama de equili- menos una vez y en algunas ocasiones hasta dos brio sea valido, las aleaciones y tres veces. deben estar en estado de equi- librio. Es decir, la velocidad de Se asume que para altos niveles de pandeo, el punto calentamiento y de enfriamien- tangencial ocurre en el punto neutro y que el punto to debe ser lo suficientemente inicial de pandeo no se altera significativamente. Esta lenta para permitir que el fenó- Porciento peso del carbono característica de niveles altos de pandeo, igualando el meno de difusión (carbono) se punto neutro es la base del diseño de aparejos de fon- efectúe. do de este método. Figura 9 Diagrama de equilibrio Fe-C hasta 7% de Carbono: Fe-Fe3C (Líneas continuas) Método de Paslay y Dawson La figura 9 muestra el diagrama Fe-Grafito (líneas discontinuas) de equilibrio Fe-C (para aleacio- nes con un contenido de carbo- Este análisis demuestra que la tubería de perfora- no de hasta 7%) y el diagrama de equilibrio Fe3C. ción pandeable bajo las condiciones establecidas El tratamiento térmico del acero se basa en la exis- Los aceros son aleaciones de hierro, carbono y otros por Lubinski, de hecho no se pandea cuando se tencia de la región de la fase austenita en el sistema elementos. El acero con un porcentaje menor al 2% Figura 87 Componentes básicos de una sarta opera en agujeros con grandes ángulos de inclina- Fe-C. El control de la austenita a otra fase permite 14 91
- 15. Tuberías Tuberías obtener la gran variedad de microestructuras y pro- tre la troostita y martensita. El ritmo de difusión es piedades del acero. muy lento para permitir el movimiento del carbono en distancias largas. La bainita tiene diferentes formas El hierro es un elemento alotrópico. A presión at- microestructurales que dependen de la temperatura mosférica puede existir en mas de una forma de de formación. La bainita inferior tiene forma lenticular cristal, dependiendo de la temperatura: y está compuesta de ferrita y cementita. La bainita su- perior esta compuesta de gruesas laminas de ferrita y × Hierro alfa (a ferrita) existe hasta 912°C una fina capa de cementita (dureza 350-450 HB). × Hierro gama (g austenita) entre 912 y 1394°C y × Hierro delta (d ferrita) de 1394°C al punto de Martensita. La martensita es una ferrita sobresaturada fusión de hierro puro 1538°C en carbono. Son placas con forma de lentes, origina- da por un cambio brusco en la masa sin posibilidad Constituyentes del acero de desarrollarse interiormente. La transformación martensítica se caracteriza por que la relación es no Austenita. Es una solución sólida de carbono en isotérmica, desplazante, sin difusión, exhibe histéresis, el hierro gama. La austenita tiene la facilidad de es isotérmica en algún grado y es autocatalítica. La disolver mucho carbono (la cantidad de carbono martensita es un constituyente muy duro y frágil (du- disuelta es del 1.7% al 2.11% a una temperatura reza 450-650 HB). de 1145°C). El carbono es un elemento que estabiliza la austenita e incrementa el rango de su Sorbita. Es un constituyente extremadamente fino formación en el acero. La austenita es muy dúctil se forma después de recalentar una estructura tem- (dureza 250-300 HB). plada martensítica. Está constituido de Fe3C en una Figura 86 Comportamiento de la carga de presión en la TP en pozo prueba 1 matriz ferrítica. La martensita revenida, presenta una Ferrita. Es una solución sólida de carbono en el buena resistencia (dureza 250- 400 HB). peso del aparejo de fondo flotando en lodo, debe Aparejo empacado: está constituido de tres o más hierro.Tiene una capacidad muy baja para disolver ser cuando, menos igual al máximo peso sobre la estabilizadores, con un lastrabarrena corto de diá- carbono. La solubilidad disminuye continuamente Composición del acero barrena. El método de Paslay y Dawson, permite que metro grande. desde un máximo de sólo 0.02% a una temperatura parte de la tubería de perforación se usa como peso de 727°C. La solubilidad a temperatura ambiente es Los aceros contienen elementos aleantes e impu- sobre la barrena en pozos con altos ángulos, sin Antes de describir la metodología de diseño, defini- despreciable (0.005%). La ferrita es un constituyen- rezas que deberán ser incorporadas a las estruc- pandearse la tubería de perforación. remos algunos conceptos aplicables en el diseño te dúctil y maleable(dureza 80-100 HB). turas austenítica, ferrita y cementita. Algunos ele- de sartas de perforación: mentos actúan como estabilizadores (mangane- La selección del aparejo de fondo se realiza con Cementita o carbono de hierro. Está compuesta de so, níquel, silicio, cromo y niobio) y algunos son la premisa de obtener la mejor conjunción de ele- Punto neutro: Para definir este concepto, iniciaremos fierro y carbono Fe3C. Es un constituyente muy duro fuertes formadores de carburo (titanio, niobio, mentos para lograr la tendencia a la desviación por establecer que existen dos formas de considerar y frágil. La cementita contiene 6.67% de carbono y molibdeno y cromo si se encuentran en grandes en las formaciones que van a ser perforadas, con- el punto neutro: el de pandeo y el punto neutro de es magnética hasta 210°C en promedio (dureza cantidades). siderando los datos de echados, fallas, fracturas tensión-compresión. El punto neutro de pandeo es el ~700HB). Factores que rigen las características mecánicas del y grado de compacidad de las formaciones (du- punto en la sarta de perforación, donde los esfuerzos acero: ras, semiduras y suaves; así como abrasivas o no axiales, tangenciales y radiales son iguales. El punto Perlita. Es un constituyente que se origina de la abrasivas). neutro de tensión-compresión es el punto de la sarta austenita y del rearreglo y redistribución del car- de perforación donde los esfuerzos axiales de tensión bono en la cementita en hojuelas de ferrita. Se da × Composición química elemental. Es el resul- Los aparejos de fondo convencionales y compresión son iguales a cero. La figura 88 muestra en un proceso de difusión debido a la actividad tado del análisis químico. La composición quí- esquematicamente estos conceptos. térmica. Contiene 0.85% de carbono y no disuel- mica condiciona la constitución fisico-quími- Aparejo de péndulo: esta técnica aplica el efecto ve el carbono. Es magnética y dúctil (dureza 200- ca y propiedades de los mismos constituyen- gravitacional para ayudar a controlar la desviación Método de flotación de Lubinski 250 HB). tes. No es modificable por tratamientos me- del pozo. Está compuesto de la barrena y varios cánicos o térmicos. lastrabarrenas de diámetro grande, un conjunto liso. Establece que el peso mínimo de lastrabarrenas en Troostita. Es similar a la perlita pero de dimensio- Puede tener estabilizadores en la sarta de lastra- el lodo, debe ser mayor que el peso aplicado sobre nes ultra-microscópicas y de dureza más eleva- × Constitución fisico-química. Caracteriza la na- barrena en una posición predeterminada arriba de la barrena. De ésta manera se asegura que la ten- da. Es un constituyente fuera de equilibrio de turaleza y la proporción de diversas fases, don- la barrena, con el objetivo de colocar el punto de dencia al pandeo permanezca en los lastrabarrenas. suave temple, se encuentra normalmente con la de la aleación fue formada. Es modificable por apoyo tan alto como sea posible, así se evita que Lubinski define al punto neutro en una sarta de per- martensita (dureza 250-350 HB). tratamientos térmicos reversibles en condicio- los lastrabarrena tengan contacto con la pared del foración cuando "el peso flotado de la porción de nes del diagrama de equilibrio Fe-C, pero no es pozo, entre el estabilizador y la barrena. una sarta de perforación debajo del punto neutro, Bainita. Es un constituyente de temple intermedio en- modificable por tratamientos mecánicos. 90 15
- 16. Tuberías Tuberías × Estructura metalográfica. Se refiere a la morfo- gunas, describen el comportamiento del material logía y la repartición de constituyentes de alea- cuando se somete a cargas. Estas propiedades afec- ciones. Es modificable por tratamientos mecá- tan las características de funcionamiento de los nicos irreversibles y modificable por tratamien- miembros de los sistemas estructurales. A continua- tos térmicos de modo reversible o irreversible. ción, se mencionan algunas de las propiedades me- cánicas más importantes: Tamaño de grano Resistencia: Es el esfuerzo máximo que un material Para que pueda producirse una cristalización, ade- puede soportar antes de que ocurra la falla. más de las condiciones de presión y temperatura, se consideran los núcleos y el efecto que tiene so- Rigidez: Se dice que una parte estructural es rígida bre la formación de cristales (nucleación). si soporta un gran esfuerzo con una deformación relativamente pequeña. El módulo de elasticidad de El tamaño de los cristales de un material cristalino un material es una medida de su rigidez. completamente solidificado, depende del número de núcleos activos y de la velocidad de crecimiento Ductilidad: Es la capacidad de un material para so- en la cristalización. Se llaman granos cristalinos a portar grandes deformaciones inelásticas (plásticas) los cristales que no pueden crecer libremente hasta antes de la fractura. Está asociada con los esfuerzos la cristalización total del líquido por interferir con de tensión y además, redistribuye los esfuerzos en cristales vecinos. El tamaño de la cristalización, es lugares de concentraciones altas de esfuerzos. decir el tamaño del grano, tiene gran influencia so- bre las características mecánicas de los metales. Maleabilidad: Es la capacidad de soportar gran- des deformaciones inelásticas (plásticas) antes de La generalización es que una parte superficialmen- la fractura. Se asocia con los esfuerzos de com- te endurecida debe tener una superficie dura so- presión. portada por una blanda, debido a que un núcleo duro Figura 84 Comportamiento axial del pozo prueba 1 es amenazado cuando el tamaño del grano del ma- Fragilidad: Es la propiedad opuesta a la ductilidad. terial es grande. Conforme el tamaño del material Un material frágil se fracturará a deformaciones uni- se vuelve grueso, decrecen las propiedades tales tarias relativamente bajas (5%). como la elongación, reducción del área, resistencia a la fatiga y la temperatura de transición de impac- Resiliencia: Es la capacidad de absorber energía en to. Se cree que es debido en parte a fracturas de el intervalo elástico de esfuerzos. dislocación, resultantes de la unión de las dislocaciones. éstas crecen en tamaño conforme el Tenacidad: Es la capacidad de absorber energía en tamaño del grano se incrementa. Así que la prolon- el intervalo inelástico de esfuerzos. gación de las fracturas, al menos, es favorecida por el incremento del tamaño de grano. Dureza: Es una medida de la capacidad del mate- rial para resistir rayaduras. Puede modificarse Se dice que los componentes de grano grueso son mediante procesos de manufactura tales como tra- más propensos a la dislocación que los de grano tamientos térmicos, trabajo en frío, templado y fino. También son más aptos para fracturarse o revenido. microfracturarse durante el templado. Los aceros de grano grueso endurecidos superficialmente tien- Maquinabilidad: Es la facilidad con la que un ma- den a la oxidación interna a lo largo de los límites terial puede maquinarse mediante operaciones ta- de grano, mientras que los aceros de grano fino pa- les como el barrenado,fresado, roscado, etc. Pue- recen favorecer la precipitación de partículas de de modificarse con las aleaciones del material con óxido dentro de los granos. otros elementos, tratamientos térmicos y el esti- rado en frío. Propiedades mecánicas del acero Dureza y endurecimiento del acero Las propiedades mecánicas tales como rigidez, duc- Una microestructura martensítica es la microestructura tilidad, fragilidad y maquinabilidad, por nombrar al- más dura que puede producirse en cualquier acero al Figura 85 Comportamiento de la temperatura en pozo prueba 1 16 89
- 17. Tuberías Tuberías Diseño: Diseño de sartas de perforación carbono. Pero sólo se puede lograr si se evita la trans- y enfriarlo en condiciones convenientes. De esta for- formación de la austenita en mezclas de ferrita y ma, se modifica la estructura microscópica de los Cima-base Diam. Grado Peso El diseño de sartas de perforación se dividirá en dos cementita. La dureza es la resistencia a la deforma- aceros, se verifican transformaciones físicas y a ve- 0.0-5182 3½ C-75 12.70 partes principales: ción permanente por un penetrador de tamaño y for- ces también hay cambios en la composición. 1. El diseño de aparejos de fondo y ma específicos, bajo una carga estática. Todos los tratamientos térmicos consisten en so- Soporte: 2. El diseño de la tubería de perforación y conexio- Para determinar si una pieza de acero ha sido o no meter un metal a un ciclo definido de tiempo-tem- nes endurecida, depende del contenido de martensita peratura. Se divide en tres etapas: en la microestructura. Si existe menos del 50% de El diseño de aparejos de fondo de una sarta de per- 1. Calentamiento martensita, se dice que el material no tiene condi- foración en un pozo debe asegurar suficiente peso ciones de endurecimiento. La máxima dureza de 2. Mantenimiento de la temperatura así se previene la tendencia al pandeo en la tubería cualquier acero está asociada con la estructura com- de perforación y se reducen las posibilidades de 3. Enfriamiento pletamente martensítica. pegaduras por presión diferencial. El ritmo de calentamiento es importante cuando el Esta estructura se puede lograr si las difusiones y acero se encuentra en condiciones de grandes esfuer- Un aparejo de fondo típico se compone de las si- transformaciones dependientes de la austenita son zos, tales como los producidos por un severo trabajo guientes herramientas mostradas en la figura 73: anuladas debido a un enfriamiento rápido. en frío o por un endurecimiento previo. En tales con- Cuando es enfriado bajo ciertas condiciones, la capa- diciones el ritmo de calentamiento debe ser lento. Existen varios métodos para realizar el diseño de cidad de un acero para transformarse parcial o total- aparejos de fondo para sartas de perforación. El El objetivo de mantener la temperatura de tratamien- mente de austenita a martensita en una profundidad método de flotación de Lubinski permite calcular la to es para asegurar la uniformidad de la temperatu- dada, es el proceso físico para definir el endurecimiento. longitud mínima de lastrabarrenas que pueden usar- ra a través de todo su volumen. se para prevenir la tendencia al pandeo de la tube- Efecto del carbono Figura 82 Factores de trabajo, pozo prueba 1 La estructura y las propiedades del acero dependen ría de perforación. Este método establece que el La capacidad de temple del acero aumenta con el de su ritmo de enfriamiento y éste a su vez, es con- 25000 contenido de carbono, desempeñando dos papeles trolado por factores tales como la masa, el medio en el templado del acero: para templar, etcétera. 20000 1. 0.6% de Carbono, facilita el sobreenfriamiento Los tratamientos térmicos más importantes son: de la austenita a 93.3°C, facilitando el templado Templado: Tiene por objetivo endurecer y aumen- del acero. El carbono actúa como retardador, 15000 Tri-axial 1.250 tar la resistencia de los aceros. Burst 1.100 Tension 1.300 disminuyendo la velocidad de transformación. Revenido: Es un tratamiento que se aplica después 2. El carbono presente en la martensita recien for- 10000 de que una pieza de acero ha sido previamente tem- mada aumenta la dureza, el carbono disuelto o plada. El objetivo de hacerlo es disminuir la dureza y parcialmente precipitado en forma de cementita, Presión (psig) resistencia de los aceros templados. Así se eliminan 5000 es probablemente el factor más importante que las tensiones internas creadas en el templado y se hace a la martensita dura. Condiciones iniciales mejora la tenacidad, se estabiliza la estructura, se 0 Ensayo de dureza cambia el volumen. Al final, el acero queda con la Producción estabilizada dureza deseada. Cierre Los ensayos de dureza Brinell y Rockwell se basan -5000 Prueba de presión en la resistencia a la penetración que opone la su- Recocido: El objetivo principal es ablandar al acero, Evacuación total perficie del cuerpo en exámen a una esfera durísi- regenerar su estructura o eliminar tensiones inter- ma o a una punta de diamante que trata de penetrar nas. Es decir, desarrolla una estructura no marten- -10000 Jalón mientras se corre bajo una carga preestablecida. La dureza máxima sítica de baja dureza y alta ductilidad. Fuga en TP obtenida en el acero martensítico nunca excede una Producción por 1 año Normalizado: Consiste en un calentamiento a una -15000 Collapse 1.000 dureza Rockwell C68 y una Brinell de 745. temperatura ligeramente más elevada que la crítica Tratamiento con ácido Tratamientos térmicos de los aceros superior, seguido de un enfriamiento en aire. De esta Note: Limits are approximate Después del tratamiento -20000 forma el acero obtiene una estructura y propieda- Los tratamientos térmicos de los aceros tienen por -300000 -225000 -150000 -75000 0 75000 150000 225000 300000 375000 des que arbitrariamente se consideran como nor- objetivo mejorar las propiedades y características males y características de su composición. Tension (lbf) de los aceros, para obtener propiedades deseadas Figura 83 Envolvente triaxial o criterio de falla para diseño de TP en pozo prueba 1 de éstos. Consiste en calentar y mantener al acero a Se utiliza para piezas irregulares y también sirve para temperaturas adecuadas durante un cierto tiempo destruir los efectos de un tratamiento anterior de- 88 17
- 18. Tuberías Tuberías fectuoso. Elimina tensiones internas y se uniforma también cuenta con un elemento de sello y un ele- el tamaño del grano del acero. Se emplea para ace- mento hombro de paro, elementos que represen- ros al carbono o de baja aleación. tan o simbolizan parte de los esfuerzos realizados por alcanzar lo ideal en una conexión. Esferoidización Las microestructuras esferoidizadas son las El miembro roscado externamente es llamado el microestructuras más estables encontradas en ace- de tubería o piñón. El miembro roscado interna- ros. Se forman en cualquier estructura previamente mente es llamado caja ( en algunos casos cople ). calentada a altas temperaturas y tiempos suficien- Un cople funciona uniendo dos piñones, el cual temente largos para permitir el desarrollo y difusión es un pequeño tramo de diámetro ligeramente ma- de las partículas de carburo esféricas. yor, pero roscado internamente desde cada ex- tremo. Los piñones pueden ser del mismo espe- Conexiones o juntas sor del cuerpo del tubo (Non Upset) o de mayor espesor (Upset). Top of Cement Debido a que las tuberías que se utilizan en los po- (cima del cemento) zos tienen un límite en longitud (básicamente entre Clases de juntas 9 y 13 metros) es necesario que estas tuberías que- den unidas al introducirse en el pozo, con la premi- Existen dos clases de juntas, de acuerdo con su sa de que la unión entre ellas sea hermética y capaz forma de unión con la tubería. de soportar cualquier esfuerzo al que se someterá la tubería. A esta unión o conexión efectuada entre 1. Acopladas: Son las que integran un tercer ele- dos tuberías se le conoce como JUNTA o CONEXION mento denominado cople, pequeño tramo de de tuberías. Actualmente, en la industria petrolera, tubería de diámetro ligeramente mayor y y en especial en el ámbito de perforación, se utili- roscado internamente, el cual, une dos tramos zan diferentes tipos de conexiones, por lo que hay de tubería roscados exteriormente en sus ex- que estudiar y comprender los conceptos básicos tremos, como lo muestra la figura 10. sobre estos dispositivos mecánicos, y seleccionar de acuerdo a su uso, la conexión más apropiada. La 2. Integrales: Son las que unen un extremo de la conexión ideal es aquella que es idéntica al cuerpo tubería roscado exteriormente como piñón y del tubo. Es decir, que geométricamente y en térmi- conectándolo en el otro extremo de la tubería nos de su desempeño mecánico sea igual al cuerpo roscado internamente como caja, ver figura 11. del tubo. Esto significa que la junta ideal debería tener tanto sus diámetros exterior e interior exacta- Clasificacion mente iguales al de la tubería, y su capacidad de resistencia (mecánicamente) igual o superior a la re- Las juntas pueden clasificarse de acuerdo con el tipo sistencia de la tubería. Para lograr lo anterior, se han de rosca como: API y Premium. realizado y diversificado los esfuerzos por parte de las compañías fabricantes de juntas, pero con la par- ticularidad de no lograr el diseño ideal de junta. Por API un lado se han diseñado juntas que cumplen geométricamente, pero a expensas de sacrificar la De acuerdo con las especificaciones API de elemen- capacidad de resistencia a valores incluso del or- tos tubulares, existen únicamente cuatro tipos de den del 55% de la resistencia (en tensión) del cuer- roscas: po del tubo. En otros casos, se logra diseñar juntas × Tubería de líneal con un desempeño mecánico igual o superior al × Redondas cuerpo del tubo, pero a expensas de sacrificar su × Butress aspecto geométrico, con dimensiones superiores a × Extreme line las del tubo. Premium o propietarias Básicamente una junta o conexión está constituida Son juntas mejoradas a las API y maquinadas por Figura 81 Estado mecánico, pozo prueba 2 por dos o tres elementos principales. Estos son: un piñón, una caja y la rosca. Se dice que una junta fabricantes que patentan el diseño en cuanto a cam- 18 87
- 19. Tuberías Tuberías 6. Evaluar las tuberías seleccionadas. Factores de diseño: × Evitar el «brinco de roscas» (jump out) en pozos con alto ángulo de desviación. · Determinar factores de trabajos normalizados Axial:1.6 × Mejorar la resistencia a presión interna y externa. · Verificar : factores normalizados > 1 Estallamiento:1.25 × Disminuir esfuerzos tangenciales en coples. Colapso:1.1 × Facilitar la introducción en agujeros reducidos. 7.Selección de juntas Triaxial:1.25 × Evitar la turbulencia del flujo por cambio de diá- metro interior. · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de Desviación: × Múltiples conexiones y desconexiones en po- limitar el número de juntas zos de prueba. · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de H Inc Azim × Sellos mejorados. cada tipo de junta 0.0 0.00 0.00 · Determinar factores de trabajo normalizados en 640.1 0.00 0.00 La diferencia más significativa entre las roscas API la junta 1021.1 25.00 0.00 y las roscas Premium es el tipo de sello: · Verificar: Factor normalizado > 1 4419.6 25.00 0.00 · Seleccionar la junta considerando su costo 4572.0 15.00 0.00 En las roscas API el sello puede ser: 5334.0 15.00 0.00 8.Revisión final del diseño Sello Resilente: Mediante un anillo u O Ring de VSection Ref Plane: through wellhead origin on azimuth 0.0 deg teflón o materiales similares (utilizadas para pre- · Determinar condiciones de carga dinámica 0.0 siones excesivamente bajas), a veces sólo fun- · Determinar el efecto de cambios axiales en las tu cionan como barreras contra la corrosión. Figura 10 Junta acoplada berías (pandeo, balonamiento, pistoneo, térmico) 1000.0 · Determinar longitud de sellos (empacador). Sello de interferencia: Es el sello entre roscas Prof. Vertical(m) · Determinar paso de herramientas. originado por la interferencia entre los hilos de · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1 2000.0 la rosca al momento de conectarse mediante la conicidad del cuerpo de la junta y la aplicación 9.Preparación del reporte final 3000.0 de torsión. El sellado propiamente dicho es cau- sado por la grasa aplicada, la cual rellena los · Llenar formato pre-establecido microhuecos entre los hilos de la rosca. · Anexar soportes del diseño 4000.0 · Factores normalizados vs profundidad En las roscas Premium el sello es: · Líneas de diseño vs profundidad 5000.0 · Envolvente triaxial por sección Metal-Metal: Se origina por la presión de con- 0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 tacto entre planos deslizantes adyacentes. Es Ejemplo de Diseño de una Tubería de producción Desplazamiento (m) decir, existe un contacto metal metal entre el pi- (ver figuras 80 - 86): ñón y la caja de la junta. Datos Figura 80 Trayectoria, pozo prueba 1 Tipos de juntas Pozo: Prueba 2 Diámetro de TP: 3 1/2" Las conexiones pueden definirse de acuerdo con el Profundidad: 5334 m Eventos de carga maquilado de los extremos de la tubería como: Costa afuera: 91 m de tirante de agua Producción estabilizada Recalcadas Estado mecánico: Prueba de presión Figura 11 Junta integral Formadas (Semiflush) Cierre de pozo Lisas (Flush) 30" Conductor Casing 0-183 Fuga en el tubing bios en la rosca y/o a la integración de elementos Acopladas 20" Superficial Casing 0-609 Evacuación total adicionales como sellos y hombros que le propor- Producción por un año cionan a la junta características y dimensiones es- 13 3/8" Intermedia Casing 0.0-2956.6 En una nueva nomenclatura a nivel internacional, peciales para cubrir requerimientos específicos para 9 5/8" Intermedia 0.0-4572 Jalón durante corrida se identifican los anteriores tipos de juntas con las la actividad petrolera, tales como: Tratamiento con ácido siguientes siglas : 7" Producción 0.0-5334 3½ Tubing 0.0-5182 Después del tratamiento 86 19
- 20. Tuberías Tuberías MTC: Acopladas Tipos de roscas La evaluación del diseño de centradores para tube- Procedimiento de diseño rías de revestimiento no es recomendable para lle- MIJ: Recalcadas A continuación se presentan los diferentes tipos varlo a cabo en pozos con problemas de estabi- 1. Definir los eventos de producción a los que se geométricos de roscas existentes en diseño, tanto lidad por efecto de la acción lodo. Esta formación someterá la tubería. SLH: Semilisas o formadas para JUNTAS API como para PREMIUM: propicia un mal manejo operativo de los centra- dores. Así mismo, no es recomendable en pozos · Introducción IFJ: Integrales lisas a) Redonda de hilos denominados "slim-hole" o de diámetro reducido, - Inducción debido al fuerte incremento de las fuerzas de arras- · Cambio de fluidos Recalcadas: Se incrementa el espesor y diámetro tre para introducir las tuberías o por efecto de los · Jalón a la TP exterior de la tubería en uno o en ambos extremos problemas operativos para correr la tubería. · Fuga en tubería en un proceso de forja en caliente, a los que poste- · Producción riormente se les aplica un relevado de esfuerzos. V. METODOLOGIA PARA EL DISEÑO MECANICO · Transitorios · Permanente Resistencia a la tensión 100% b) Buttres La metodología empleada actualmente para el di- · Inyección 10° 3° seño mecánico de las tuberías de revestimiento, tu- · Pruebas berías de producción y sartas de perforación tiene · Estimulaciones sus raíces en el concepto determinístico, cuyas ba- Figura 12 Conexión del tipo recalcada ses consisten básicamente en la obtención de las 2. Definir condiciones de diseño. cargas y la valoración de la capacidad de resisten- cia de la tubería. Este planteamiento quedó expre- · Factores de diseño Formadas: El extremo piñón es suajeado (cerrado) sado en los temas tratados anteriormente. Sin em- · Criterio de falla c) Enganchada bargo, es necesario recapitular los temas para sin- y el extremo caja es expandido en frío sin rebasar el FA FC 5% en diámetro y el 2% en espesor, aplicando un tetizar la forma en la que un ingeniero de perfora- 3. Determinar las condiciones de carga para cada relevado de esfuerzos posterior. 10° ción debe realizar el trabajo de diseño, que hemos evento establecido. 3° venido mencionando como proceso de diseño. Des- Resistencia a la tensión 70-85% de un punto de vista mecánico, las tuberías pueden · Presión Interna diseñarse bajo un mismo esquema de selección. Es · Presión Externa decir, se debe revisar la resistencia ante la imposi- · Carga axial d) Doble enganchada ción de las cargas. Sin embargo, la aplicabilidad de · Flotación Figura 13 Conexión formada (suajeada) FA FC cada una de ellas (TR,TP y sarta) ha hecho posible · Fricción imaginar una diferencia en el diseño. La única con- · Flexión Lisas: Se maquilan las roscas directamente sobre sideración importante en el diseño de sartas es la · Fuerzas de choque los extremos del tubo sin aumentar el diámetro ex- estimación de la FATIGA, que no es mas que sinóni- · Térmicas terior del mismo. mo de degradación de la capacidad de resistencia · Peso al aire de la tubería, y que debe ser considerada en el pro- Resistencia a la tensión 55-65% Figura 16 Esquemas de tipos de roscas pósito de revisión. A continuación se presentan los 4. Aplicar el concepto de carga máxima. procedimientos de diseño para las tuberías utiliza- das en un pozo: · Determinar los diferenciales de presión en cada Para seleccionar las juntas propicias a utilizar en caso de carga Figura 14 Conexión del tipo lisa un pozo hay que analizar las ventajas y desventa- Tubería de producción · Definir los puntos máximos de carga jas de cada tipo de conexión: · Presión de Estallamiento Acopladas: Se maquila un piñón en cada extremo Información requerida · Presión de Colapso del tubo y se le enrosca un cople o una doble caja, API · Carga axial quedando el tubo con piñón de un extremo y caja el · Trayectoria real del pozo. · Afectar las cargas máximas por los factores de diseño otro extremo. Ventajas: Económica. · Estado mecánico del pozo. Resistencia a la tensión 85-94% Desventajas: Enrosque complicado, aprie- · Fluido empacador. 5. Selección de tuberías. te geométrico, sello no hermético, escalo- · Especificaciones tubulares nes internos, menor resistencia a los es- · Delimitar materiales por efectos ambientales · Pozos correlación. fuerzos triaxiales. · Determinar grado y peso de tuberías para cumplir · Condiciones ambientales las cargas máximas Figura 15 Conexión acoplada · Esquemas de producción esperados. · Optimizar longitud y costo de las secciones 20 85
- 21. Tuberías Tuberías Premium Grasa para roscas Ventaja: Enrosque fácil, sello hermético, De acuerdo con el API (Bul 5A2), se debe utilizar un apriete controlado, mayor resistencia a los elemento graso para generar una buena conexión esfuerzos triaxiales. entre los elementos piñón y caja. Por lo que es ne- cesario agregar un componente graso al piñón de Desventaja: costo elevado. una junta para mejorar el apriete y garantizar la hermeticidad. Las características que debe tener este Eficiencia de juntas elemento graso son las siguientes: Una forma directa de dimensionar la capacidad 1. Cualidades de lubricación adecuada para pre- de resistencia de una junta se ha establecido me- venir el desgarre de las roscas. diante el concepto de eficiencia de la junta. Se 2. Ninguna tendencia a desintegrarse ni observar define como un número expresado en porcentaje cambios radicales de volumen a temperaturas de resistencia, generalmente a la tensión, respec- de hasta 300° F. to a la resistencia a la tensión del cuerpo del tubo. 3. No comportarse excesivamente fluida a tem- Esto quiere decir que una junta con 100% de efi- peraturas de hasta 300° F . ciencia tiene una resistencia similar o mayor a la 4. Propiedades de sello suficientes para prevenir tubería. De otra forma: fugas a temperaturas de hasta 300° F. 5. No secarse, endurecerse, evaporarse u oxidar- Eficiencia =Tensión en Junta / Tensión en Tubo*100 se cambiando sus propiedades físicas . 6. Resistencia a la absorción de agua. La resistencia a la tensión debe ser expresada a la 7. Suficiente capacidad para rellenar micro- mínima cedencia en ambos casos. huecos y prevenir fugas en roscas redondas API para casing y tubing bajo presiones tan Juntas para tubería de perforación. altas como 10000 psi. 8. Debe ser fácilmente aplicable con brocha a las Las conexiones en tuberías de perforación gene- roscas en clima frío. ralmente son del tipo recalcado, debido a que son sometidas como sartas de trabajo, a grandes es- Las grasas se identifican como “Thread Compound” fuerzos durante las operaciones de perforación. y se clasifican por sus componentes básicos: Por esto deben observar una mayor resistencia ante las cargas impuestas. A continuación se men- SILICONE THREAD COMPOUND cionan las juntas para tuberías de perforación más comunes: Sólidos 64% En peso Figura 79 Método de Goins Grasa 20% “ Silicones sólidos 03% “ IEU (Internal-Extremal Upset): Este tipo de juntas centradores en una sarta de TRs es el aspecto me- Silicones fluidos 03% “ El procedimiento de cálculo para obtener la distribu- tiene un diámetro mayor que el del cuerpo del cánico de la relación tubo-centrador y su resisten- ción óptima de centradores se realiza mediante un tubo y un diámetro interno menor que el cuerpo MODIFIED THREAD COMPOUND cia a las cargas impuestas por el contacto entre tubo- proceso iterativo. El cálculo por ensayo y error con- del tubo. Sólidos 64% En peso tubo o tubo-agujero. Y no obedece a un aspecto siste en suponer un determinado espaciamiento de Grasa 36% “ hidráulico como aparentemente se piensa, debido los centradores (comprendiendo entre dos puntos del IF (Internal Flush): Este tipo de junta tiene un diá- al objetivo que tienen los centradores. registro giroscópico). Después se calcula la carga la- metro interno aproximadamente igual al del tubo y El 64% en peso de sólidos en ambos casos debe teral ejercida sobre el centrador. Esta carga se compa- el diámetro externo mayor que el tubo, ya que es ser un compuesto de las siguientes proporciones: Para diseñar el espaciamiento óptimo de centradores ra con la fuerza restauradora del centrador. Si el resul- en este diámetro donde está el esfuerzo. Polvo de grafito 18% en las tuberías, es necesario calcular la carga lateral tado no es satisfactorio deberá suponerse otro Polvo de plomo 31% o de arrastre efectiva (ver análisis de torque y arras- espaciamientode repetir el procedimiento. IU (Internal Upset): Este tipo de junta tiene un Polvo de zinc 12% tre) utilizando el criterio de la severidad de la pata diámetro interno menor que el del tubo y un diá- Hojuelas de cobre 03% de perro de Lubinski y considerando los cambios Para mantener a la tubería alejada de la pared del metro externo casi igual al del tubo. de curvatura en el agujero, así como el efecto de pozo, la fuerza ejercida por un centrador contra el flotación sobre el peso de la tubería. agujero es la fuerza restauradora. Estas juntas están diseñadas para trabajar en tensión. 84 21
- 22. Tuberías Tuberías Ejemplo de juntas Proceso de maquinado vestimiento en el fondo y la cima de cada sección y hacer una gráfica de la fuerza axial contra la pro- En el mercado nacional, se manejan las juntas o A continuación se presenta el procedimiento de fundidad. conexiones para tubería de revestimiento TR y de maquinado de una junta aplicada en la planta de la producción TP que producen las compañías Prinver, compañía Prinver, uno de los principales proveedo- 2. Determinar la fuerza estabilizadora en la cima y el Hydril y Tamsa. Sin embargo, a nivel internacional res de juntas de Petróleos Mexicanos. fondo de cada sección y hacer la gráfica de fuerza existe una gran diversidad de fabricantes. Ejemplo estabilizadora contra profundidad. de las conexiones de mayor uso actualmente se pre- Recepción de tubería sentan en la tabla 3 y en la figura 17: p1(Ai)1 - p1(Ae)1 = -p1As La tubería se descarga de los trailers en el patio de Tabla 3 Conexiones de mayor uso materiales y se corrobora de acuerdo con la docu- donde: mentación de recepción. API Acopladas R.R 8h, BCN p1 = p2 fuerza estabilizadora (psi) Preparación de extremos As = Area de sección transversal (pg2) Integrales Extrem Line Ai = Area interna del tubo (pg2) Se mandrila marcando con pintura blanca el rango Ae = Area externa del tubo (pg2) PREMIUM Acopladas VAM-ACE,VAM- correspondiente. TOP,HD-563,MVAM 3. Localizar la intersección de la línea de carga y fuer- Lisas VAM-FJL Precalentamiento. Los extremos de la tubería que se za estabilizadora para determinar el punto neutro y van a procesar se colocan dentro de la bobina de la el punto de pandeo. Este punto es, donde la fuerza suajadora y se les da un pre-calentamiento a 750°F , axial es igual al promedio de la fuerza tangencial y NJO,VAM-SLIJ,HD- con el fin de aumentar ligeramente la ductibilidad del radial. Formadas 521,HD-SLX material y disminuir la fragilidad. HD-533,HD-CS,VAM- La tendencia al pandeo se presenta debajo del pun- Recalcada ACE-XS Mandrilado, se efectúa para aumentar el diámetro to neutro. exterior en los extremos de los tubos usando una A continuación en la figura 79 se muestra una grá- fica de fuerza axial, fuerza estabilizadora contra la profundidad para ejemplificar el procedimiento de CONEXIONES Goins. Centradores de tuberías de revestimiento Los centradores son accesorios opcionales dentro de una sarta de tuberías de revestimiento. Son im- INTEGRALES ACOPLADAS portantes para garantizar una buena cementación. Mediante ellos se logra un espacio concéntrico que permite el flujo continuo de la lechada de cemento, reduciendo la resistencia al flujo uniformemente al- Figura 78 Sistema de cabezales rededor de la tubería. FORMADAS LISAS RECALCADAS API PREMIUM ( SEMILISAS ) ( FLUSH ) La colocación de los centradores es importante en en el punto libre este seleccionada para prevenir todos los pozos, especialmente en los pozos pro- cualquier tendencia de la tubería de revestimiento a fundos y altamente desviados. pandearse abajo del punto libre La selección y distribución de centradores para una API Extreme line HD-521 Vam-FJL* 8 Hilos Multi Vam* HD-SLX HD-511 10 Hilos Con el procedimiento gráfico de Goins se puede aplicación en particular de TR requiere básicamen- API Tubing Vam ACE* Vam-Ace-XS MAC II HD-513* Buttress Vam SL* determinar a partir de dónde la sarta de revestimien- te de un balance de fuerzas entre la carga de arras- Vam Fit Vam Top* to tiende a pandearse. A continuación se presentan tre o friccional impuesta por la acción del tubo so- HD-533 HD-563* los pasos del procedimiento: bre el agujero o sobre otra tubería y la resistencia que opone el material flejado del centrador. 1. Determinar la fuerza axial en la tubería de re- Las bases de diseño para estudiar la colocación de Figura 17. Juntas para TRs y TPs de mayor uso en Petróleos Mexicanos 22 83
- 23. Tuberías Tuberías R = Radio de curvatura (pg) barra cilíndrica de acero tratado térmicamente (man Maquinado de la rosca macho (piñón) f = Factor de fricción (adimensional) dril), cuyo rango habrá sido determinado previamen te. Se introduce en el interior del tubo a una longi El maquinado de piñón se realiza empleando tor- El resultado de la ecuación anterior pue- tud aproximada a la longitud de la rosca. Con este nos CNC con las cuatro operaciones básicas de de ser positivo o negativo. Depende de proceso se evitan los hilos negros. maquinado: Desbaste interior, desbaste exterior si la sarta corre en el interior del pozo, o acabado de sello y el roscado. si es jalada para sacarla. Suajado, este proceso consiste en disminuir el diá- metro interior de los extremos introduciéndolos en Inspección visual del maquinado La práctica en el campo, muestra que un dispositivo metálico cónico conocido como dado si una sarta se rota, su arrastre axial de suaje, para poder maquinar el sello. Limpieza de la pieza con aire comprimido. es menor. Para considerar esto en los modelos matemáticos, se utiliza un Relevado de esfuerzo, consiste en calentar los Verificar la presencia de filos vivos, cortes, fisuras e vector de velocidad como resultado de extremos de la tubería a 1000°F. con el fin de eli- interrupciones (rayaduras, vibraciones). la aplicación de rotación en la tubería. minar las tensiones (esfuerzos residuales) que Esta velocidad tiene dos componen- quedan en la retícula cristalina del acero. Con ello Inspección dimensional del maquinado tes: la velocidad circunferencial debi- disminuye la tendencia a que el material se haga da a la rotación de la tubería y la velo- frágil. Fosfatizado de piñones cidad axial, que es relacionada a la ve- locidad del viaje y ritmo de perforación Inspección del calentamiento Es un recubrimiento de fosfato (Zn ó Mn) que tiene en el caso de sartas de perforación. La por objetivo: Figura 77 Análisis de cargas torsionales y axiales por efecto de dirección de la fuerza friccional se asu- la fricción en un pozo Verificar las condiciones que rigen el calentamiento.- me que actúe en la dirección opuesta Evitar el amarre durante el apriete a la de la velocidad resultante. Por lo Concentricidad del tubo con respecto a la bobina Proteger de intemperismo que al incrementar la rotación de una tubería, incrementará la velocidad circunferencial. miento, se considera el esfuerzo axial que tendrá al Posicionamiento longitudinal del tubo para el correc Este recubrimiento se realiza por inmersión del ex- A la vez esta decrementará la velocidad axial. Esto anclarse en la cabeza del pozo. Obviamente, en la to calentamiento de los extremos de la tubería tremo roscado que no va acoplado (piñón) en una trae consigo una disminución en la fuerza practica el esfuerzo axial debe considerse en el di- solución de fosfato de zinc. friccional. seño de las tuberías de revestimiento. Correcto posicionamiento del pirómetro Se identifica la pieza que se va a fosfatizar Para fines de diseño, el cálculo de torque y arrastre El API estudió cuatro procedimientos para anclar Emisividad de 0.7 debe incluirse con factores de fricción críticos, en tuberías de revestimiento que se presentan a conti- Se desengrasa la rosca con una solución alcalina todos los casos de cargo así se asegura la respues- nuación: Ajuste de las temperaturas (750°F y 1000ºF) ta en resistencia a la torsión y a la carga axial de los Se enjuaga con agua a temperatura ambiente tubulares. De esta manera se garantiza que la tube- 1. Anclar TR con la misma tensión que está pre- Esta inspección se realiza al inicio de cada turno ría sea introducida, rotada, deslizada y jalada. sente cuando el desplazamiento del cemento Se realiza el fosfatizado por inmersión a tempe- haya terminado. El registro se realiza en el reporte de suajeadoras ratura durante 10 minutos La representación del modelo de torque y arrastre, 2. Anclar TR en tensión en el punto libre, que es como análisis de cargas, es generalmente mostra- generalmente considerado en la cima del ce- Inspección dimensional Se realiza otro enjuage con agua do en un gráfico de carga axial y torsional vs pro- mento. fundidad. La figura 76 muestra un ejemplo del aná- 3. Anclar TR con el punto neutral en esfuerzo axial Características: Se sopletea la rosca (secado) lisis de cargas torsionales y axiales por efecto de la (s z = 0), en el punto libre. fricción en un pozo desviado. 4. Anclar TR en compresión en el punto libre. Diámetro exterior Se aceita la rosca y se le coloca el protector Longitud de suaje Anclado de TR El primer procedimiento puede utilizarse en to- Diámetro interior Inspección de las tinas de fosfatizado dos los pozos donde la densidad del lodo no ex- Longitud de calentamiento Anclar una tubería es sentar o colgar la tubería de ceda de 12.5 lbm/gal. Los factores de diseño utili- Longitud de mandrilado La inspección se realiza al inicio de cada turno, revestimiento en el nido dentro de un cabezal, con zados sean estándar y donde el equipo de la ca- Rectitud de los extremos se verifica: el objetivo de continuar o de pasar a otra etapa de beza del pozo y fuera de la sarta de revestimiento perforación del pozo. En la figura 63 se muestra el tenga la resistencia suficiente para aguantar las La inspección se realiza tres veces por turno Tipo de acero nido del cabezal donde se ancla o cuelga la tubería( cargas del anclaje. El segundo procedimiento es El pH del desengrasante casing hanger). recomendado para pozos que excedan la densidad El registro se realiza en el reporte de suajeadora Nivel de la tina En algunos casos, al anclarse la tubería de revesti- del lodo de 12.5 lbm/gal, donde la tensión ejercida La temperatura de la solución 82 23
- 24. Tuberías Tuberías Porcentaje del contenido de fierro en la solución Inspección con cobra, que es un dispositivo cilíndri La presión en la línea de descarga (Pe) aumenta raciones de perforación en un pozo son de gran La acidez total de la solución co metálico que recorre toda la tubería para linealmente con el gasto. Pwh indica las caídas de auxilio para la selección apropiada de los elemen- La acidez libre de la solución verificar que él diámetro interior del tubo sea uni- presión en las tuberías de producción. tos tubulares. En particular, se pone énfasis en un forme estudio del torque y arrastre para la selección óp- Inspección del fosfatizado La curva Pwh indica la caída de presión en la tube- tima de la sarta de perforación. Sin embargo, tam- Inspección del ovalamiento que pudiese existir debi ría de producción. bién es útil para las tuberías de revestimiento, en Verificar la uniformidad del fosfatizado. do a la presión ejercida por las mordazas al momen particular para los "liners" o tuberías de revesti- La inspección se realiza un mínimo de tres veces to de aplicar el par de apriete La distancia entre una curva y otra indica la caída de miento cortas. por turno. El registro se realiza en el reporte de ins- presión en los elementos que representan. Así la pección en tinas de fosfatizado (piñones). Inspección de marcaduras producidas por las mor distancia mínima entre Pwh y Pwf significa la mis- La evaluación o modelación del torque y arrastre en dazas. ma caída de presión entre el fondo y la cabeza del las tuberías se realiza con varios propósitos: Los parámetros de control están dados con base en pozo. El gasto correspondiente es el gasto óptimo las especificaciones del fabricante, prácticas operativas Medición del escalón entre DI y D2. (diámetro inte buscado. · Para seleccionar la tubería con suficiente resis- de PRINVER y especificaciones técnicas de VAM rior de cople y piñón). tencia al torque y a la carga axial. Cuando Pwh es igual a Pe, se tiene el gasto máximo · Determinar los requerimientos del equipo. Colocación y apriete de coples El operador realiza estas inspecciones al 100%. El correspondiente al flujo franco, sin estrangulador. · Optimizar la trayectoria en pozos desviados. inspector de control de calidad las realiza tres ve- · Analizar el efecto de desgaste en tuberías. Este proceso consiste en la unión de la rosca macho ces por turno Todo este proceso requiere de un estudio más pro- (piñón) con la rosca hembra (cople). Para esta unión fundo y siempre respaldado por programas de cóm- El modelo de torque y arrastre más utilizado para se requiere un par de apriete, según el diámetro exte- Los registros se asientan en el reporte de inspec- puto especializados. Los cuales permitirán desarro- evaluar la magnitud de las cargas actuantes en una rior, el libraje, el espesor y el grado de acero. ción en ensamblado de coples llar este y otros procesos relacionados de manera tubería es el presentado por Johancsik et al. Con- eficaz. El analista podrá invertir el mayor de su tiem- siste de un modelo que representa a la sarta de tu- Las piezas a unir se identifican y se limpian (que La tubería nueva se recibe previamente probada, po en el ensayo, análisis e interpretación de todas o berías como un cable que es capaz de transmitir la exista correspondencia entre el cople y el piñón). cuando el cliente lo solicite. La prueba hidrostática cada una de las variables que intervienen. carga axial resultante, sin considerar los momentos consiste en la aplicación de agua a alta presión por de flexión generados. La fricción es el producto de Se introducen los parámetros de apriete a la com el interior del tubo durante un tiempo determinado. la fuerzas normales y un coeficiente de fricción. Las putadora del sistema torque-vuelta y se verifica la Así se verifica la ausencia de fugas en la junta VAM, fuerzas normales tienen dos componentes: el peso celda de carga. la cual se observa a través de un monitor flotado de la sarta y la fuerza de reacción lateral de una sarta en tensión en una sección curva en un Se engrasan adecuadamente tanto el piñón como Prueba hidrostática (opcional cuando el cliente lo pozo desviado. Las siguientes ecuaciones permiten el cople a ensamblar. solicite) cuantificar la magnitud de la fuerza normal y de fric- ción, que actúan en la tubería. Se coloca el cople en el piñón. Para realizar esta prueba es necesario colocar a los extremos del tubo, los dispositivos tapones que Se aplica el par de apriete necesario y se obtiene la consisten en un capuchón y un cabezal gráfica de apriete. La gráfica debe mostrar: El torque de hombro El capuchón tiene por un extremo una rosca hem- El torque final bra VAM y por el otro extremo una válvula de alta Los torques recomendados presión. Se coloca en el piñón VAM del tubo a pro- Figura 76 Resultado del análisis nodal La curva de apriete (número de vueltas vs bar y tiene por finalidad permitir el purgado del aire torque) en el tubo; así como también, servir de tapón Pws= Presión estática del yacimiento durante la prueba. Pwf= Presión de fondo fluyendo Inspección de la junta Pwh = Presión en la cabeza del pozo (lbf) Colocación de los dispositivos tapones Pe = Presión en la línea de descarga (lbf) Inspección de la unión cople - tubo (sellado) Ps = Presión en el separador El cabezal consta de una rosca macho VAM por utilzando la laina (hoja metálica con máximo de es- q máx = gasto máximo (lbf / ft) un extremo y de una válvula de alta presión por el pesor de 0.003”). q ópt = gasto óptimo (lbf) otro. Se coloca en el extremo libre del cople ensamblado. La finalidad de este dispositivo es Inspección con conejo, que es un disposit vo cilín- Análisis de torque y arrastre (lbf - ft) permitir el llenado de agua del tubo a probar; así drico metálico para verificar la concentricidad de la Ángulo promedio de severidad (grados) como para servir de tapón durante la ejecución junta con respecto al tubo El estudio de la magnitud de las cargas torsionales de la prueba. f: Ángulo máximo de inclinación (grados) y friccionales (arrastre) presentes durante las ope- 24 81
- 25. Tuberías Tuberías Graficando cada curva en la gráfica IPR previamente Obsérvese que la disminución del gasto en algunos Purgado Finalización del proceso. Una vez realizada la ins- obtenida, se genera una gráfica como la figura 73. diámetros, se debe principalmente a efectos de pección electromagnética, se procede a eliminar colgamiento de las fases. El purgado es un proceso que consiste en la elimi- toda cantidad de polvo en los extremos de la pieza, nación del aire del interior del tubo. rosca y sello. Se engrasan perfectamente la rosca y Determinación del diámetro con el máximo gasto el sello en ambos extremos y se colocan los protec- Condiciones de operación tores, primero manualmente y posteriormente, se Se grafican los diámetros de tubería contra los aprieta con la llave. gastos máximos. Se tiene una gráfica similar a la La presión a la que se prueba el tubo, es acorde al figura 75. grado de acero, diámetro y libraje. Se aplica la norma Colocación del sello VAMPVC. Este sello se coloca 5CT API. en los extremos de la pieza, aproximadamente a l El tiempo mínimo de duración de la prueba es de 5 pulgada después de la salida de la rosca. segundos. La inspección se realiza al 100 % Graficado de la prueba. Especificación de referencia API 5A5 Se hará un registro en el reporte de inspección de Embarque prueba hidrostática. Las tuberías inspeccionadas se estiban en el patio Estensilado de la tubería e inspección final de ex- según su diámetro. Se cargan los trailers con dicha Figura 73 Gráfica de selección de diámetros tremos tubería colocando separadores de madera entre estibas, se flejan y se amarran con cadenas. De estas gráfica se seleccionan los diámetros de flujo La tubería deberá tener los siguientes datos: que estén por debajo de la curva de IPR, para los Diámetro exterior nominal en mm. Se realizan los trámites correspondientes para per- cuales la energía del yacimiento es la suficiente para Espesor nominal. mitir la salida del producto. que los fluidos lleguen a la superficie Metraje. Tipo de rosca. Estándares sobre tuberías Gastos máximos para cada tubería seleccionada Figura 75 Gráfica para obtener diámetro Prueba no destructiva opcional cuando el cliente A nivel mundial existen varias organizaciones e Se debe graficar el gasto contra la presión a la ca- lo solicite instituciones que estudian e investigan, todo lo beza del pozo (Pwh). Se considerando constantes En la gráfica, el diámetro con mayor gasto es el F4. concerniente al tema de tuberías utilizadas para el diámetro de la línea de descarga y se obtiene una Sin embargo, si la diferencia con F3 no es significa- Esta prueba consiste en una inspección por partí- la industria petrolera. Dichas instituciones se en- gráfica como la mostrada en la figura 74. tiva, es recomendable seleccionar F3, debido a que culas magnéticas en los extremos de la tubería para focan principalmente al establecimiento de puede proporcionar una mayor vida fluyente. verificar la ausencia de defectos.Antes de ser ins- estándares para la fabricación, uso y prueba de peccionada la pieza, se verifica su identificación y materiales, como un medio de coadyuvar a los Gasto óptimo se le quitan los protectores de los extremos. ingenieros en la mejor toma de decisiones y a establecer condiciones y recomendaciones para Finalmente, para determinar el gasto óptimo de Limpieza. Los extremos se limpian con aserrín y es- el adecuado aprovechamiento de las tuberías. la tubería seleccionada, considerando todos los topa (en caso de tubería almacenada se emplea sol- elementos del sistema, se aplica el análisis nodal. vente ecológico para aflojar la grasa) en roscas, se- API Se toman como nodo de solución la cabeza del llos y parte interna del piñón abarcando una longi- pozo y se evalúan para distintos gastos. Se calcu- tud de 18". Una de las instituciones más serias y de mayor lan las caídas de presión en el sistema. Los valo- presitigio a nivel internacional y que ha trabajado para la industria petrolera desde 1919, es el res de Pwf, Pwh, Pe, se grafican contra los gastos Verificación. Inspección visual y al tacto en rosca y American Petroleum Institute ( API ). En el seno de considerados. Generan el clásico juego de curvas sello por posibles golpes, desgarramientos, escalo- dicha institución se han forjado una serie de estu- que matemáticamente representan al sistema para nes, hilos negros, rebabas y otros defectos que se dios e investigaciones que dieron lugar a lo que ac- un tiempo dado en la vida productiva del pozo y puedan presentar desde el proceso de roscado hasta tualmente se conoce como boletines o recomenda- del yacimiento. la inspección. ciones API. En la figura 76 Ps es constante. La presión del ya- Inspección con el polvo ferromagnético para detec- Los estudios sobre tuberías y conexiones que el API cimiento Pws es casi constante para un cierto pe- tar sobre el área de 18" en los extremos, defectos ha realizado, ha generado una gran cantidad de re- ríodo. La presión de fondo fluyendo Pwf varía con tales como fisuras, grietas, escamas, falta de mate- ferencias, que en muchos de los casos, aplicamos Figura 74 Gráfica para obtener gastos máximos el gasto. rial, marcaduras de mordazas. en cada una de las etapas en las que se utilizan las 80 25
- 26. Tuberías Tuberías tuberías. Es decir, primeramente los fabricantes pro- BULL 5C3-S1 ducen las tuberías requeridas acorde a las especifi- Bulletin on Formulas and Calculations for Casing, PRESIÓN PARCIAL CO2: caciones de fabricación y pruebas recomendadas Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties PRESIÓN PARCIAL H2S: por el API. Además, desde un punto de vista de di- SIXTH EDITION, NOVEMBER 1994 seño, se utilizan las condiciones de desempeño es- tipuladas en los boletines y finalmente, se aplican BULL 5C2 también las recomendaciones para el uso adecua- Bulletin on Performance Properties of Casing, do de las tuberías. Tubing, and Drill Pipe TWENTIETH EDITION, MAY 1987 A continuación se listan las especificaciones, bole- tines y recomendaciones prácticas emitidas por el BULL 5C3 API en relación con el tipo de tubería y conexión. Bulletin on Formulas and Calculations for Casing, Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties SPEC 7 SIXTH EDITION, NOVEMBER 1994 Specification for Rotary Drill Stem Elements RP 7G THIRTY-NINTH EDITION, DECEMBER 1997 Recommended Practice for Drill Stem Desing and Operating Limits SPEC 5L SIXTEENTH EDITION; AUGUST 1998 Specification for Line Pipe FORTY-FIRST EDITION, APRIL 1995 RP 5A5-S1 Recommended Practice for Supplement 1 to Field SPEC 5LC Inspection of New Casing, Tubing, and Plain Specification for CRA Line Pipe End Drill Pipe THIRD EDITION, JULY 1998 SIXTH EDITION, DECEMBER 1997 SPEC 5LD RP 5B1 Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe, Recommended Practice for Threading, Gauging, and SECOND EDITION, JULY 1998 Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Figura 72 Aplicación de la Norma NACE con la influencia de CO2 en tuberías especiales Threads SPEC 5D FIFTH EDITION, AUGUST 1999 una de las etapas de flujo por el que incurren los Una vez cumplido lo anterior, la determinación del Specification for Drill Pipe hidrocarburos. Este tipo de estudios se realizan diámetro adecuado de la tubería de producción pue- THIRD EDITION, AUGUST 1999 RP 5C1 con programas específicos que contienen todas de obtenerse aplicando secuencialmente los siguien- Recommended Practice for Care and Use of Casing las herramientas de cálculo para evaluar las con- tes pasos: SPEC 5CT and Tubing , diciones de flujo en la vecindad del pozo ( IPRs ), Specification for Casing and Tubing (U.S. Customary EIGHTEENTH EDITION, MAY 1999 el flujo multifásico en las tuberías, tanto en el in- 1. Determinación de los diámetros factibles de se- Units) terior del pozo, como en la línea de descarga, la lección SIXTH EDITION, OCTOBER 1998 RP 5A3 predicción del comportamiento PVT de los flui- 2. Determinación de las sartas máximas para cada Recommended Practice for Thread Compounds dos producidos y hasta el comportamiento del tubería o arreglo de tuberías seleccionadas. SPEC 5B for Casing, Tubing, and Line Pipe (Supersedes abatimiento de presión en los estranguladores. Su 3. Determinación del diámetro con el máximo gasto Specification for Threading, Gauging, and Thread Bull 5A2), uso es de gran interés por la integración de los 4. Determinación del gasto óptimo, considerando Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads 1st Edition, June 1996 diferentes elementos del pozo. todo el sistema de producción FOURTEEN EDITION, AUGUST 1996 RP 5A5 Detrás de la aplicación de esta técnica, existe todo Determinación de diámetros factibles de selección SPEC 5CTM Recommended Practice for Field Inspection of New un trabajo previo de investigación para determi- Specification for Casing and Tubing (Metric Units) Casing, Tubing, and Plain End Drill Pipe nar qué modelo matemático es el más apropiado Como base, se determina la curva de comportamien- FIFTH EDITION, APRIL 1995 SIXTH EDITION, DECEMBER 1997 para caracterizar el flujo de fluidos a través del to de afluencia al pozo (IPR). yacimiento, así como la correlación del flujo BULL 5A2 RP 5C5 multifásico que mejor representa el flujo en la tu- Posteriormente, las curvas del comportamiento de Bulletin on Thread Compounds for Casing, Tubing, Recommended Practice for Evaluation Procedures bería de producción, el estrangulador y la línea flujo de las diferentes tuberías de producción o di- and Line Pipe for Casing and Tubing Connections , de descarga. ferentes arreglos de tuberías de producción. SIXTH EDITION, MAY 1988. SECOND EDITION, NOVEMBER 1996 26 79
- 27. Tuberías Tuberías CONTENIDO: RP 5C6 efectos de la corrosión sobre una diversidad de mate- Recommended Practice for Welding Connections to riales, la National Association of Corrosion CONTENIDO DE C 2O EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) Pipe, Engeneering (NACE). Esta institución ha generado una CONTENIDO DE H 2 S EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) FIRST EDITION, DECEMBER 1996 serie de recomendaciones y boletines de pruebas de PRESENCIA DE CLORUROS O CONTENIDO DE NaCl EN EL AGUA EN PORCIENTO EN PESO materiales que se aplican sobre los elementos PRESION TOTAL DEL SISTEMA (PT) (PSI) RP 5C7 tubulares. Generalmente esta institución emite cada TEMPERATURA DEL AGUA EN EL POZO (°C) Recommended Practice for Coiled Tubing Operations año una revisión actualizada de sus referencias. La si- in Oil and Gas Well Services , guiente lista de referencias presenta los boletines y FIRST EDITION, DECEMBER 1996 recomendaciones más aplicables a los elementos tubulares utilizados en la ingeniería de perforación: CALCULAR: RP 5L1 Recommended Practice for Railroad Transportation MR0175-99 Sulfide Stress Cracking Resistant PRESION PARCIAL DEL C2O : of Line Pipe, Metallic Materials for Oilfield Equipment-Item No. FIFTH EDITION, DECEMBER 1996 21302 PCO2 = PT [ CONTENIDO DE C 2 O (%MOL) / 100 ] PRESION PARCIAL DEL H 2 S: RP 5L2 MR0176-94 Metallic Materials for Sucker-Rod Recommended Practice for Internal Coating of Line Pumps for Corrosive Oilfield Environments-Item PH2S = PT [ CONTENIDO DE H 2S (%MOL) / 100 ] Pipe for Non-Corrosive Gas Transmission Service No. 21303 THIRD EDITION, MAY 1987 RP0169-96 Control of External Corrosion on RP 5L3 Underground or submerged Metallic Piping System- Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Item No. 21001. Tear Tests on Line Pipe ACEROS AL Cr 12%Cr Si PCO2 > 30 PSI THIRD EDITION, JANUARY 1996 RP0191-96 The Application of Internal Plastic Coatings for Oilfield Tubular Goods and Accessories- RP 5L7 Item No. 21048 Recommended Practice Unprimed Internal Fusion No Bonded Epoxy Coating of Line Pipe, RP0192-98 Monitoring Corrosion in Oil and Gas SECOND EDITION, JUNE 1988, Production with Iron Counts-Item No. 21053 AMBIENTE CO2+H2S+CL SE PUEDE USAR RP 5L8 TM0169-95 Laboratory Corrosion Testing of Metals- ALEACIONES Cr - PH2S < 0.05 PSI Si CUALQUIER GRADO DE Ni ACERO HASTA TAC -140 Recommended Practice Field Inspection of New Item No. 21200 Line Pipe, SECOND EDITION, DECEMBER 1996 TM0171-95 Autoclave Corrosion Testing of Metals No in High-Temperature Water-Item No. 21203 RP 5LW Recommended Practice Transportation of Line Pipe TM0177-96 Laboratory Testing of Metals for ACEROS API N-80, P-110 TEMP> 79°C on Barges and Marine Vessels , Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Si ACEROS TAMSA TAC - 95, TAC -110 SECOND EDITION, DECEMBER 1996 Corrosion Cracking in H2S Environments-Item No. 21212 No Std 5T1 , Imperfection Terminology , 10th Edition, November 1996 TM0183-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings for Corrosion Control of Tubular Goods in an ACEROS API N-80, C - 95 Provides definitions in English, French, German, Aqueous Flowing Environment-Item No. 21213 TEMP > 65°C Si ACEROS TAMSA TAC- 80 Italian, Japanese, and Spanish for a number of defects which commonly occur in steel pipe. TM0185-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings for Corrosion Control of Tubular Goods by Autocla- No NACE ve Testing-Item No. 21217 ACEROS API: J-55, K-55, L-80 TIPO -1, C-95, T-95 Del mismo modo, existe otra institución que se ha TM0186-94 Holiday Detection of Internal Tubular ACEROS TAMSA TRC-80, TRC-85, TRC-90, TRC-95 enfocado desde 1943 al estudio e investigación de los Coatings of 250 to 760 micrometers (10 to 30 mils) Figura 71 Diagrama de flujo de la recomendación emitida por la norma NACE MR-0175-99 78 27
- 28. Tuberías Tuberías Dry Film Thickness-Item No. 21218 Edition Based on API Bulletin 5C3, Fifth Edition, 1989. TM0193-93 Laboratory Corrosion Testing of Metals in Static Chemical Cleaning Solutions at Tempera- ISO 11960:1996 , Petroleum and Natural Gas tures below 93°C (200°F)-Item No. 21223 Industries—Steel Pipes for Use As Casing or Tubing INICIO TM0274-95 Dynamic Corrosion Testing of Metals in for Wells , 1st Edition High-Temperature Water-Item No. 21207 Based on API Specification 5CT, Fourth Edition, 1992. TM0284-96 Evaluation of Pipeline and Pressure DISEÑO DE TUBERIAS (#Selecciones, Longitud, Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced ISO 11961:1996 , Petroleum and Natural Gas Cargas, Barrenas) Cracking-Item No. 21215 Industries—Steel Pipes for Use As Drill Pipe— Specification , 1st Edition, November 1996 TM0398-98 Laboratory Corrosion Testing of Metals Based on API Specification 5D, Third Edition, 1992. SELECCION DE TUBERIAS in Static Chemical Cleaning Solutions at Tempera- tures Above 100°C (212°F)-Item No. 21234 ISO 3183-1:1996 , Petroleum and Natural Gas Industries—Steel Pipe for Pipelines—Technical ISO Delivery Conditions—Part 1: Pipes of Requirement PARAMETROS CRITICOS: Claro radial Dfe Class A , 2nd Edition, September 1996. Longitud crítica Lc A nivel mundial, dentro del marco de globalización Based on API Specification 5L, Fortieth Edition, Presión crítica Pc de las economías, la International Standard 1992. Organization (ISO), organización enfocada a estan- darizar procesos con calidad ha avalado o certifica- ISO 3183-3:1999 , Petroleum and Natural Gas No Si do algunos de las recomendaciones y boletines del Industries—Steel Pipe for Pipelines—Technical Si Df>Dfe API, a fin de generalizar su uso en cualquier país. Delivery Conditions—Part 3: Pipes of Requirement Cabe aclarar que el API es únicamente válido en el Class C, 1st Edition, March 1996 No Si No Si interior de los Estados Unidos. Algunos países y Based on API Specification 5L, Fortieth Edition, Li>Lc P>Pc empresas como Petróleos Mexicanos lo adoptan 1992. como su estándar. SLH, MIJ No Si SLH, MIJ, IFJ, SLH ft>fe Diseño de sartas de tuberías MTC A contnuación se enlista una serie de referencias del API que tienen certificación ISO: El término “diseño” significa definir o establecer LTC,BCN BCN, SLH, las especificaciones particulares para realizar MTC ISO 9000 Quality Systems Specification for Quality una obra o producto. Es decir, definir las dimensio- Programs nes específicas de los insumos que se ocupan en la creación o construcción para lograr el objetivo. ISO 10422:1993, Petroleum and Natural Gas Por otro lado, el término “sartas de tuberías” Revisión por H2S Industries—Threading, Gauging, and significa un conjunto de tubos unidos en forma Thread Inspection of Casing, Tubing and Line Pipe continua mediante conexiones. Este término se hace Revisión de Indices de Costos Threads—Specification , 1st Edition extensivo para las tuberías de revestimiento, Based on API Specification 5B, Thirteenth Edition, producción y perforación. Por lo tanto, el término 1988. “diseño de sartas de tuberías” debe entenderse como un proceso para determinar las especificacio- ISO 10405:1993, Petroleum and Natural Gas nes que deben tener los materiales utilizados como Otra No Elaborar Reporte FIN Industries—Care and Use of Casing and Tubing , 1st sarta de tuberías (tubos y conexiones), con la pre- sección ? del Diseño Edition misa de seleccionar la(s) que más convenga(n) a Based on API Recommended Practice 5C1, Sixteenth partir de especificaciones preestablecidas, para una Edition, 1988. aplicación en particular en un pozo. ISO 10400:1993 , Petroleum and Natural Gas En el ámbito de la ingeniería de perforación, el Figura 70 Procedimiento de la selección de juntas Industries—Formulae and Calculations for Casing, término “diseño de tuberías” generalmente es Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties , 1st aplicado como sinónimo del termino “diseño de sartas de tuberías”. 28 77
- 29. Tuberías Tuberías 0 forma más clara de entender y aplicar la norma. Esta Dentro del contexto de diseño, una tubería debe in- dinámica de flujo en los estranguladores y en los Carga variablemente seleccionarse bajo dos esquemas de consideración debería aplicarse dentro del mismo disparos, y hasta las propiedades PVT (presión, Cedencia proceso de selección de tuberías, puesto que se re- ingeniería diferente: por un lado, las tuberías de- volúmen temperatura) de los fluidos. La figura 18 2000 visa la carga por presión y la acción de temperatura ben estar condicionadas a su capacidad de flujo y a muestra una gráfica típica del comportamiento gas- sobre los tubulares. las condiciones de operación de un fluido circulan- to contra presión, resultante de un análisis nodal. El 4000 do a través de ella. Para ello, se debe realizar un resultado de aplicar esta técnica permite a los inge- MD (f t ) Ante el ataque simultáneo de gases de H2S y CO2 se análisis de flujo (Ej. análisis nodal para tuberías de nieros de diseño obtener los diámetros de tubería 6000 recomiendan aceros denominados "especiales", dada producción) para determinar la mejor opción en de producción más propicios para la extracción de la naturaleza anticorrosiva para lo cual fueron diseña- cuanto a diámetro de tubería, que garantice y man- los hidrocarburos. También, esta técnica se puede 8000 dos. La fabricación de las tuberías especiales cuentan tenga un desempeño eficiente en condiciones de utilizar para identificar la condición de flujo más des- con aleaciones que evitan la propagación de la corro- flujo. Por otro lado, y materia de este apartado, está favorable dentro del sistema de producción, con el 10000 sión en la superficie metálica. Generalmente se les lo correspondiente al diseño “mecánico”, que sig- fin de mejorarla o corregirla. conoce como CRA (Corrosion Resistant Alloys). Estas nifica analizar el desempeño mecánico de una tu- tuberías tienen un costo por demás elevado y su ma- bería ante la imposición de diferentes cargas. P 12000 Pws nejo debe ser cuidadosamente revisado. Las tuberías 40.0 80.0 120.0 160.0 denominadas cromadas ( 13%cromo y níquel ) son A continuación se detallan las dos clases de diseño Pwf Esfuerzo VME (ksi) en materia de tuberías: A de este tipo especial de acero, y existen en el merca- Figura 69 Gráfica de diseño triaxial do internacional (compañías japonesas como NKK y Sumitomo ). Un procedimiento de selección de este 1) Diseño hidráulico Pwh magnitud de resistencia a la carga axial resulte la tipo de tuberías de acuerdo a las condiciones de pre- más económica. Esta práctica es común hoy en día. sión y temperatura y CO2 presentes en un pozo puede Al ser conductos que permiten el flujo de fluidos en Sin embargo, partiendo de la selección de juntas, ser aplicado siguiendo el diagrama de flujo mostrado el interior de un pozo, las tuberías están sujetas a P e debemos establecer un análisis mecánico para eva- en la figura 72. las condiciones de operación prevalecientes duran- luar el desempeño de una junta para definir su se- te la circulación de los diferentes fluidos que las ocu- Ps lección en un diseño tubular. Este tipo de análisis se Debido a lo costoso de este tipo de tubería (aproxi- pan. Estas condiciones deben regularse, contro- realiza mediante métodos denominados FEA ( Finit madamente de 3 a 8 veces el costo de una tubería larse y manejarse apropiadamente para satisfacer q óptimo q máximo q element analisys ) que son complicados de aplicar convencional), en Petróleos Mexicanos no se usan los requerimientos óptimos, desde un punto de vis- Figura 18 Análisis nodal en aparejos de producción para fines prácticos, pero que en la actualidad son hoy en día. Sin embargo, su aplicabilidad es cada ta de ingeniería. el único medio para medir el desempeño mecánico vez más propicia por efecto de las grandes cantida- Pws = Presión estática del yacimiento de una junta cuando esta sujeta a diferentes situa- des de sulfhídrico y CO2 que se produce en algunos Lo anterior significa que debemos recurrir al aná- Pwf = Presión de fondo fluyendo ciones de carga. Una alternativa por demás incipien- Campos del territorio Nacional. lisis del comportamiento de flujo de fluidos para me- Pwh = Presión en la cabeza del pozo te para iniciar el proceso de selección de juntas se dir el impacto que tiene el aspecto geométrico de Pe = Presión en la línea de descarga muestra en la figura 55, en la cual se presenta un Selección hidráulica de tubería de producción los tubulares. El diámetro de los tubulares es el fac- Ps = Presión en el separador diagrama de flujo para elegir, de acuerdo a la nueva tor de mayor influencia en el comportamiento diná- qmax = gasto máximo nomenclatura en uso de juntas, el tipo de junta más La definición del diámetro o diámetros nominales, mico de los fluidos, y su estudio. Ello permitirá de- qópt = gasto óptimo recomendable. por donde fluirá la producción de un pozo se realiza terminar el diámetro de tubería que proporcione las mediante el uso de la técnica de análisis nodal. Sin condiciones más favorables para una aplicación en En lo que respecta a sartas de perforación el análi- Revisión por corrosión importar la condición de flujo (natural o artificial), el particular. Por lo tanto, lo podemos definir el térmi- sis del CÁLCULO HIDRÁULICO se utiliza como téc- análisis nodal permite obtener las mejores condi- no diseño huidráulico, como el resultado de aplicar nica para estudiar y cuantificar las variables que tie- Ante la problemática de las tuberías por el efecto ciones de flujo tanto en producción como en aho- una técnica específica para el análisis del compor- nen impacto en el comportamiento de flujo durante corrosivo de contaminantes como el H2S y el CO2 rro de energía. Así se alarga la vida productiva de tamiento de flujo en una tubería que permita selec- las operaciones de perforación, en el que se toma es requerible que las tuberías seleccionadas dentro un pozo. La selección del diámetro de la tubería de cionar el diámetro óptimo de operación (interno o en cuenta, la interacción reológica de los fluidos de del proceso de diseño se revisen por la acción de producción consiste en de efectuar un análisis hi- externo). perforación y su capacidad de transporte de recor- dichos contaminantes. El criterio de selección que dráulico para una basta variedad de condiciones de tes, a fin de seleccionar apropiadamente el diáme- debemos aplicar y que está vigente, es el recomen- producción (cambios de tamaños de tubería, gas- Una de las técnicas más utilizadas para optimizar la tro de la sarta. En este análisis se considera tam- dado por la NACE. Bajo este criterio se determina tos de producción, presiones de separación, etc). selección geométrica de los aparejos de producción bién la influencia del comportamiento hidráulico qué grado de tubería es más recomendable ante la Bajo un criterio de xplotación predeterminado esto es el ANALISIS NODAL, técnica que considera to- en la barrena y el aparejo de fondo. acción o carga corrosiva del H2S, a las diferentes permite obtener bajo un criterio de explotación pre- dos los aspectos de flujo que toman lugar en el pozo, condiciones de presión y temperatura La figura 71 determinado, el tamaño del aparejo de producción, tales como: el comportamiento a nivel de yacimien- En el caso de tuberías de revestimiento, donde re- representa un diagrama de flujo de la recomenda- Mediante el cual éste genera la máxima producción to-pozo (IPR), los diferentes patrones de flujo en con- lativamente no se aplica una técnica específica, para ción emitida por la norma NACE MR-0175-99. Es una posible, con el mayor ahorro de presión en cada diciones multifásicas, tanto en las tuberías de pro- medir el impacto por efectos hidráulicos que pudie- ducción, como en la línea de descarga, la condición ra servir para definir el diámetro apropiado, es con- 76 29
- 30. Tuberías Tuberías veniente mencionar que durante la etapa de solo hecho, da lugar a lo que llamamos análisis mecá- la selección de las tuberías con métodos y procedi- 0 Carga cementación de la lechada de cemento, las seccio- nico de las tuberías. Este análisis que nos permite me- mientos gráficos. El método gráfico por excelencia es nes de flujo generadas por el diámetro exterior de dir el impacto real de las cargas sobre la capacidad de el denominado "Carga Máxima", que como ya se dijo, Resistencia 2000 la TR y el calibre del agujero de un pozo, juegan un resistencia de una tubería. se usa para evaluar las cargas actuantes en una tube- papel trascendental para optimizar la velocidad de ría. Es sin embargo, un método que propuso el segui- 4000 desplazamiento del cemento. Además, durante las Generalmente, es recomendable considerar como miento a la representación gráfica de la relación carga MD (ft) operaciones de perforación, los diámetros de las TRs cargas aquellas situaciones que den lugar a las con- - resistencia como el único medio para seleccionar 6000 afectan el comportamiento hidráulico del pozo. Por diciones más críticas, con la idea de propiciar car- los materiales. Actualmente, el método de selección tal razón, se pudiera aceptar un análisis hidráulico gas que puedan ser soportadas por la tubería en más práctico y en uso es precisamente un método 8000 para el proceso de cementación y/o perforación que todo momento. Esto produce que en algunos ca- gráfico, cuyas bases son la selección de las tuberías sirva de base y respaldo para la selección apropia- sos, por la misma situación de definir condiciones en base a la representación simultánea de las cargas. 10000 da del diámetro de tubería de revestimiento. Gene- críticas, las tuberías queden holgadas en cuanto a Inician por presión y eligen las tuberías en forma ralmente, los diámetros nominales de tuberías de resistencia, debido a que nunca se presenten las intuitiva para revisar las cargas axiales. Una vez reali- 12000 revestimiento son seleccionados bajo la condición condiciones críticas. zado lo anterior, se procede a mejorar la calidad del 0 5000 10000 15000 geométrica del mínimo diámetro aceptable que per- diseño, modificando la profundidad de colocación o Presión de Estallamiento(psig) mita mantener al aparejo de producción impuesto Por lo tanto, dichas condiciones críticas deben con- seleccionando o modificando otro tubular. Lo anterior Figura 67 Gráfica de diseño por estalamiento por el análisis nodal. siderarse lo más realista posible. Así se evitarán gas- obedece a un procedimiento interactivo que hace ne- tos excesivos al seleccionar tuberías relativamente cesario el uso de un programa de computadora. La 2) Diseño mecánico holgadas. figura 66 a 67 muestra un ensayo del diseño de tube- 0 rías de revestimiento de un pozo. Diferentes variantes Definiremos por diseño mecánico al proceso que Al aplicar como factor de decisión la relación RE- en modo y forma de seleccionar los tubulares están 2000 permite determinar o definir los tubulares (tubería SISTENCIA / CARGA (R/C), se utilizan diferentes presentes en los diferentes programas de cómputo y junta) que conforman una sarta, bajo la premisa metodologías para definir o seleccionar la sarta de que existen comercialmente. Sin embargo, las bases 4000 principal de mantener una capacidad de resistencia tuberías óptimas. Actualmente, podemos clasificar son observar en todo momento la relación resisten- superior a cualquier condición de carga que se le estas metodologías en dos corrientes importantes: cia-carga. Por un lado, existen programas que cuen- MD (ft) 6000 imponga, dentro de las consideraciones de opera- la DETERMINISTICA y la PROBABILÍSTICA25. Las ba- tan con una basta base de datos en la que mantienen ción en la cual se utilizará, y seleccionar bajo una ses y tratado de este capítulo concierne exclusiva- la mayor parte de las especificaciones tubulares, so- estricta revisión de costos, la sarta de tuberías que mente a la metodología determinística, dado que bre todo para tuberías API. Esto sirve para el ingenie- 8000 resulte ser la mas rentable. se fundamenta la selección de tubulares exclusiva- ro de perforación al evitar la aplicación de la mente observando la relación (R/C). Es decir, deter- formulaciones API para determinar la capacidad de 10000 Carga Básicamente en el diseño mecánico se aplica el cri- minar en todo punto de la tubería la relación R/C. resistencia tubular. Mientras que otros, permiten la Resistencia terio de RESISTENCIA / CARGA > 1 como el factor Mientras que en la metodología probabilística se actualización de las especificaciones tubulares para 12000 de decisión para la selección de los tubulares. Esto realiza una revisión estadística y una estimación de dar libertad de utilizar las especificaciones de tube- 0 750000 1500000 2250000 implica reconocer ampliamente el desempeño me- la probabilidad de la ocurrencia de falla de la tube- rías propietarias. Carga Axial (lbf) cánico de las tuberías y la predicción más realista ría, con la premisa de que la relación R/C sea mayor 0 de las condiciones de carga a las cuales la tubería de uno. En los últimos años esta metodología ha Carga trabajará. ganado muchos adeptos, su aplicación se ha exten- Figura 68 Gráfica de diseño axial dido (desde 1990), a las principales compañías ope- 2000 Resistencia Cuando hablamos de diseño, implícitamente se radoras de perforación. Selección de juntas sobreentiende que se trata de una condición idea- 4000 lizada en un futuro cercano, sobre todo para la Retrospectiva de métodos Los métodos de selección mencionados, se funda- MD (ft) cuantificación de las cargas. Por tal razón, el tér- 6000 menten en la selección de tuberías. Relegan a un mino “predicción de cargas”, está correctamente Metodologías de diseño mecánico segundo plano de revisión la selección de las jun- aplicado. Entonces se establece como el medio 8000 tas. Dada la naturaleza más heterogénea de las jun- propicio para estimar o extrapolar las condiciones de En el diseño mecánico de tuberías, siempre han tas y prácticamente por la imposibilidad actual de trabajo de una tubería. Es de gran importancia reco- existido métodos que auxilian al ingeniero para 10000 contar con una basta información de las especifica- nocer esta observación, porque al llevar a cabo la co- obtener la mejor selección de una sarta de un ciones de las mismas, el proceso de selección de locación de las tuberías en el pozo, las condiciones de pozo. Sin embargo, las condiciones técnicas y la 12000 juntas se traduce básicamente en dos aspectos: trabajo serán significativamente diferentes a las plan- aplicación de dichos métodos, obedecen más bien 0 5000 10000 15000 revisión por carga axial, y revisión por costo. Es teadas. En este caso, para valorar el desempeño me- a los dos aspectos importantes que hay que ob- decir, se establece el grado de carga axial actuante cánico de la tubería se deberán considerar las cargas servar: el desempeño mecánico de una tubería y Presión de Estallamiento(psig) en las tuberías, y después se selecciona la junta cuya reales a las que se ve sometido. Y básicamente, este la predicción de las cargas. Figura 66 Gráfica de diseño por estallamiento 30 75
- 31. Tuberías Tuberías definición para: colapso, estallamiento, tensión y trabajo normalizado que queden representados a la La evolución de las técnicas o métodos para “dise- fecha, se ha adaptado para todo tipo de tuberías. Éste triaxial. Es importante mencionar que se requiere derecha de la línea unitaria, significará que la tube- ñar tuberías” se ha enfocado a una parte del pro- establece que una tubería debe diseñarse bajo el aná- manejar factores de trabajo tanto para la junta como ría o tuberías están por encima de la carga impues- blema: la estimación de las cargas. Estos métodos, lisis de todas las condiciones de carga que toman lu- para el cuerpo del tubo, sobre todo en el aspecto ta. Este tipo de gráficos son las de mayor valor que caen dentro de la clasificación de métodos gar después de que ha sido cementada. Esto es, una de tensión y compresión. interpretativo en el proceso de diseño, puesto que DETERMINÍSTICOS, han evolucionado desde los tubería nace mecánicamente desde que es introduci- refleja el estado de desempeño de las tuberías en simples nomogramas, muy utilizados en los años da al interior del pozo, con ciertas condiciones de car- A continuación se presenta la definición del factor toda la extensión de uso de las mismas. 50 y 60, hasta los actualmente en uso, como los ga, para después sufrir todas las posibles condiciones de seguridad para cada una de las condiciones de simuladores numéricos. cambiantes por efecto de las operaciones que toman falla presentes en los tubulares: Métodos de selección lugar durante la perforación y terminación del pozo. Uno de los primeros métodos de diseño, se remon- Esto inicialmente estaba enfocado al análisis de los Los factores de diseño que regularmente se utili- El objetivo principal del proceso de diseño de tu- ta al método gráfico de YOUNGSTONE. Éste no era efectos axiales posteriores a la cementación. Por ello zan actualmente en Petróleos Mexicanos son los berías es seleccionar los elementos tubulares que más que un conjunto de gráficos (uno para cada se establece una condición inicial y un conjunto de siguientes: permitan garantizar la seguridad e integridad del diámetro de tubería) en los que se utilizaba como condiciones axiales diferentes, después de la inicial. pozo. Por lo tanto, es necesario acudir a un método carga la presión hidrostática del lodo, y se marcaba Adicionalmente se generaliza la aplicación del méto- Factor de diseño al colapso: 1.15 que, permita elegir aquellas tuberías y juntas que una incipiente revisión por carga axial. El proceso do de carga máxima al aplicarlo para la evaluación de Factor de diseño al estallamiento: 1.1 cumplan con el objetivo. Podemos clasificar en dos de selección de tubulares se enfocaba prácticamente las cargas por presión y axiales. Este método se acom- Factor de diseño a la tensión: 1.6 métodos los procedimientos de selección: los ana- a tuberías de revestimiento y a tuberías de produc- paña con una propuesta de reconsiderar la evalua- Factor de diseño triaxial: 1.25 líticos y los gráficos. ción. La condición era iniciar la selección de los di- ción de la resistencia de los tubulares mediante el uso La línea marcada como criterio de falla en la figura ferentes grados y pesos de tuberías del fondo del de un modelo triaxial. Métodos analíticos Los métodos analíticos han so- pozo, hasta llegar a la superficie. brevivido y están presentes en un sin número de En los años 90, la evolución del diseño de tuberías formas y alternativas de propuestas de selección. Una incipiente evolución del método gráfico se de revestimiento y de tuberías de producción se Los hay desde esquemas simples de selección ba- presenta en los años 60 con la aparición de méto- confronta con la situación de que en todo diseño sados en aspectos geométricos, hasta como en dos analíticos. P para estimar la resistencia de los debe incorporarse un análisis triaxial, tomar en cuen- métodos de programación no-lineal de gran altura. tubulares como para la evaluación de cargas. A ta cualquier condición de carga como: flexión, o Este tipo de métodos han estado presentes y evolu- esta nueva tendencia de diseño se le denominó condiciones variables en presión como la presen- cionado como un intento por automatizar la selec- como métodos CONVENCIONALES. En ellos se cia de una formación plástica, cualquier efecto axial ción de los materiales. Sin embargo, debido a la si- tomaban en cuenta la carga de presión, la carga (choque, fricción, térmico, balonamiento, pistoneo, tuación práctica de operación de las tuberías, se han axial (peso y flotación) y su correspondiente revi- pandeo) y como cargas de presión adicional, las de- relegado desde un punto de vista de ingeniería, sin sión de resistencia al colapso y a la tensión, tiem- bidas al incremento de presión en anulares cerra- ver las bondades que traen consigo. Como por po en que se incorporarón las especificaciones y dos, etc. Es decir, incorporar y generalizar el méto- ejemplo, el caso de un método de selección basado ecuaciones para tuberías API. En el caso de sartas do de SERVICE LIFE y CARGA MÁXIMA para toda en programación no-lineal, que trae implícita la de perforación se usaba el método analítico de situación que propicie una condición de carga de: minimización de los costos asociados al proceso de Lubinski, para el cálculo y análisis de pandeo. presión, axial, flexión, torsión y no axiales. Además, selección de materiales. O también, es el caso de debe de incorporar un fundamento para evaluar la un método para la selección de tuberías combina- A finales de los 60 y principios de los 70, se adoptó resistencia de los tubulares bajo las ecuaciones API do con el costo mínimo y basado en la teoría de una técnica de vanguardia conocido como método (para tuberías API), como la incorporación de datos combinaciones. Actualmente, existen métodos con de carga máxima de Prentice, orientado al diseño de confiables de las tuberías denominadas PREMIUM programación no-lineal, combinando la selección tuberías de revestimiento y tuberías de producción; (NO-API). Por tal razón, proliferan una gran canti- mediante la revisión del criterio de falla del modelo en dicho método se incorporaba un criterio más rea- dad y variedad de métodos y propuestas de diseño triaxial y API, en el cual, se delimitan las condicio- lista de cargas. Se establece la separación del análisis que caen dentro de la propuesta del modelo de nes de falla de una tubería. Es decir, se dictamina de cargas de presión (interna y externa) para cada tipo SERVICE LIFE. Figura 65 Comportamiento de factores de trabajo inicialmente cual es el criterio de falla a seguir, para de tubería de revestimiento (superficial, intermedia y aplicar la técnica no-lineal de optimización. Y como de explotación). Este nuevo concepto mejoró la per- Del mismo modo, para sartas de perforación se ha mejo- 65, representa el límite de resistencia de los estos existen muchos casos más. cepción del modo de evaluar las cargas (sólo presión) rado la forma de evaluar el análisis de pandeo original- tubulares. Por lo que, toda línea o punto que quede frente a la forma como realizaba como con el método mente propuesto por Lubinski. Trabajos de Wu, Juvkam- representada a la izquierda de la línea unitaria, sig- Métodos gráficos Los métodos de aplicación prác- convencional. A la fecha, este concepto aún es válido Wold y Mitchell43 han permitido mejorar el entendimien- nificará que la tubería esta sujeta a cargas excesi- tica nacen de la representación gráfica de los dos y se sigue aplicando en diversas compañías. to del comportamiento del pandeo, mediante la propuesta vas, interpretándose entonces como una condición factores de peso: resistencia y carga. Desde la apli- de modelos y correlaciones mas precisas que pueden de falla. Mientras que las líneas de los factores de cación del método de Youngstone se ha combinado A mediados de los 80 se presenta un nuevo concepto incorporarse para el diseño de sartas. Sin embargo, a para el diseño de tuberías de revestimiento denomi- pesar de lo práctico de diseño de los sartas su uso aún no nado “SERVICE LIFE” propuesto por Klementich33 A la se ha generalizado. 74 31
- 32. Tuberías Tuberías Actualmente contamos con una gran variedad de han permitido evolucionar en el conocimiento del IV. SELECCIÓN DE TUBULARES Factor de Seguridad programas por computadora que permiten al inge- comportamiento mecánico de las tuberías. Es por niero de diseño efectuar con mayor precisión y ra- ello que diferentes instituciones (API, ASTM, Reconociendo la capacidad de resistencia de los Relación de la Resistencia a la Carga impuesta a una pidez el análisis mecánico de las tuberías. Estos pro- ASME, NACE, etc.) se han abocado a la tarea de tubulares y estableciendo las diferentes condicio- tubería en un punto determinado de profundidad. gramas efectúan los cálculos apropiados para la reconocer y recomendar prácticas para estanda- nes de carga que pueden actuar sobre los mis- Es el parámetro que permite reconocer la condición evaluación de la mayor cantidad de condiciones de rizar tanto el proceso de fabricación como la me- mos, es indispensable seleccionar los materiales o estado en el que trabaja la tubería. Es decir, en carga. También incorporan una fuente de datos para dición de su desempeño mecánico o capacidad mas propicios que cumplan con un objetivo o pre- condiciones de seguridad ( valor > 1) o de inseguri- contar con la información de las especificaciones de resistencia, y hasta las prácticas para el buen misa. En este apartado, se describirán algunos te- dad ( valor <1 ). Esto es: tubulares. manejo de los mismos. mas de interés que sirven de apoyo para cumplir con la finalidad de proceder a la selección de los Fs Resistencia/Carga @h cte Condiciones de falla materiales. II. CAPACIDAD DE RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS Factor de trabajo Para iniciar con la aplicación y explicación de cual- Premisa de selección El advenimiento de la tecnología de la información quier método para diseño, es necesario y recomen- Es la representación gráfica del perfil de factores de y la aplicación sistemática de las computadoras en dable determinar la resistencia de los diferentes ele- El primer compromiso de los elementos tubulares seguridad vs profundidad. temas y procesos como el de diseño de las tuberías mentos tubulares. Esto a la vez conduce a conside- utilizados en un pozo es el de mantener la suficien- de revestimiento, que es parte importante del pro- rar las diferentes situaciones de falla que experimen- te capacidad de respuesta en resistencia ante la FT = FS (h) ceso de diseño de la perforación de pozos, sin lu- tan las tuberías. La resistencia de un tubo se puede imposición de cualquier tipo de carga. Sin embar- gar a dudas los factores y mayor importancia influ- definir como una reacción natural que opone el go, en los tiempos actuales, debemos cumplir con Factor de diseño yente para establecer y aceptar que en la actuali- material ante la imposición de una carga, a fin de una preocupación por demás importante: el costo dad, se cuente con todos los ingredientes técnicos evitar o alcanzar los niveles de una falla. de los materiales seleccionados. Por lo tanto, el as- Es el valor mínimo aceptable que debe cumplir el requeridos para realizar con detalle los análisis más pecto técnico-económico queda en las siguientes factor de seguridad para considerar como acepta- convenientes que permitan justificar la mejor selec- Él término “falla” se entiende como sinónimo de premisas que debemos observar para la selección ble el diseño propuesto de una tubería. ción de tuberías. Esto es, se tiene una extensa in- “fractura”. Sin embargo, en el estudio de la mecáni- apropiada de tubulares dentro del marco del proce- fraestructura, tanto en hardware y software como ca de materiales este no es el significado usual del so de diseño a utilizar: FD =FS (min) en modelos matemáticos. Si los manejamos en for- término. Se dice que ocurre una falla cuando un ma apropiada e integrada conducirán a fortalecer el miembro cesa de realizar satisfactoriamente la fun- "Garantizar el desempeño mecánico de las tuberías Factor de trabajo normalizado proceso de diseño. El aprovechamiento de tal infra- ción para lo cual estaba destinado. En el caso de las para garantizar la seguridad e integridad del pozo, estructura ha servido de medio para establecer el tuberías colocadas en un pozo, si estas alcanzan observando el costo mas bajo." Es el comportamiento gráfico del factor de trabajo di- desarrollo de sistemas expertos en materia de dise- cualquier nivel de deformación se debe entender la vidido por el factor de diseño. De esta forma se sim- ño tubular. Sin embargo, aún con todas estas posi- situación como una condición de falla. "La junta ideal es aquella que es 100% transparen- plifica la representación gráfica de los perfiles de fac- bilidades, pudiéramos estar lejos de propiciar el me- te al cuerpo del tubo" tores de trabajo, debido a que la falla de una tubería joramiento en el proceso de diseño, en tanto no se Por lo tanto, una falla en las tuberías es una condi- se puede interpretar con un solo criterio. Los factores cuente con un conocimiento profundo y detallado ción mecánica que refleja la falta de resistencia del "La junta es gobernada por las propiedades del ma- de trabajo normalizados se pueden analizar a partir sobre la capacidad de resistencia de los elementos material ante la situación y exposición de una car- terial y las leyes mecanicas" del criterio de una línea unitaria( F=1). Los factores tubulares, y ante todo, con suficiente información ga. Con ello propicia la deformación del tubo. Las con valores menores a la unidad, significan que la tu- que permita reconocer la respuesta en resistencia cargas a las que hacemos referencia son nominal- Factores de trabajo bería no cumple con el factor de diseño. que opone el tubo ante la acción combinada de car- mente cargas de presión, cargas axiales, ambienta- gas que experimentan a nivel de pozo. Los datos les y mecánicas. Haremos referencia a la definición de los factores FT FTN = tradicionales y por excelencia que se tienen sobre adimensionales que se utilizan para establecer un FD la resistencia de las tuberías están generalmente ¿ Qué es entonces la capacidad de resistencia ? margen de seguridad en la capacidad de resis- referenciados en condiciones idealizadas. Es decir, La capacidad de resistencia de una tubería se de- tencia de los elementos tubulares. Además, se La figura 50 muestra un ejemplo del comportamiento en condiciones atmosféricas de presión y tempera- fine como aquella aptitud o condición que ofrece presenta la definición de los factores que permi- de los factores de trabajo, diseño y seguridad. Es tura y carga axial cero. En realidad éstos, nos dan una tubería para reaccionar y evitar cualquier tipo ten efectuar con precisión los análisis del desem- necesario recalcar, que los factores de trabajo se una dimensión exacta de la respuesta deseada de de falla o deformación, ante la acción combinada peño mecánico de una tubería ante la imposición presentan para cada una de las medidas de resis- la tubería ante la eventualidad y magnitud de las de cargas. de las cargas actuantes en el pozo. Generalmente tencia de la tubería. Es decir, cuando se trabaja en condiciones esperadas en el interior de un pozo. estamos acostumbrados a tratar con el concepto la resistencia al colapso, llamamos factor de traba- Las principales fallas de las tuberías son básicamente de factor de diseño. Sin embargo, este factor debe jo al colapso. Mientras que la resistencia a la ten- La importancia de reconocer la capacidad de re- COLAPSO, TENSIÓN, ESTALLAMIENTO Y CORRO- ser precedido por la definición formal del concep- sión, se denominará factor de trabajo a la tensión, sistencia de las tuberías ha sido materia de mu- SIÓN. El tratamiento de cada una de las fallas sim- to de seguridad. por mencionar algunos. Por lo tanto, se aplica la chas y fuertes discusiones, de extensos estudios plifica el estudio y análisis del comportamiento de y de diversidad de pruebas de laboratorio, que la resistencia en los materiales. 32 73
- 33. Tuberías Tuberías tud del cambio de cargas que experimentó la tube- Estado de esfuerzos axiales Cedencia de revestimiento, tuberías de producción y sartas ría, sumando algebraicamente la distribución inicial de perforación que se utilizan en la industria petro- y la distribución para cada evento adicional. Lo an- La distribución de carga axial inicial se debe al peso Para entender el comportamiento de falla iniciare- lera. Como el material de fabricación de las tuberías terior permitirá analizar el impacto que tiene cada propio de las tuberías, considerando la flotación y mos por definir el concepto de cedencia o fluencia, es el acero, a nivel de fabricación se producen dife- escenario de carga por los efectos axiales que se en su caso las carga por flexión presente por efecto que es aquella propiedad o condición del material rentes tipos de acero que están regulados por los manifiestan por la característica elástica del mate- de los cambios de ángulo. La figura 63 muestra el para soportar la deformación elástica, o bien, la re- estándares. Para establecer la cedencia de un ace- rial de los tubulares. comportamiento de las cargas axiales en condicio- sistencia que opone el material a la deformación ante ro, el API recomienda que se realice una prueba de nes iniciales. Este estado de esfuerzos axiales se la exposición de una carga. Se dice que un material tensión sobre un especimen. A partir de ésta se debe Del mismo modo, las tuberías de producción debe- considera para sumar los efectos axiales por pan- alcanza la cedencia o fluencia cuando experimenta medir la deformación generada hasta alcanzar la rán considerarse bajo el criterio de que las tuberías deo, balonamiento y térmico. una carga que le provoca una deformación perma- fractura del mismo. Se establece que la cedencia están sujetas a una condición inicial de carga al nente. Es decir, el material se comporta plásticamen- del material es el esfuerzo de tensión aplicado cuan- momento de terminar la introducción de las misma te o se dice que tiene fluencia. Antes de esta defor- do alcanza el 0.5% de deformación. Este valor de en condiciones estáticas en el interior del pozo. Des- mación, al liberar la carga, el material recupera su deformación es ligeramente superior al límite elás- pués debe realizarse un análisis de pandeo para estado original. Se dice entonces que el material es tico. Este porcentaje es aplicable para los aceros API evaluar el impacto que en el aparejo tendrán los elástico. El punto a partir del cual el material se frac- denominados H-40, J-55, K-55, N-80, C-75, L-80 y cambios de carga derivados de cada evento al que tura o se rompe, se dice que alcanza su ultimo valor C-95. Para aceros P-110, Q-125, el API considera una se someterán. de resistencia a la cedencia. La figura 19 muestra el deformación del 0.65% para establecer la cedencia comportamiento de deformación-carga para deter- de estos materiales. En el caso de las sartas de perforación, la carga minar la fluencia o cedencia de un material (acero). inicial será aquella generada al momento de in- La cedencia se mide en unidades de fuerza por uni- troducir las tuberías e iniciar la perforación. Du- El API como órgano normativo en el ámbito inter- dad de área (psi), que significa la fuerza aplicada en rante las operaciones de perforación los cambiod nacional, ha establecido estándares para medir la el área de exposición del material para hacer ceder de condiciones deberán ser consideradas como cedencia de los aceros con los cuales se fabrican al mismo. Es decir, aquel esfuerzo aplicado para al- eventos de carga. los tubulares denominados OCTG ( Oil Country canzar la deformación establecida. La nomenclatu- Tubular Goods ), que no son más que las tuberías ra recomendada por el API para identificar los dife- Distribucion de temperatura Figura 63 Carga axial inicial rentes tipos de acero se define por una letra seguida por un número. La letra Esfuerzo - Deformación Considerado como condición inicial el perfir de tem- Condiciones de presión simboliza el tipo de acero, y el número y peratura, será aquel que se obtenga en condiciones la magnitud de la cedencia del material estáticas. Como medida conservadora, en muchos El perfil de presión interno o externo actuando sobre 100 expresada en miles de libras por pulga- casos se asume la temperatura original del pozo. Es la tubería es necesario para obtener los efectos axiales da cuadrada (psi). Ejemplificando: un 90 decir, el perfil de temperatura geoestático. Un ejem- (balonamiento y pandeo). Se considera la distribu- acero denominado N-80 tiene una plo del comportamiento de temperatura inicial en ción de presión inicial como la resultante de los pesos 80 cedencia de 80000 psi. un pozo se muestra en la figura 62. La diferencia de de los fluidos contenidos en el pozo. Un caso particu- 70 Esfuerzo ( Kg/mm2 ) temperatura en cada punto de profundidad entre el lar es para las TRs, en el que se considera las presio- Debido a que se presentan significantes perfil inicial y el perfil de temperatura para cada si- nes de la formación como el perfil externo actuante. 60 variaciones en la medición de la cedencia tuación, representa el cambio de temperatura con La figura 64 muestra un ejemplo del perfil de presión de tuberías, el API adoptó el criterio de el cual se obtiene el efecto axial por temperatura. inicial actuando sobre una tubería. 50 “resistencia de cedencia mínima” en lu- gar de un valor promedio. La mínima re- 0 40 sistencia de cedencia se calcula como el 1000 30 80% del promedio de la cedencia obser- vada en una gran cantidad de pruebas 2000 20 realizadas. Adicionalmente a la mínima MD ( f t ) 3000 10 resistencia a la cedencia, el API especifi- ca la máxima resistencia de cedencia y 4000 0 la mínima última resistencia a la tensión. 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 Estas quedan definidas bajo el mismo 5000 Deformación ( % ) enfoque del 80% de pruebas realizadas 6000 para determinar la máxima cedencia y 75.0 100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 225.0 el valor de tensión última con la cual se Temperatura (oF) Figura 19. Comportamiento elástico de un tubo fractura el material. Figura 62 Perfil de temperatura Figura 64 Perfil de presión externa 72 33
- 34. Tuberías Tuberías La tabla 4 muestra un resumen de los diferentes terial generalmente se efectúan a la temperatura aceros o grados API con sus valores de cedencia. ambiental. Sin embargo, se ha observado que a temperaturas elevadas (> 150 °C) la resistencia de cedencia de un acero empieza a verse dismi- Tabla 4. Relación de grados de tubería API nuida. La figura 20 muestra el comportamiento de Cedencia Ultima Ultima la cedencia vs temperatura para algunos aceros Grado Mínima Resistencia Grado Resistencia propietarios. A este tipo de observaciones se les conoce como pruebas de tensión en caliente, H-40 40000 60000 C-95 105000 mediante lo cual se puede establecer el grado de afectación por temperatura en los diferentes ace- J-55 55000 60000 Q-125 145000 ros para tuberías. K-55 55000 65000 E-75 95000 Ensayos de tensión en caliente N-80 80000 95000 X-95 115000 Grados propietarios TAMSA 200000 L-80 80000 90000 S-135 155000 P-110 110000 125000 C-95 105000 160000 C-75 75000 95000 P-105 120000 Cedencia ( psi ) 120000 T-95 95000 105000 G-105 120000 80000 TRC-95 TRC-95BDC Para fines de diseño, el criterio de mínima resis- 40000 tencia de cedencia es el que debe de adoptarse, a TAC-95 TAC-110 fin de garantizar, con un margen de seguridad, la TAC-140 resistencia del material. La nomenclatura API para 0 los diferentes aceros tiene estipulado en el nú- 0 100 200 300 400 500 mero la mínima resistencia a la cedencia, y es el Temperatura ( oC ) valor nominal de cedencia que debe considerar- se en todos los cálculos de evaluación de resis- Figura 20. Comportamiento térmico de la cedencia Figura 60 Recomendación de selección de materiales de la norma NACE tencia de las tuberías. 10000 Existen aceros que se fabrican con especificacio- Total nes propias de los fabricantes y que no adoptan en Colapso su totalidad las especificaciones estipuladas por el 1000 API. A este tipo de aceros se les conoce común- La falla por colapso de una tubería es una condición PresIón mente como aceros propietarios o grados propieta- mecánica. Se origina por el aplastamiento de una rios, o simplemente grados NO-API. Sin embargo, tubería por una carga de presión. Ésta actúa sobre NACE tratan de seguir la misma nomenclatura adoptada 100 las paredes externas de la misma y es superior a su por el API para especificar la cedencia del material. capacidad de resistencia. pH=5 pH=6 pH=7 pH=8 Tal es el caso de los grados propietarios que produ- ce TAMSA como son: TAC y TRC. La resistencia a la falla por colapso de una tubería 10 ha sido estudiada ampliamente. En primer instan- 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 psi La cedencia de los materiales se ve sensiblemen- cia, es una de las causas más comunes de falla en te afectada por la temperatura a la que estén ex- las tuberías colocadas en un pozo y en segundo Concentración de H 2S puestos dichos materiales. Las pruebas de tensión término es un fenómeno de falla más complejo Figura 61 Recomendación adicional a NACE para H2S que se realizan para medir la cedencia de un ma- de predecir. 34 71
- 35. Tuberías Tuberías del material con el que están fabricados los tubos, tarla como norma reguladora de la selección de las La falla al colapso depende de diversos factores pro- A continuación se presentan las ecuaciones de co- es decir de acero. Este fenómeno tiene muchas y tuberías en el proceso de diseño. pios de la naturaleza de fabricación del tubo. Den- lapso adoptadas por el API para determinar la resis- diversas presentaciones en los aceros. Desde una tro de éstos resaltan la cedencia del material, la geo- tencia al colapso de las tuberías que cumplen con oxidación hasta lo que actualmente conocemos La figura 56 muestra las recomendaciones emitidas metría tubular, imperfecciones (excentricidad, las especificaciones API. como agrietamiento por sulfhídrico (SSC). El efecto en la norma NACE, a fin de considerar los materia- ovalidad) y la condición de esfuerzos en la tubería. de deterioro por los estragos de la corrosión en las les capaces de resistir los efectos corrosivos del H2S tuberías se manifiesta por la pérdida de la capaci- ante las diferentes condiciones de temperatura y Resistencia al colapso dad de resistencia, que obliga a prevenir estos efec- presión parcial. tos para evitar las fallas en las tuberías. A través de una extensa serie de pruebas realiza- Recientemente se han conducido diversos estudios das en tuberías el API ha demostrado el comporta- El efecto de corrosión SSC es de vital importancia para analizar la aplicación estricta de la norma NACE miento de la falla por colapso de las tuberías. La para fines de diseño de un pozo, debido a que se en del ámbito de perforación. Dentro de las conclu- figura 21muestra las diferentes condiciones de fa- considera la corrosión como una condición de car- siones a las que se ha llegado es que debe ser con- lla por colapso para un amplio rango de diámetros/ ga que deteriora la capacidad de resistencia de los siderada dentro de la norma el parámetro pH, en espesor de tuberías. Este último término se define materiales, ante la probabilidad de ataque del sul- virtud de ser un factor de peso para que el material como esbeltez o delgadez de la tubería. Se mani- fhídrico en fase gaseosa. ¿Qué significa esto?, en la sea susceptible al agrietamiento por H2S. Una re- fiestan, de acuerdo a las pruebas realizadas, cuatro etapa de diseño debemos tomar en consideración presentación de dicha recomendación se muestra zonas o comportamientos. La primera es la deno- los parámetros que permitan analizar y cuantificar en la figura 57, en la cual se marcan las diferentes minada presión de colapso por cedencia, en la cual las condiciones bajo las cuales el efecto nocivo de zonas de probabilidad de falla ante la magnitud del el material es fuertemente dependiente de la la corrosión se va a presentar. pH y la presión a la que se ve sometida una tubería. cedencia del material, en virtud de que se ha com- probado que los esfuerzos tangenciales generados Los factores que contribuyen a la corrosión SSC son Otros estudios relativos a la aplicación de la norma, en la periferia interior del tubo, alcanza al valor de la concentración del H2S, el nivel pH, la temperatu- han reflejado que existe una condición adicional para la cedencia. Se presenta para tuberías cuya esbel- ra, el nivel de esfuerzos en la tubería, la cedencia que se presente el fenómeno de agrietamiento. Esta tez sea inferior a 15. Es decir, tuberías de diámetro del material, la micro-estructura, el proceso de tra- condición es la cantidad de hidrógeno presente en grande (> a 7 5/8”). Un segundo comportamiento tamiento térmico durante la fabricación y las alea- el acero. Lo han denominado "hidrógeno crítico". Es del colapso es el elástico. Este es reproducido me- ciones que componen al acero. Incrementando la el límite mínimo de cantidad de hidrógeno conteni- diante la teoría clásica de la elasticidad y se presen- concentración de H2S se puede tener un efecto sig- do en el tubo para que se manifieste la permeación ta en tuberías con esbeltez mayor a 25. Es decir, nificativo en la susceptibilidad al agrietamiento. Sin del hidrógeno en el acero y se probó que la falla por tuberías de diámetro pequeño (< a 7”). Un tercer embargo, se ha observado que un incremento del agrietamiento. En este caso, se deben realizar prue- comportamiento, que el API denominó como co- nivel de pH por arriba de 8 en el medio que rodea a bas a cada tipo de acero de tubería para determinar lapso plástico, es el que se presenta posteriormen- la tubería, disminuye el ritmo de corrosión. Es por el valor de hidrógeno crítico. te a la etapa de colapso plástico, que obedece a la esto, que los lodos de perforación con valores de naturaleza propia de deformación del tubo en la eta- pH mayores de 8 son benéficos para prevenir el ata- Condiciones iniciales de carga pa de plasticidad o posterior a la cedencia. Y final- que del ácido sulfhídrico. mente, existe una zona de transición entre el colap- La distribución de las cargas son el factor clave para so plástico y el colapso elástico. Es un comporta- Un tratamiento a fondo sobre el tema de corrosión dictaminar la selección de materiales. La situación miento que ha sido correlacionado en forma nu- por sulfhídrico se tiene en la referencia 2, que es inicial de carga que se presenta en una tubería de- mérica por el API a fin de tener en forma completa recomendable para su lectura y comprender con penderá en gran medida para optimizar el proceso el modelado del comportamiento del colapso. mas detenimiento el tema. Por el momento nos abo- de selección. Por lo tanto, es obligatorio establecer donde: caremos a considerar las recomendaciones emiti- el perfil de cargas axiales, de presión y de tempera- Teoría de inestabilidad elástica das por la NACE para la selección de los materiales. tura inicial al que se ve sometido una tubería. Pero s Cedencia del tubo Pc = Resistencia al colapso (psi) 2 además, se deberá establecer el momento preciso do = diámetro nominal (pg) Comportamiento real La NACE institución de investigación y normativa ante para esta evaluación. En el caso de las tuberías de d = diámetro (pg) la problemática de la corrosión ha publicado recomen- revestimiento se considera como situación de car- t = espesor nominal (pg) daciones para la selección de materiales que están ga inicial como aquella distribución de presiones, expuestos al H2S, a través de su boletín MR-0175-99, carga axial y temperatura después de cementada la Efecto de imperfecciones en el cual, se listan las condiciones de presión y tem- misma, bajo la consigna de tener movimiento axial peratura bajo las cuales debe ser seleccionada una sólo en la sección de tuberías libre de cemento. Una Dentro de los factores que influyen en la resistencia tubería para que resista la acción de la corrosión por vez realizado esto, se pueden simular, bajo otros Cedencia Plástico Tensión Elástico al colapso de las tuberías. Está el aspecto geométri- SSC. Es una fuente de gran valor que se ha adoptado eventos de carga, la distribución de cargas que ten- +15 - +25 - Delgadez (D/t) co. Las imperfecciones generadas en el proceso de en el ámbito internacional. Por lo que debemos adop- drán lugar, de tal manera que se obtenga la magni- Figura 21. Comportamiento del colapso fabricación dan como resultado el tener un tubo con 70 35
- 36. Tuberías Tuberías cierto porcentaje de ovalidad y excentricidad. Es FT = Fuerza axial total (lbf) decir, no existen tuberías con diámetro y espesor Fap = Fuerza axial por pandeo (lbf) constante. En la figura 22 se muestra la sección FaP = Fuerza axial por pistoneo (lbf) u1 tansversal de una tubería perfecta. Por lo que se tiene que medir el efecto que estas imperfeccio- Fat = Fuerza axial por temperatura (lbf) R nes tienen en la resistencia al colapso del tubo. r FaB = Fuerza axial por balonamiento (lbf) Dmin. q Secciónde la Sin embargo, para fines de diseño, también es im- tubería portante cuantificar el grado de contracción o transversal elongación que sufre una sarta. Esta consideración debe realizarse en aparejos de producción que cuen- tan con un empacador. Este debe mantener una lon- u2 gitud de sellos capaz para contener esta deforma- Dnom. u2 ción. La longitud de deformación de la tubería será: Dmax. DL = DLP + DLp + DLB + DLT Dnom. DL = Cambio de longitud otal (ft) Figura 22 Sección transversal de una tubería Figura 23 Contorno de una tuberia ovalada DLP= Cambio de longitud por pistoneo (ft) perfecta DLp = Cambio de longitud por pandeo (ft) DLB = Cambio de longitud por balonamiento (ft) La ovalidad: se define como el máximo diámetro e= δ DLT = Cambio de longitud por temperatura (ft) exterior, menos el mínimo diámetro exterior dado t Con lo anterior, es posible obtener la longitud de en una sección plana, divida por el diámetro exte- donde: sellos que debe tener un empacador para absorber rior nominal. En la figura 23 se muestra el contorno las contracciones y elongaciones de la tubería. Por e = excentricidad Figura 59 Efecto de Pistoneo de una tubería ovalada eso es importante cuantificar si la magnitud de los d = tmax –tmin efectos axiales que toman lugar en cada uno de los tmax = máximo espesor FaT= - 58.8 DTw eventos de carga son de tipo tensional o compre- S = (Dmax -Dmin) tmin = mínimo espesor sional. Dnom t = espesor nominal Donde: FaT: Fuerza Axial DT: Cambio de temperatura donde: t max. w: Peso de la tuberia S = ovalidad d d Dmax = diámetro máximo exterior Dmim = diámetro mínimo exterior La carga axial generada por el cambio de tempera- Dnom = diámetro exterior nominal tura debe considerarse únicamente en la sarta que esta con libre movimiento axial. Es decir, en aquel tramo de tubería que no está restringida en movi- Queda de manifiesto que el proceso de fabricación miento lateral. de un tubo no es perfecto. Es decir se genera una imperfección al producir un tubo con un diámetro Los efectos axiales mencionados de pandeo, t nom. ligeramente irregular en su cara exterior. pistoneo, balonamiento y térmico dan lugar a un cambio significativo en el estado de esfuerzos Figura 60 Forma esquemática de una tubería pandeada La excentricidad: es una medida de las imperfeccio- d t min. axiales, por la acción combinada de cada uno de nes detectadas en una tubería por efecto de los cam- ellos. Esto significa que la suma de los efectos Figura 24 Sección transversal de una tubería Corrosión bios de espesor en el cuerpo del tubo ver figura 24. excentrica ovalada axiales generaran una deformación total en la tube- ría. Por lo tanto, la fuerza axial total será: La corrosión es un fenómeno electro-químico. Tie- ne lugar en las tuberías por efecto de la acción del FaT = Fap +FaP + FaT + FaB medio ambiente y la reacción de los constituyentes 36 69
- 37. Tuberías Tuberías Mediante el análisis de pandeo en las tuberías de v: relación de poisson (adimensional) La combinación de estas dos imperfecciones en una producción, se debe determinar la manera mas pro- sección transversal de una tubería es mostrada en ∆Pi: Cambio de presión interna (psi) picia para colgar la TP en el cabezal. Se consideran la figura 25. las fuertes variaciones en los esquemas de produc- ∆Pe: Cambio de presión externa (psi) ción. Esta situación genera cambios en las condi- ∆ρi Cambio de densidad interna (psi/ft) ciones de presión, temperatura, y en las condicio- d nes axiales. El estado de esfuerzos axiales ideal en ∆ρe Cambio de densidad interna (psi/ft) la TP es aquel que mantenga el mínimo esfuerzo axial tensional en superficie para amortiguar los L : longitud de tubería (ft) Presión elástica de colapso cambios por efectos axiales y la mínima carga Ai: Area Interna (pg2) compresiva en el fondo para mantener las condi- ciones favorables para evitar el pandeo. Ae Area externa (pg2) 1 2E PE = D Balonamiento Pistón 1 - v2 ( D -1) 2 El efecto natural que presentan las tuberías por la El efecto de contracción o elongación que pre- Figura 25 Sección transversal de una tuberia "inflación" o "desinflación" que se manifiesta por efec- senta una tubería por efecto del cambio en el es- ovalada y excéntrica tos de cambios en la presión interna y externa se tado de esfuerzos axiales es denominado efecto denomina "balonamiento". Es una medida de la de- "pistón",ver figura 54. La condición elástica que El desgaste se define como la degradación o dete- Presión elastoplástica de colapso formación elástica propia del acero y que induce caracteriza a las tuberías de acero da lugar a la rioro del material por efecto de la fricción producida esfuerzos tensionales y compresionales en la tube- deformación axial. Es decir, por cada incremento por el contacto entre dos materiales (tubos). ría. Es decir la tubería se contrae o elonga de carga axial, la tubería experimenta un cambio longitudinalmente, cuando esta está confinada o sin longitudinal. Este fenómeno de deformación elás- Efectos del desgaste libre movimiento. tica en la que se manifiesta una relación de elongación y de esfuerzos axiales queda repre- En la perforación de pozos desviados ocurren des- Se dice que existe el balonamiento cuando la pre- sentado por la Ley de Hook, la cual tiene la repre- gastes severos en la superficie interior de la tubería sión interna que actúa en la tubería es superior a la sentación matemática siguiente: de revestimiento al estar sujeta a grandes flexiones, presión externa. Esto es semejante al proceso que lo cual, afecta las funciones del tubo. Función de ovalamiento se presenta para estallar a la tubería. Sólo que en este caso se refiere al momento en que se alcanza Especialmente la resistencia al colapso se ve dete- h(e) =(1-e) (1+C1e+C1e2) el nivel de la cedencia del material. Las condiciones riorada por el desgaste, por lo cual, debe tomarse elásticas del material generan elongaciones en cuenta en el proceso de diseño Función de excentricidad longitudinales que dan lugar a una deformación tipo donde: "globo" en la sarta de tubería. El esquema de la figu- Resistencia al colapso con imperfecciones ra 42 representa la forma en que esto se lleva a cabo. DA = FA (actual) - x (anclada) (lbf) Los factores que afectan la resistencia al colapso de Se dice que existe "balonamiento inverso" cuando DL : cambio de longitud generado (ft) las tuberías de revestimiento, son particularmente se presenta el efecto de "desinflación" motivado por E = Módulo de Young (psi) la influencia de la excentricidad y el ovalamiento donde: los cambios de presión externa que son superiores As = Area de sección transversal (pg2) geométrico. El API no toma en cuenta estas imper- a la presión interna prevaleciente en la tubería. L = Longitud de la sarta (ft) fecciones. Sin embargo, recientes propuestas al co- A1, A2, A3 - Constantes de la función de colapso mité de revisión de estándares en materia tubular elástico plástico Estos cambios que se manifiestan en la tubería pue- indican la posibilidad de que el API considere como Efecto térmico den evaluarse como un esfuerzo axial adicional al es- especificaciónes las definiciones de ovalidad y ex- B1, B2, B3 - Constantes de la función de ovalamiento tado de esfuerzos presente antes de la generación de centricidad, para que después sean consideradas en La temperatura a la cual se exponen las tuberías en C1, C2 - Constantes de la función de excentricidad este efecto. La magnitud de este esfuerzo axial puede la evaluación de la resistencia de las tuberías. el interior de un pozo. Son importantes para la esti- obtenerse mediante el siguiente modelo: D - Diámetro nominal (pg) mación de las cargas axiales. Estas cargas se pro- Un modelo generalizado para determinar la resis- D max / ext - Diámetro máximo (pg) ducen por el cambio de temperatura que experimen- tencia al colapso de las tuberías ha sido propuesto ∆FB = 2ϑ(∆PiAi - ∆PeAe) + vL (∆ρiAi -∆ρeAe) ta la tubería al someterse a diferentes eventos de e - Excentricidad (adimensional) por Issa31, en el cual, se toma en cuenta la excentri- carga. La magnitud de las cargas axiales generadas cidad promedio y la ovalidad promedio del tubo. E - Módulo de Young (psi) donde: por efecto del cambio de temperatura puede ∆FB: Cambio axial por balonamiento (psi) obtenerse de la siguiente manera: Ecuación general del modelo de Issa 31 P - Resistencia al colapso(psi) 68 37
- 38. Tuberías Tuberías P0 - Resistencia al colapso para un tubo de geome- esta deformación es función de la curvatura del agu- Pandeo donde: tría perfecta (psi) jero y del peso que soporta la tubería (carga axial). PE - Resistencia al colapso elástico (psi) La magnitud de la deflexión (deformación de Se denomina "pandeo" a la deformación mecánica Fp = Fuerza límite de inicio del pandeo (lbf) PPE - Resistencia al colapso elástico - plástico (psi) ovalamiento homogéneo), depende básicamente del que experimenta una tubería por la acción de las E = Módulo de young (psi) r - Radio en una localización angular exterior (pg) diámetro exterior y del espesor del tubo. La reduc- fuerzas compresionales desarrolladas sobre el cuer- I = Momento de inercia (pulg4) R - Radio exterior nominal (pg) ción en el diámetro del tubo es el resultado de la po de la misma. Puede entenderse que existe un We = Peso flotado de la sarta (lbf) S - Relación de ovalamiento deflexión. En la figura 26 se muestran las deforma- límite de fuerza compresional, similar al de una re- q = Ángulo máximo (grados) t - Espesor (pg) ciones que sufre el tubo. sistencia, para establecer el inicio de la deforma- r = Radio del tubo (pg) Y - Esfuerzo de cedencia (psi) ción de pandeo de la tubería. Por la forma y severi- R = Radio de curvatura (pg) u2 - Deformación del diámetro nominal exterior tubo real dad del pandeo se han definido dos criterios de pan- n - Relación de Poisson deo: pandeo sinuosoidal y pandeo helicoidal. La fi- Para diagnosticar la condición de pandeo, la esti- q - Posición angular gura 44 muestra esquemáticamente la forma de una mación de la fuerza compresional límite debe reali- tubería pandeada, mientras que en la figura 36 se zarse en conjunción con la estimación del estado Deformación debido a la El modelo de Issa modificado a las condiciones de presión diferencial presento la imagen de una tubería pandeada. Es im- de esfuerzos axiales en cada evento de carga, debi- pruebas al colapso de las tuberías propietarias de portante mencionar que el pandeo es una deforma- do a que en todo momento se pueden alcanzar di- TAMSA para los grados TAC puede ser evaluado ción que puede hacer fallar a una tubería. Esto ocu- chos límites de pandeo. mediante la adecuación de las constantes A,B y C. En rre porque se generan grandes esfuerzos por flexión, este caso las constantes se presentan en la tabla 5. en forma simultánea, dada la curvatura que se al- La fuerza de pandeo se puede obtener a partir de la canza por efecto del pandeo, una vez que se halla definición del modelo de Pasalay: tubo ideal Las ecuaciones que siguen rigiendo son las ya iniciado la deformación. indicadas por Issa, pero con las constantes FB= - Fa +piAi - peAe modificadas para tuberías TAC como se indica a El pandeo limita el trabajo o paso de herramientas Deformación debido a la donde: continuación. por el interior de la tubería. Dificulta o en su caso, FB: Fuerza axial (lbf) curvatura del agujero y peso se descarta el paso de cualquier elemento por el Fa: Fuerza de pandeo (lbf) interior de la tubería. Figura 26 Sección transversal de un tubo Tabla 5. Constantes del Modelo de Issa. pi = Presión interna (psi) A continuación se presentan algunos modelos ma- Ai = Área de sección interna (pg2) Modelo Existen dos modelos para evaluar la deflexión de una temáticos que permiten determinar, con cierto gra- Constante Modelo original pe = Presión externa (psi) modificado tubería sujeta a cargas axiales y de presión. El mo- do de aproximación, la fuerza compresional a par- delo de Freda Akgun y Billy Joe Mitchell28 evalúa la tir de la cual se genera la deformación por pandeo Ae = Área de sección externa (pg2) A1 7.0333 7.0422 reducción del diámetro del tubo por efecto de la ten- en una tubería. A2 0.1295 0.1140 sión y la flexión generada en el caso de pozos des- Lo anterior, denominado análisis de pandeo, permi- viados. En la figura 27 se muestra el comportamien- Pandeo Sinuosoidal: tirá seleccionar apropiadamente las tuberías capa- A3 12.3298 17.0580 to del modelo de Akgun y Mitchell para determinar ces de soportar la carga axial compresional. En el B1 0.1648 0.1970 la deformación de los tubos considerando varios caso de las tuberías de revestimiento, el análisis de ángulos de severidad en el pozo (pata de perro) y su- pandeo servirá para determinar el mejor esquema B2 0.5972 0.6060 jeto a diferentes cargas axiales en diferentes grados de carga axial para anclar o colgar la tubería. Es decir, B3 0.7618 0.8190 API de tuberías. establecer la carga axial en superficie que debe te- ner la tubería para minimizar el efecto de pandeo C1 0.8123 2.0310 Por otro lado, Akgun49 propuso un nuevo modelo sin deterioro de la capacidad de resistencia de la C2 -1.1272 -8.3030 tubería y que permita absorber las cargas axiales para determinar la reducción del diámetro de un tubo por efecto de la carga de presión diferencial por los cambios en presión y temperatura que se manifestada en la cara externa del mismo. Pandeo Helicoidal: manifiestan en las mismas. El escenario ideal para Efecto de cargas combinadas anclar la tubería sería aquel que mantuviera una carga La ecuación diferencial que modela la deflexión de axial igual con cero en toda la profundidad del pozo. Las tuberías se deforman cuando son colocadas en una sección circular del tubo (90º) es: Sin embargo, esto es más que imposible, debido a la pozos altamente desviados debido a los esfuerzos carga axial propiciada por el peso propio de la tube- a los que se somete el tubo, independientemente ría. Por ello se debe establecer un esquema de carga de las imperfecciones generadas durante el proce- axial lo suficientemente propicio para mantener una so de fabricación. La sección transversal del tubo carga compresiva por debajo del límite de pandeo. Y cambia a una forma elíptica. La fuerza que provoca y por otro lado, se mantendrá un límite de tensión por debajo de los límites de cedencia del material. 38 67
- 39. Tuberías Tuberías Tensión (1.000LBX) Deflexión radial Reducción en diámetro Presión (PSI) Figura 27 Modelo de Akgun Figura 28 Modelo de Akgun, con presión diferencial Aplicando el modelo de figura 27, se obtiene que donde: para la carga axial y severidad presente, la tubería Figura 58 Capacidad de resistencia y carga de una tubería se reducirá en su diámetro 0.1 pg, generando con v cambio radial en el eje principal de la sec- ello una ovalidad adicional. ción transversal [pg] bería que se introduce al pozo, desde su corrida, va o un estado inicial de esfuerzos, a partir de un "tiem- θ es el ángulo donde ϖ es determinado [rad] Por otro lado, aplicando el modelo de Akgun, para la sufriendo alteraciones en las condiciones de carga po cero". Es decir, representar la magnitud del esta- ϖo cambio radial en el eje principal de la sec- presión diferencial actuando en el tubo, se tiene una de presión y de temperatura. Por esto es de gran do de esfuerzos axiales generados por las condi- ción transversal cuando θ = 0 deflexión radial total de 0.07 .Se debe tener cuidado interés evaluar las transformaciones en los esfuer- ciones iniciales de presión y de temperatura bajo o sobre el significado de este valor final, ya que repre- µ relación de Poisson (0.3 de acero) zos, particularmente en las cargas axiales. Los cam- durante la ocurrencia de un evento en particular. senta únicamente la deflexión debida a la diferencial E modulo de Young’s (30*106psi) de presión positiva. La reducción del diámetro del tubo bios que se presentan en los esfuerzos axiales tiene Como condición de carga inicial de una tubería de lugar por la característica de ductilidad con las que revestimiento se ha establecido el estado de esfuer- P diferencial de presión [psi] original (circular) se obtiene adicionando la deflexión están fabricadas las tuberías. Es decir, tienen la ca- zos axiales posterior a la cementación de la tubería. ro radio principal del tubo [pg] por carga axial a la deflexión por carga de presión, pacidad de deformación elástica hasta los límites En el caso de tuberías de producción, el estado de t espesor de pred [pg] esto es: de cedencia del acero. esfuerzo inicial se establece a partir del momento 0.07+0.1=0.17 pg de colgarla en el cabezal. En cambio en el fondo del Aplicando el modelo anterior para diferentes presio- Durante la evaluación de los cambios axiales que pozo, el estado de carga axial inicial para una sarta nes diferenciales y diferentes deflexiones radiales ini- Por lo tanto, la ovalidad generada en el cuerpo del experimenta una tubería, se han detectado cuatro de perforación es la prevaleciente en condiciones ciales, se genera una gráfica como la mostrada en la tubo en condiciones reales, considerando como diá- fenómenos o efectos axiales muy particulares que estáticas. figura 28. metro exterior máximo al diámetro nominal es: dan lugar a una alteración o modificación en el es- tado del esfuerzo axial. Estos son: Una vez establecida la condición inicial, para cada Ejemplo: S = ( 7 – ( 7-0.17) )/7=0.024=2.4% evento de carga (que generan un cambio de pre- · Pandeo sión y temperatura) se debe establecer el estado de Una tubería de 7 pg de diámetro exterior con espe- Este resultado tiene su impacto en la evaluación de · Balonamiento esfuerzos axiales, modificado por la acción de los sor de pared de 0.317 pg (23 lb/pie) y grado N-80 la resistencia al colapso de la tubería. En el caso · Pistoneo fenómenos aciales presentes. Cada nuevo estado trabajando a una presión diferencial de 2,000 psi y ideal esta tubería, de acuerdo con el API, tiene una · Efecto térmico. de esfuerzos axiales es analizado para aplicarlo con sujeta a una carga axial de 100000 lb, en un pozo resistencia al colapso de 3830 psi. Al considerar la fines de seleccionar el tubo o tuberías más propi- con una severidad de 30º /100 pies, genera la si- ovalidad del 2.4% estimada por efecto de la carga, Cada uno de ellos refleja una acción de carga axial cias para soportar estos cambios axiales. guiente deflexión u ovalidad adicional: la resistencia al colapso de esta tubería es de 3480 adicional (tensional o compresional) que hay que psi (aplicando el. modelo de ISSA para estimar la considerar en el diseño de las tuberías. Para lograr A continuación se describen los principales efec- lo anterior, se debe establecer una condición inicial tos axiales: 66 39
- 40. Tuberías Tuberías resistencia al colapso, considerando e =0). De esta × A temperatura ambiental (20 °C). forma, la resistencia al colapso nominal se reduce en un 10% por efecto de las cargas, situación que de- El API establece que el valor obtenido con la ecua- bemos tomar en cuenta para fines de diseño al traba- ción de Barlow se redondee en múltiplo de10. jar con cargas combinadas. Tensión Estallamiento La tensión es una condición mecánica (tensionada) La falla por estallamiento de una tubería es una de una tubería que puede ocasionar la falla o fractu- condición mecánica que se genera por la acción ra de la misma. Se origina por la acción de cargas de cargas de presión actuando por el interior de axiales que actúan perpendicularmente sobre el área la misma. La resistencia que opone el cuerpo del de la sección transversal del cuerpo del tubo. Las tubo se denomina resistencia al estallamiento. Por cargas dominantes en esta condición mecánica son efecto de las traducciones y el manejo del térmi- los efectos gravitacionales, flotación, flexión y es- no “burst”, generalmente se le ha denominado fuerzos por deformación del material. como resistencia a la presión interna. Sin embar- go, es claro anotar que este utilizado debido a que Resistencia a la tensión la presión interna es la carga y la propiedad del material es la resistencia. Esta opone el material a La resistencia a la falla por tensión de una tubería se fallar por estallamiento o explosión debido a la puede determinar a partir de la cedencia del mate- carga a la que está sometido por la presión actúa rial y el área de la sección transversal. Como se men- en la cara interior del tubo. cionó previamente, se debe considerar la mínima cedencia del material para este efecto. Es decir: Resistencia al estallamiento Figura 56 Comportamiento de cargas axiales Para predecir la resistencia al estallamiento de tu- 0 berías se utiliza la ecuación de Barlow. Se reco- mienda para tubos de espesor delgado, y es 500 avalada por el API como estándar en sus especifi- donde: caciones. 1000 RT = Resistencia a la tensión (psi) de = Diámetro exterior (pg) 1500 di = Diámetro interior (pg) 2000 sy = Minimo esfuerzo de cedencia (psi) donde: 2500 Puesto que la cedencia de un material se determina Profundidad ( f t ) PEST = Resistencia al estallamiento (psi) a partir de una prueba de tensión, que consiste en 3000 sy = Cedencia (psi) aplicar una carga axial en forma incremental sobre 3500 d = Diámetro nominal (pg) una probeta o especimen con cierta sección trans- t = espesor nominal (pg) versal (de acuerdo al ASTM), también se obtiene la 4000 resistencia a la tensión de dicho material. Este es Hipótesis al aplicar la ecuación de Barlow: muy diferente a la de una tubería, por la diferencia 4500 en la sección transversal del cuerpo del tubo y el de 5000 × Considera el mínimo espesor permisible en el la probeta. cuerpo del tubo (87.5% del espesor nominal) 5500 × Esfuerzo radial despreciable La resistencia a la tensión de una tubería de acuerdo a × Esfuerzo axial o carga axial = 0 6000 lo estipulado por el API, se mide en unidades de fuer- × Esfuerzo tangencial considerando presión ex- za (libras) con un valor resultante de redondear al nú- 6500 terna = 0 mero más próximo en múltiplos de 10 libras, al aplicar 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0 52.5 55.0 57.5 × Falla por cedencia (presión de cedencia interna) la ecuación de resistencia a la tensión. Esfuerzo Equivalente ( ksi ) Figura 57 Comportamiento de cargas triaxiales 40 65
- 41. Tuberías Tuberías Fricción (arrastre) la sobrecarga de la tectónica del domo. Esto obliga Modelo biaxial PRESION a utilizar el modelo triaxial aplicado para las tube- Las tuberías experimentan una carga axial por efec- rías. El modelo de Hackney presentado previamen- Un modelo simplificado a partir de la teoría de la TENSION- P.I. to del contacto que tienen con el agujero en el fon- te, se utiliza para obtener el esfuerzo tangencial de- distorsión máxima de deformación y trabajado en COMPRESIO do del pozo (TRs) o por el contacto que se tiene rivado de la sobrecarga del domo, el cual, debe su- dos dimensiones fue desarrollado por Nadia y acep- N-P.I. entre tuberías, TRs con la sarta de perforación o TP marse al esfuerzo tangencial generado por efecto tada por el API para representar la resistencia al co- con TRs. Por el contacto entre los materiales la esti- de las condiciones de presión interna y externa en lapso y el estallamiento de las tuberías sujetas a un mación de esta fuerza axial actuante se realiza con- la tubería, calculado mediante el modelo de Lamé, esfuerzo axial variable (diferente de 0). El modelo siderando la fuerza normal de la carga axial presen- y finalmente, considerar el resultado final del esfuer- considera la acción de los esfuerzos axiales y AXIAL te, a una profundidad dada. Por efecto del contacto, zo tangencial en una representación de los esfuer- tangenciales mucho mayores a los radiales. Su for- la fuerza axial debe considerarse como positiva (in- zos triaxiales. ma matemática es la siguiente: COMPRESION- COLAPSO TENSION- cremento en la tensión). Por efecto del contacto, COLAPSO cuando la tubería se jala o se levanta, la fuerza axial Cargas triaxiales debe considerarse como positiva (incremento en la tensión). Es decir, se incrementa la carga axial de El diseño y análisis de una tubería realizado de acuer- donde: tensión por la fuerza de fricción contraria al movi- do con el modelo triaxial de Von Misses, debe en- miento de la tubería. Al momento de introducir la tenderse como un medio para estimar la capacidad s = Esfuerzo axial equivalente (psi) Figura 29 Comportamiento del modelo biaxial tubería al pozo, esta fuerza axial de contacto se pre- de resistencia y para valorar rápidamente la condi- Ae senta como una fuerza compresiva (negativa). Esto ción de trabajo de una tubería. Podemos reiterar que s = Cedencia (psi) y es porque la fuerza de contacto sirve de apoyo para la capacidad de resistencia triaxial de una tubería propuesto una buena cantidad de teorías encamina- s = Esfuerzo axial (psi) das a resolver o plantear mediante el uso de modelos soportar la carga axial presente en la tubería. La si- queda representada mediante su envolvente elípti- A guiente ecuación se utiliza para determinar la carga ca. La condición de trabajo triaxial o carga triaxial matemáticos la predicción de la resistencia de un axial por fricción: es el perfil resultante del esfuerzo equivalente de Su aplicación ha sido orientada más a la represen- material ante la imposición de diferentes esfuerzos. Von Misses, obtenido a partir de la evaluación de tación del colapso bajo la carga axial variable. Y se Con este propósito, habremos de considerar una de Fr µWf sin(θ)L los tres esfuerzos principales (tangencial, axial y ra- utiliza asignando en las ecuaciones de colapso una las teorías más fundamentadas y utilizadas en la teo- dial) en cada punto de profundidad y en considera- cedencia equivalente calculada a partir de la ecua- ría clásica de la elasticidad para cuantificar la magni- donde: ción a las condiciones de presión y esfuerzo axial ción anterior. tud de los esfuerzos que toman lugar en un material de cada uno de los eventos de carga convenidos para hacerlo fallar. Esta teoría se denomina “de la dis- : : Peso flotado de la tubería para fines de diseño. Para este fin, se utilizan los La gráfica biaxial presentada en la figura 29 muestra el torsión de la energía de deformación máxima” pro- comportamiento de disminución de la resistencia al puesta inicialmente por Henckey Von Mises. Dicha teo- I µ : factor de fricción modelos de Lamé, Hanckey y Von Misses. La figura 52 muestra el perfil de esfuerzos triaxiales a los que colapso para tuberías sujetas a un esfuerzo axial ma- ría estipula que existe un esfuerzo equivalente a partir 0.25...(tubo - tubo) se somete una tubería. Una forma alterna de yor a cero (tensión en cuarto cuadrante), situación que del cual los tres esfuerzos principales actuando en un 0.35....(tubo - formación) visualizar el comportamiento de carga triaxial se cambia en esfuerzos axiales menores a cero (compre- material están en equilibrio, ver figura 30. Su repre- Fr = Carga axial de arrastre (lbf) realiza mediante la graficación de las trayectorias sión tercer cuadrante). El resultado de esta predicción sentación en coordenadas cilíndricas y aplicado para q= Angulo máximo de flexión (grados) de carga (profundidad vs presión - carga axial) de de pérdida o ganancia de resistencia ha estado sujeta una tubería es: L = Longitud de tubería (ft) cada uno de los eventos considerados, dentro de la a controversia, en virtud de no contar con pruebas exhaustivas que corroboren lo anterior. Se considera envolvente triaxial o criterio de falla de la tubería. La σ 2VME = 1/2 { (σA - σT)2 + (σT -σR )2 + (σR -σA)2 } La figura 51 muestra una gráfica típica del com- figura 53 presenta un ejemplo del comportamiento que un solo +10% en resistencia se puede obtener portamiento de la carga axial estimada para dife- de las diferentes trayectorias de carga y de la capa- bajo compresión. Y por tensión puede considerarse rentes eventos de carga. cidad de resistencia de una tubería. una pérdida total en resistencia. donde: s : Esfuerzo equivalente de Von Mises (psi) Cargas no axiales (formaciones plásticas) Efectos axiales Modelo triaxial VME s : Essfuerzo Axial (psi) La estimación de los esfuerzos generados por la pre- Las condiciones de presión y de temperatura pre- En los conceptos definidos anteriormente la resisten- A cia de las tuberías quedó representada mediante un s : Esfuerzo Radial (psi) sencia de formaciones plásticas(domo salino) se ha sentadas durante los diferentes eventos en un pozo R estudiado en forma incipiente. En los últimos años, afectan a las tuberías al modificar el estado de es- modelo cuya validez de aplicación se considera s : Esfuerzo Trangencial (psi) han surgido una serie de modelos que permiten fuerzos propios de la misma. En el estado de es- MONOAXIAL o UNIAXIAL. Es decir, la falla del mate- T cuantificar la magnitud del esfuerzo generado por fuerzos aciales éstos cambios tienen un impacto más rial ocurre bajo la acción de un esfuerzo actuando en un solo plano del material. No toma en cuenta la ac- A fin de aplicar el modelo de Von Mises para deter- la carga variable de una formación del tipo de los severo. La mecánica de materiales establece que un minar la resistencia de los elementos tubulares, se domos salinos. La única manera de estudiar el efec- cuerpo sujeto a un esfuerzo axial es su estado de ción de otros esfuerzos actuantes en el cuerpo del consideró que el esfuerzo equivalente se represen- to de un domo salino ha sido a través de la estima- esfuerzos al aplicarle una condición de carga dife- material. Sin embargo, las causas de una falla de un ta por la cedencia del material. Es decir, el máximo ción del esfuerzo tangencial adicional generado por rente. Por lo anterior, se debe entender que una tu- material han sido extensamente estudiados. Se han 64 41
- 42. Tuberías Tuberías Peso flotado presenta en las tuberías por efecto del cambio de r = Radio interior (pg) i ángulo en la verticalidad del tubo. Una forma de r = Radio exterior (pg) Al considerar el efecto de flotación por los fluidos evaluar la magnitud de la fuerza axial de flexión ge- e presentes en el pozo mediante el método de pre- nerada en una tubería es mediante el modelo de r = Radio (pg) sión-área: Greenip, dentro del cual se considera convencio- FF = - PeAf nalmente como positiva la carga de tensión, mien- s = Esfuerzo trangencial (psi) T tras que las cargas compresivas se consideran ne- Un método práctico para determinar el efecto de gativas. A continuación se presenta la ecuación para Ecuación del Modelo Triaxial flotación es mediante la aplicación del concepto de determinar el esfuerzo por flexión y la carga axial σVME = σ 2A + (C1 PI+C2 PE ) σA + C3 P 2I + C4 PE2 + C5 PI PE Arquímides. Este establece que todo cuerpo sumer- resultante: gido en el seno de un fluido experimenta una fuerza contraria o empuje sobre el peso del cuerpo con donde: una magnitud igual al peso del fluido desplazado. (d / t ) 2 Por lo anterior, se determina el denominado factor C = de flotación: 2 (d / t - 1 ) Fflo = 1 - ρf / ρa C 1 =2 - C Figura 30 Representación de los esfuerzos equiva- C 2 =C El factor de flotación se multiplica por el peso "al lentes (Axial, radial y tangencial) aire" de la sarta de tuberías para considerar en for- C3 = C 2 - C +1 esfuerzo equivalente que pudiera experimentar una ma práctica el efecto de la flotación. Sin embargo, donde: tubería sería de una magnitud equivalente a la C =C el método más preciso para determinar el peso flo- 4 cedencia del material. Sin embargo, es preciso apun- tado de una sarta es el de presión-área. En el caso Fx: Fuerza axial, curvatura cte. (lbf) C 5 = - 2 C2 +C tar que esta consideración implica suponer que la de contar con una sarta de tuberías de diferente Fxv: Fuerza axial, curvatura viariable (lbf) acción de un esfuerzo monoaxial como es la t = espesor(pg) peso, debe considerarse el efecto del cambio dimen- E = Módulo de young (psi) cedencia, represente la acción de los tres esfuerzos d = diámetro exteriorpg) ( sional interior y exterior de las tuberías por el incre- d = Diámetro nominal (pg) principales actuando en un material simultáneamen- mento en la fuerza de flotación. R = Radio de curvatura (pg) s = Esfuerzo triaxial equivalente (psi) te. Lo anterior significa que estamos aceptando VME ∆Fflo = π/4(pi(d2ia - d2ib) - Pe (d2ea _ d2eb)) q = Severidad (grados) como criterio de falla, una vez más, a la cedencia As = Área de sección transversal (pg2) El modelo anterior queda representado mediante las donde: del material. L = Longitud del tramo de tubería (ft) variables de presión externa, presión interna, esfuer- I = Momento de inercia (pg4) zo axial, delgadez y cedencia del material. Una forma alterna de representar el modelo triaxial FF = Carga comprensional por flotación (lbf) Fa = Fuerza axial antes de la flexión (lbf) de Von Mises para su aplicación en el campo de Pe = Presión externa en la zapata (psi) A fin de determinar la resistencia de las tuberías con ingeniería, ha sido resultado de simplificar, a partir Choque este modelo triaxial, se realizan las siguientes con- Af = Área de sección transversal en la zapata (ft2) de la misma teoría clásica de la elasticidad, el signi- sideraciones, o lo que algunos han llamado proce- Fflo = Factor de flotación (adimensional) ficado de los esfuerzos tangenciales y radiales me- Una fuerza de choque puede generarse por la ace- dimiento de NORMALIZACIÓN: diante las ecuaciones de Lamé: rf = Densidad del fluido (gr/cm3) leración y desaceleración instantáneas durante la in- ra = Densidad del acero (gr/cm3) troducción de la tubería en el pozo (corrida). La 1) Para evaluar la capacidad de resistencia a la magnitud de la fuerza axial generada puede ser de falla por colapso: DFflo = Carga compresional por flotación por cam- importancia para fines de diseño. Por esto debe es- bios de geometría (lbt) timularse basándose en la teoría elástica: Suponer la NO existencia de presión por el in- Pi = Presión por el interior del tubo (psi) terior de la tubería. Fs= 1780 ∆vAs Pe = Presión por el exterior del tubo (psi) donde: Simplificar en términos de presión externa la dia = Diámetro interior de la cima de cambio de ecuación del modelo triaxial. sección (pg) Fs = Carga axial por choque (lbf) donde: deb = Diámetro exterior de la base de cambio Dv= ft/seg) Resolver la ecuación cuadrática resultante. de sección (pg) As = Area de la sección transversal (pg2) sR = Esfuerzo radial (psi) El resultado de lo anterior representa en forma Flexión Es de observarse que en la medida que se aumente P = Presión interna (psi) gráfica una elipse cuyo contorno simboliza la re- la velocidad de introducción, la tubería se expone a I sistencia al colapso para las diferentes condicio- En pozos desviados o en pozos con severidades al- P = Presión externa (psi) una carga de choque elevada. Esta se considera nes de esfuerzo axial. Para fines prácticos se uti- tas es necesario estimar la carga por flexión que se E como medida de seguridad. 42 63
- 43. Tuberías Tuberías liza la región del primer y segundo cuadrante de la gráfica. Es decir la parte positiva de las presio- nes resultantes. 2) Para evaluar la capacidad de resistencia a la falla por estallamiento: Suponer la NO existencia de presión por el ex- terior de la tubería. Simplificar en términos de presión interna la ecuación del modelo triaxial. Resolver la ecua- ción cuadrática resultante. El resultado de lo anterior representa en forma gráfica una elipse cuyo contorno simboliza la re- sistencia al estallamiento para las diferentes con- diciones de esfuerzo axial. Para fines prácticos se utiliza la región del primer y segundo cuadran- te de la gráfica. Es decir, la parte positiva de las Figura 31 Representación del modelo triaxial nor- presiones resultantes. malizado 3 ) Representación triaxial: dad, y que en las relaciones de delgadez <15 NO se ha justificado. Figura 54 Perfiles de presión externa En forma convencional representar las dos cur- vas resultantes en un solo gráfico, trazando en el × Se debe evaluar una elipse por cada grado de primer y segundo cuadrante la curva que repre- tubería que se utilice. senta la resistencia al estallamiento. Y la segun- da curva, que representa la resistencia al colap- Representar en forma simultánea, tanto la elipse que so, colocarla en el tercer y cuarto cuadrante. representa la resistencia del material, como la trayec- toria de cargas de presión vs carga axial, para El resultado de aplicar este convencionalismo, ge- cualitativamente observar las condiciones de trabajo nera una elipse que representa los límites de resis- de una tubería. Es decir, toda condición de carga fuera tencia a la falla por colapso y por estallamiento a del contorno de la elipse se dice que está propiciando las diferentes condiciones de esfuerzo axial. Es una condición de falla en la tubería. decir, se manejan tres variables para representar la resistencia del material. La cedencia del material Criterios de falla de la tubería queda representada por la magnitud de la elipse. Un punto de interés en la elipse, es el representa- Una forma clara de entender el concepto de falla, y do a presión “0” sobre el eje de las abscisas, y que reconocer el límite de resistencia de las tuberías, pue- representa la resistencia a la tensión. de establecerse mediante un gráfico en el que se inte- gre el modelo del API, así como el modelo biaxial (in- Las siguientes consideraciones deben tomarse en corporado en el modelo API) y el modelo triaxial. La cuenta para el uso adecuado del modelo triaxial figura 27 muestra los límites de resistencias de una mostrado en la figura 31: tubería bajo los conceptos: API, biaxial y triaxial. Es importante señalar que a este tipo de gráficos se le × El modelo representa la resistencia de los mate- puede denominar como la representación de los cri- riales en tuberías con una delgadez > 15. Esto sig- terios de falla de una tubería, dado que en ella se deli- nifica que prácticamente está dirigido a diámetros mita el nivel de presión y tensión que puede soportar de tubería menores de 7 5/8”, en virtud de supo- hasta fallar una tubería. También se le ha denominado Figura 55 perfiles de presión interna ner la aplicación de la teoría clásica de la elastici- como la envolvente de falla o envolvente triaxial. 62 43
- 44. Tuberías Tuberías 4.50 Pi = Pgas + Phea Cargas axiales donde: 3.75 Tri-axial 1.000 Una de las principales causas de falla en las tuberías Pi = Presión interna (psi) es la acción de las cargas axiales en las operaciones 3.00 Pgas= Presión de gas (psi) en un pozo. La condición del diseño establece que la Burst 1.000 Tension 1.000 Phea = Presión hidrostática en el espacio anular (psi) capacidad de resistencia axial sea superior a la carga 2.25 axial impuesta para garantizar la seguridad de no-de- Estimulación o inyección de fluidos formación de la tubería. Por lo tanto, debemos esti- 1.50 mar las diferentes cargas axiales que toman lugar y El efecto de la inyección de fluidos al interior del así lograr evitar la falla en las tuberías. Un aspecto in- 0.75 pozo propicia una condición de cambio de presión teresante respecto a la evaluación de las cargas, es Presión efectiva (ksi) en el interior de la TR. Si la inyección de los fluidos que podemos considerar que para las cargas axiales 0.00 es por el espacio anular, el perfil de presión resul- prácticamente se tiene un conocimiento preciso para tante es el generado por la presión de inyección y la su cuantificación. Este hecho ha favorecido, que los -0.75 dinámica de los fluidos inyectados en EA. Si la in- denominados factores de diseño a la tensión sean yección es por el tubing, el efecto del cambio de considerados con valores inferiores a 1.3. Hasta hace Collapse 1.000 -1.50 temperatura en el espacio anular debe considerse, algunos años esta situación, todavía se manejaba con ya que afecta al comportamiento de presión en EA, valores del orden de 1.8. -2.25 por efecto de la expansión térmica en el mismo. Lo anterior ha sido posible gracias a los desarrollos -3.00 Pi= Pwh + Phea +DPf e investigaciones realizadas por diferentes autores. donde: Se ha permitido contar con modelos matemáticos -3.75 muy aproximados para la evaluación de las cargas Pi = Presión interna (psi) axiales. A continuación se describen los diferentes Note: Limits are approximate Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) modelos que se utilizan para determinar la magni- -4.50 -1000000 -800000 -600000 -400000 -200000 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 Phea = Presión hidrostática en el espacio anular (psi) tud de las diferentes cargas axiales que experimen- Tension (lbf) DPf = Caídas de presión por fricción en el espa- tan las tuberías en el interior de un pozo. Figura 32 Criterio de Falla para una tubería 13 3/8’’ cio anular (psi) Peso La producción de fluidos La cedencia del material está implícita en cada una da el uso de tales formulaciones y como tal es un El primer efecto axial a considerar en el diseño de de las líneas trazadas, excepto en la línea corres- marco de referencia bastante aceptable; y final- Las condiciones de producción ocasionan un cam- tuberías es el peso propio de la sarta de tuberías: pondiente a la falla por colapso, en aquellos casos mente, porque se ha adoptado como un estándar bio en las condiciones de temperatura en el espa- en la que se tenga una delgadez mayor a 15, bajo lo a nivel internacional. cio anular. Es importante evaluarlo para estimar el W = Swi hi cual no aplica la cedencia. Esto último obedece a grado de afectación por expansión térmica. Los per- que la falla por colapso se considera como una falla Por otro lado, el modelo triaxial es realmente una files de presión y temperatura que se deben eva- donde: inestable sobre todo para tuberías con una delga- teoría que formula los límites de resistencia de luar son función del comportamiento dinámico del dez mayor a 15. una tubería ante la acción combinada de los es- flujo prevaleciente del intervalo productor. Es decir, W = Peso total de la sarta (al aire) )lbf) fuerzos, que si bien es más realista desde el pun- puede ser en condiciones de flujo multifásico, de wi= Peso unitario de la tubería (lbf/ft) La decisión de definir cual es finalmente la resis- to de vista de propuesta, también habrá que decir una sola fase o bifásico. Una manera formal de re- tencia de una tubería recae en entender clara- que no se tienen pruebas que la validen en toda presentar la evaluación de esta condición es la si- hi = Longitud de la sarta (ft) mente los criterios de falla. Es decir, por un lado su extensión. Además, tiene algunas singularida- guiente: tenemos el comportamiento API y por otro el des como lo correspondiente a la no reproduc- Se utiliza el peso nominal del tubo y conexión en Pi= Pwh + Phea +DPf modelo triaxial. Es bien claro que el criterio API ción de la resistencia al colapso para delgadez las tuberías de revestimiento y en las tuberías de es más conservador por la condición uniaxial o superior a 15, lo cual lo limita a tuberías práctica- producción. Mientras que para tuberías de perfora- donde: monoaxial por el cual fue desarrollado. Sin em- mente de diámetros pequeños (< 7 5/8”). No obs- ción, es práctica común utilizar el denominado peso Pi = Presión interna (psi) ajustado, que significa considerar el peso nominal bargo, hay razones de peso que indican el por qué tante lo anterior, el modelo triaxial o la envolven- es la decisión mas recomendada en la actualidad. te triaxial o el criterio de falla triaxial ha retomado Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) del cuerpo del tubo, más el peso de la conexión. Lo Entre ellas está que las magnitudes de las resis- su utilidad para analizar el estado de esfuerzos Phea= Presión hidrostática en el espacio anular (psi) anterior se debe a que la sarta de perforación gene- tencias están avaladas con pruebas extensivas; combinados en las tuberías, cuando se está suje- ralmente cuenta con conexiones recalcadas de ma- DPf = Caídas de presión por fricción en el espa- además, el API es una institución que recomien- ta a condiciones variables. yor peso unitario que el cuerpo del tubo. cio anular (psi) 44 61
- 45. Tuberías Tuberías donde: fij = Factor de fricción para un fluido (i) y cam- 15.0 Pi = Presión de circulación de fondo (psi) bio de sección geométrica (j) (adimensional) Pwh = Presión en cabeza del pozo (psi) Vij = Velocidad del flujo (ft/seg) 12.5 hj = Profundidad de interés (ft) Tri-axial 1.000 Pérdida de circulación 10.0 rj = Densidad del fluido circulante (psi/ft) Burst 1.000 DHi = Tirante del fluido (ft) Esta condición se manifiesta al considerar que la tu- Te nsion 1.00 0 7.5 fij = Factor de fricción (adimensional) bería de revestimiento se queda vacía por el inte- vij = Velocidad del fluido (j) en la geometría rior. Esto se debe a una pérdida total o parcial del 5.0 Presión efectiva (ksi) fluido de control al continuar con la perforación de (i) (ft/seg) la siguiente etapa. Las causas de la pérdida pueden 2.5 obedecer a diferentes factores. Sin embargo, para Pruebas de presión determinar el perfil de presión por el interior de la 0.0 tubería, se representa una presión equivalente de 1 Es el perfil de presión resultante de la aplicación de atmósfera en el tirante vacío, y a partir de este pun- una presión de inyección en superficie, a través del -2.5 to, se considera la hidrostática del fluido de control. uso de un fluido de densidad constante. El resulta- En el caso de una pérdida total, se considera la pre- -5.0 do es un perfil de presión lineal, desde la superficie sión atmosférica en toda la longitud de la TR. hasta el punto de profundidad de la prueba. -7.5 Collapse 1.000 La condición de un brote Pi = Piny + hz Pf /10 -10.0 La manifestación de gas durante la perforación de donde: la siguiente etapa propicia que se modifique el per- -12.5 fil de presión en el interior de la TR. Al momento de Pi = Presión interna (kg/cm2) controlar un brote, también se ve alterado el perfil -15.0 Note: Limits are approximate de presión por el interior de la tubería. Una forma -900000 -750000 -600000 -450000 -300000 -150000 0 150000 300000 450000 600000 750000 900000 Piny = Presión de inyección (kg/cm2) convencional de representar los perfiles de presión Tension (lbf) hz = Profundidad de interés (m) al momento de manifestación de un volumen de gas Figura 33 Criterio de Falla para una tubería de 7” rf = Densidad del fluido (gr/cm3) se muestra a continuación: La hidráulica durante la perforación Por la migración de gas En las figuras 32, 33 y 34 se muestra los criterios Fallas por carga axial de falla para algunos diámetros de tubería muy La estimación del comportamiento de la presión de Este caso de presión se manifiesta por la canaliza- comunes en uso como TRs. Se observa claramen- Las cargas axiales pueden divididirse en cargas de circulación durante las operaciones de perforación, ción del gas a una presión constante hasta la super- te que entre más pequeño sea el diámetro ( < 7” tensión y cargas compresivas. Las cargas de ten- conducen a considerar las caídas de presión por fric- ficie. Propicia que la presión de poro al nivel del in- ), el modelo API se asemeja al modelo triaxial. Por sión generalmente son soportadas por la forma de ción en cada uno de los componentes de la sarta, tervalo que produce el gas, se manifieste con la mis- lo que se refuerza la recomendación de que en la rosca de la conexión. Mientras que las cargas tanto en el interior como por el espacio anular. La ma severidad o intensidad en superficie. Por esto tuberías de diámetro > 7 5/8” no se deba utilizar compresivas, se soportan por la forma de la rosca y forma más común y convencional de obtener la pre- se incrementa la presión en el interior de la TR al el criterio de falla triaxial de tuberías. Sobre todo, por los hombros de paro o por ambos. sión de circulación en cada punto de profundidad sumar la carga hidrostática del fluido de control. Una por la diferencia muy notable entre la resistencia queda representado por la siguiente fórmula: forma discreta de obtener el perfil se muestra a con- al colapso predicha por las ecuaciones API y el Salto de Roscas ( Jump-out ). Es una situación tinuación: modelo triaxial. de falla originada por una carga de tensión en la n m n m que se presenta una separación de la rosca del Pi (h) = Pwh + S S rihj + S S hjfijVijri Fuga en el tubing Fallas en las juntas piñón o de la caja con poco o sin ningún daño i=1 j=1 i=1 j=1 sobre los elementos de la rosca. En caso de una donde: Este caso considera que la tubería de producción in- Las conexiones roscadas o juntas de tuberías son carga compresiva, el piñón se incrusta dentro de currió en una falla por fuga en las conexiones, trans- elementos mecánicos con dimensiones geométricas la caja. Pi (h) = Presión en el interior (psi) mitiendo la presión de producción o inyección hacia variables que hacen difícil -a diferencia de las tube- Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) el espacio anular. Con esto se incrementa la presión rías- establecer una condición de falla en las mismas. Fractura. La carga de tensión genera la separación ri = Densidad del fluido de perforación (psi/ft) de los fluidos contenidos en dicho espacio anular. El Sin embargo, se han detectado diferentes modos de del piñón de la del cuerpo del tubo, que general- hj = Profundidad de cambio de sección del perfil de presión resultante es lineal al considerar la falla en las juntas por efecto de la carga impuesta mente ocurre en la última rosca enganchada. flujo (ft) presión hidrostática del fluido en el Espacio Anular (EA) mas la presión debida al fluido producido. 60 45
- 46. Tuberías Tuberías 24.0 tuales. Es decir, se aplica únicamente en el intervalo Perfiles de presión interna en el que está actuando la formación plástica. El 20.0 modelo propuesto por Hackney30 permite determi- Como se mencionó previamente, las condiciones Tri-axial 1.000 nar la magnitud del esfuerzo tangencial debido a la de presión que se presentan durante la introduc- 16.0 Burst 1.000 carga de un domo salino: ción, cementación, perforación, terminación y pro- ducción de un pozo corresponden mas a cambios Tension 1.000 12.0 de presión por el interior de las tuberías. Lo anterior implica diferentes condiciones de flujo que gene- 8.0 ran un comportamiento de presión respecto a pro- fundidad en el interior de las tuberías. Este perfil de Presión efectiva (ksi) 4.0 presión interna determinado para cada caso u ope- ración dentro del pozo, representa el estudio de por 0.0 vida de las condiciones de presión a las que se va a someter la tubería. Por lo tanto, debemos evaluar -4.0 todos los casos que represente un estado de cam- -8.0 bio de presión en la tubería. A continuación, se pre- sentan algunos de los casos más comunes y utiliza- -12.0 dos para representar la forma de evaluar los perfi- les de presión en el interior de las tuberías. La figu- -16.0 Collapse 1.000 ra 50 muestra un ejemplo de perfiles de presión in- terna para varios eventos de carga. -20.0 Durante la introducción de la tubería Note: Limits are approximate -24.0 -750000 -600000 -450000 -300000 -150000 0 150000 300000 450000 600000 750000 900000 1050000 Representa la presión hidrostática ejercida por el flui- Tension (lbf) Mediante el uso del modelo de esfuerzos tangenciales do de control al momento de correr la tubería en el de Lamé y el modelo de Hackney se puede obtener la interior del pozo. Figura 34 Criterio de Falla para una tubería de 5” carga de presión externa actuando en las caras exte- riores de la tubería, que debe considerarse como car- ga adicional a la presente en cualquier evento consi- Pi = hzPf / 10 Corte de la rosca: Las roscas son desprendidas del de fondo, o por algún daño ocurrido en los ele- derado para la carga de presión. piñón o de la caja. mentos de la junta durante el manejo o corrida de donde la tubería. Efecto de la expansión de los fluidos en espacio Pandeo: Las cargas compresivas generan una falla anular Pi = Presión interna (kg/cm2) que se presenta como una combinación de corte Galling (Desprendimiento de material): Esta es h = Profundidad de interés (m) de la rosca y trasroscado con el piñón incrustándose una condición de falla ocasionada por el desgas- En pozos marinos donde los espacios anulares que- z en la caja. te de los metales en contacto (interferencia de las dan confinados se presentan condiciones desfavora- P = Densidad del fluido (gr/cm3) f roscas piñón-caja) durante las operaciones de ma- bles al momento de experimentar un incremento en Fallas por carga de presión nejo y apriete de las conexiones. Un apriete exce- la temperatura de los fluidos producidos, lo cual, ge- Durante la cementación sivo genera una alta interferencia de contacto en- nera que se incremente la presión en el espacio anu- Las cargas de presión en una junta pueden aplicar- tre las superficies de sello (rosca o los sellos me- lar. En un contenedor rígido y cerrado, el incremento El perfil de presión generado por el desplazamien- se interna o externamente. Generalmente, el mis- tal-metal). Esto propicia el desprendimiento de de 1°F al tener agua a 100 °F experimenta un incre- , to de los fluidos bombeados durante las opera- mo mecanismo de sello en la conexión puede usar- metal. Este problema también se presenta por el mento de presión de 38000 psi. Sin embargo, tanto ciones de cementación, en el cual se consideran se para el sellado en cualquier dirección. Algunas uso continuo de apriete y desapriete (quebrar tu- las tuberías como la formación tienen un comporta- las caídas de presión por fricción y el fenómeno juntas usan un sello en cada dirección. bería) de las conexiones. miento elástico que permite que el espacio anular ten- de caída libre en el interior de la TR. La represen- ga cierta conformación de cambio de volumen por tación generalizada para evaluar el perfil de pre- Fuga: Se presenta cuando existe comunicación de Cedencia en el Piñón: Es una condición de falla en efecto del incremento de la presión. Por lo tanto, para sión es la siguiente: fluidos hacia el interior o exterior de la junta. Es una el piñón que se presenta cuando se alcanzan es- estimar el efecto de presión en el espacio anular se de las principales condiciones que debe observar fuerzos (tangenciales) superiores a la cedencia del debe obtener un equilibrio por la expansión térmica y j=Nf una junta para soportar las cargas por presión. La material por efecto simultáneo de la alta interferen- la expansión volumétrica. Este efecto de presión ge- Pe(h) = Pwh + Σ hjρj + ΣΣ ∆HI fIJ v2ijρj j=1 fuga en una junta es causada generalmente por: cia en el apriete y el efecto actuante de la presión. nerado por la expansión térmica es un factor de con- falla en el diseño de la junta, por las condiciones Esta situación incrementa el riesgo de una falla por sideración en el diseño de pozos marinos. 46 59
- 47. Tuberías Tuberías Perfiles de presión externa Después de cementada la TR agrietamiento del piñón, al trabajar en ambientes amargos. Además, al tener un piñón con problemas A continuación se presenta un resumen de las condi- Al término de la cementación primaria se pueden de cedencia (deformación plástica) existe la posibi- ciones que propician la acción de presiones externas considerar varias condiciones de presión actuando lidad de que en las operaciones de apriete y des- sobre la tubería y que generan una presión actuante sobre la tubería: apriete de las conexiones, no se alcance el sello en cada punto de profundidad. Además, en la figura adecuado en la misma. 49 se muestra un ejemplo del comportamiento de los × La hidrostática de los fluidos contenidos en el perfiles externos actuando en una TR.: espacio anular, considerando la lechada como Todos los problemas de fallas en las juntas están fluido. asociado principalmente a las características de di- En la introducción de la TR seño de la junta, tal es el caso de las siguientes ob- × La hidrostática por la degradación en densidad servaciones: Es aquella presión ejercida por la hidrostática del de los fluidos contenidos en el espacio anular. En fluido de control al momento de la corrida en el pozo. este caso se considera la densidad del fluido base · Una rosca con alta conicidad favorece la rapi- de cada uno de los fluidos (lodo y lechada). dez de apriete (bajo número de vueltas), a ex- pensas de propiciar el riesgo de una falla por Figura 35 Falla en el roscado de la tubería donde: Pe = hzPf710 × La hidrostática del lodo considerando la lechada salto de la rosca. ya fraguada (sin hidrostática). En este punto se Pe = Presión externa (Kg / cm2) tienen estudios en los que se comprueba que al · Conforme la altura de una rosca se incrementa, h2 = Profundidad de interés (m) fraguar la lechada, la carga hidrostática trasmiti- la posibilidad de salto se decrementa. Sin em- rf = Densidad del lodo (gr / cm3) da se desvanece, razón por lo cual se presentan bargo, ante esta situación, el área de la sección problemas de migración de gas. crítica de la junta y su eficiencia a la tensión- Durante la cementación de la TR compresión, también se decrementa. Efecto de la presión de formación Es la presión generada por el desplazamiento de los · La condición de diseño más contradictoria en fluidos inyectados al interior del pozo y circulando La acción de las presiones de poro o de formación una junta es la situación de contar con un dise- en el espacio anular entre agujero y TR. Desde el actuando sobre las paredes de la tubería es una con- ño que mantenga un alto sello a la presión (lo punto de vista hidráulico, bajo condiciones dición que se da en forma permanente. Sin embar- cual requiere una alta interferencia ) con la ne- isotérmicas y considerando fluidos incompresibles, go, dependerá de la permeabilidad del medio para cesidad de mantener un bajo nivel de esfuerzos el perfil de presión generado se expresa por la si- establecer que dicha presión invariablemente actúe para evitar el problema de agrietamiento por H2S guiente ecuación: sobre la tubería, contrarrestando la acción hidros- o para evitar la cedencia del piñón. tática de los fluidos en espacio anular. Además, en j=Nf la zona aislada por el cemento, al ser una buena Ejemplos de fallas en tubulares Figura 36 Rompimiento de piñón en tubería Pe(h) = Pwh + Σ hjρj + ΣΣ ∆HI fIJ v2ijρj cementación, se considera como impermeable, por j=1 lo que deja de actuar la presión de poro sobre las La ocurrencia de fallas en las tuberías y juntas du- dado para predecir el desempeño mecánico de donde: paredes de la tubería. En el caso de considerar una rante las operaciones de perforación, terminación y las juntas. La industria ha realizado esto y ha fun- mala cementación, podría considerase la acción de reparación de pozos son variadas. Traen consigo el dado proyectos de investigación a través del API Pe = Presión de circulación de fondo (psi) la presión de formación sobre la tubería. retraso en los programas operativos e incrementan y de la DEA (Drilling Engineering Association) para Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) los costos asociados al pozo. Ejemplos de fallas ocu- formular y validar modelos analíticos aproxima- hj = Profundidad de interes (ft) Para cuantificar la acción de estas presiones de poro, rridas en diferentes pozos en los elementos dos para las conexiones API. En el caso de las rj = Densidad del fluido circulante (psi / pie) se debe acudir a la evaluación de geopresiones ha- tubulares se muestran en las figuras 35 a 49. conexiones premium (o propietarias ), los fabri- Dhi = Tirante de fluido (ft) ciendo uso de la información disponible de regis- cantes necesitan proporcionar estas capacidades fij = Factor de fricción (adimensional) tros de pozo (geofísicos o sísmicos). Resistencia en las juntas a la industria, de sus propias conexiones, a fin de vij = Velocidad del fluido (j) en la geometria (i) (ft / seg) que los usuarios las seleccionen apropiadamente Efecto de una formación plástica La amplia gama de conexiones roscadas que exis- para fines de diseño en un pozo. Cabe mencionar que una de las condiciones de pre- ten actualmente para la industria petrolera indica que sión externa mas severa es precisamente la que se La presencia de una formación plástica como un no hay una junta perfecta. Esto es verdadero de- A continuación, se describen algunos de los mode- presenta durante la operación de cementación. Sin domo salino propicia que la tubería esté sujeta a un bido a que cada una tiene su propia resistencia y los analíticos que se han propuesto para evaluar la embargo, la CARGA NETA de presión es significati- esfuerzo tangencial variable que genera condicio- debilidad. Son aplicables para ciertas condiciones resistencia a determinadas cargas de algunas co- vamente menor debido a que el diferencial de pre- nes de presión externa sumamente elevadas. Ge- de servicio. Una resistencia en un caso, puede ser nexiones roscadas. sión es relativamente bajo respecto a la magnitud neralmente estas presiones son una medida de la una debilidad en otras situaciones. Esto es una de las presiones presentes durante la circulación de sobrecarga actuando entre la cima y la base del razón del porque se requiere de un modelo vali- los fluidos. domo salino. Estas condiciones de presión son pun- 58 47
- 48. Tuberías Tuberías · Introducción de tubería. cargas de presión resultantes como positivas simbo- · Antes de cementar TR lizaran que el tubo queda sujeto a una presión de co- · Cementando TR lapso. Mientras que una carga de presión negativa sig- · Después de cementar TR nificará que la tubería esta sujeta a una presión de · Jalón a las tuberías estallamiento. · Colgando(o anclando) tubería · Soltando peso (TP) Las situaciones operativas que dan lugar a la acción · Rotando tubería de una carga de presión en las tuberías se presen- · Pruebas de presión tan desde el mismo momento de la introducción de · Brote la tubería al interior del pozo. Es decir, las presiones · Pérdida de circulación se van generando por el fluido de control, tanto ex- · Circulando fluidos terna como internamente. Sin embargo, dichas con- · Desplazamiento de gas diciones se ven alteradas al momento de hacer un · Fuga de tubería de producción cambio o circulación de fluido, o al efectuar el des- · Represionamiento anular plazamiento de los fluidos para la cementación de · Estimulación la misma. El estado de carga después de fraguado el · Fracturamiento cemento también refleja un cambio en las cargas de Fifura 39 Falla por corrosión en cople · Inyección de fluidos presión. Posterior a esto, al continuar la perforación el · Producción permanente estado de cargas de presión se ve alterado por un cam- · Producción transitoria bio de fluido o por las condiciones hidráulicas impues- · Acción de domo salino tas durante la perforación, o por cualquier operación de prueba efectuado durante la misma, o por efecto Cargas de presión de una condición que altere el estado de presión como una pérdida de circulación, o de la presencia de un En virtud de que las dos condiciones de falla más brote o al controlar un brote. En resumen, toda aque- aplicables en el diseño de las tuberías obedecen a lla condición que propicie un cambio de presión du- los efectos de presión, iniciaremos por describir las rante la etapa de perforación. También, en forma simi- Figura 37 Falla en la rosca cargas por presión que generan un estado de es- lar, haciendo una cronología de las condiciones que fuerzos en la tubería para favorecer la falla por co- dan lugar a cambios de presión las podemos encon- lapso y estallamiento. trar durante la etapa de terminación del pozo, en la cual, la tubería se ve sometida a presiones por efecto Las presiones actuantes en las paredes de una tu- de la inducción del pozo, cambios de fluido, pruebas, bería pueden ser tanto externas como internas. Es estimulaciones, disparos, etc. Y finalmente, durante decir, la presión ejercida por cualquier fluido sobre la etapa de producción o inyección del pozo, en el las paredes de una tubería se presenta por la parte cual se presentan cambios substanciales que dan lu- exterior de la tubería, con relación al área expuesta gar a cargas de presión variable por efecto de la pro- definida por el diámetro externo del tubo, y por la ducción o inyección de los fluidos. parte interna, con relación al área expuesta definida por el diámetro interior del tubo. Lo anterior generalmente corresponde a situacio- nes de presión que alteran el estado de presión por En estas condiciones las tuberías quedan sujetas a la el interior de la tubería de revestimiento. Sin em- acción de fuerzas actuando por efecto de la presión. bargo, una vez cementada la tubería, la parte exte- El efecto neto de presión actuante será el diferencial rior de la misma, queda sujeta a condiciones de de presión presente entre el exterior y el interior del presión debido a las geopresiones presentes en las tubo. Por lo tanto, para establecer las condiciones de formaciones, o al efecto combinado de la presión neta actuando en un tubo debemos evaluar hidrostática de los fluidos entrampados en el espa- las condiciones de presión actuantes por la parte ex- cio anular entre agujero y tubería y los mismos flui- Figura 40 Agrietamiento de tubería por H2S terna de la tubería y por otro lado evaluar las condi- dos de la formación. ciones de presión actuantes en el interior del mismo. El resultado del diferencial de la presión externa y la La acción combinada de las situaciones mencionadas Figura 38 Falla por colapso en tubería presión interna será la carga neta actuando en la tube- anteriormente permitirán determinar la carga neta de ría. Por convencionalismo, representaremos que las presión actuando en las paredes de la tubería. 48 57
- 49. Tuberías Tuberías Las cargas por presión que se presentan en las de materiales recomendado por la NACE es actual- tuberías son generadas por efecto de la presión mente aplicado para propósito de diseño. hidrostática de los fluidos, actuando tanto en el interior como por el exterior del tubo. Además, La carga de flexión es una carga axial de doble ac- se manifiestan diferentes cargas de presión por ción, debido a que se manifiesta como una carga efecto del flujo de fluidos durante las operacio- de tensión en las caras exteriores de la tubería, y en nes de la perforación y terminación, tales como: una carga axial compresiva sobre la cara interna de cementación, circulación, perforado, inducción, la tubería. Este efecto se presenta en pozos altamen- estimulación, producción, etc. Cada una de las te desviados, o en aquellos que se tienen grandes operaciones propician también un cambio en las severidades o patas de perro. La magnitud de esta condiciones térmicas, por lo que el efecto de cam- carga se adiciona en forma puntual a las cargas bio de temperatura en las tuberías está también axiales presentes en la tubería. vinculado con los cambios de presión, dando como resultado un cambio en las cargas axiales. Con el fin de seleccionar los materiales tubulares pro- Figura 41 Fracturamiento del piñón Las cargas por presión son las que marcan la pauta picios para colocar en un pozo en particular, se deben Figura 44 Corrosión de la tubería para la selección de los tubulares. predecir o estimar las condiciones de carga a las que se va a someter la tubería, cuantificando las cargas Las cargas torsionales son aquellas generadas por presentes desde el momento de la introducción de la efecto del torque o par de apriete que experimen- misma, pasando por las cargas a experimentar duran- tan las conexiones al momento de conectar en su- te las diferentes etapas de operación de la perforación perficie cada tubería. Adicional torque se manifies- y terminación, y finalmente, las cargas durante el pe- ta por efecto de la rotación que se le imprime a la ríodo de producción y/o inyección del pozo. sarta de tuberías( generalmente TRs cortas o Tube- rías de perforación ) durante las diversas operacio- Mediante la evaluación correcta de las cargas y nes ocurridas durante su colocación. La magnitud considerando la capacidad de resistencia de las de estas cargas es de gran interés debido a que pro- tuberías se tiene la posibilidad de seleccionar pician un estado de esfuerzos en los extremos de la aquellos materiales tubulares que garanticen la se- tubería que causarían la deformación de la conexión guridad del pozo, tratando de observar en todo o de los elementos de la conexión (hombro, rosca, momento, minimizar el costo de los mismos. sello) y de la misma tubería. Eventos de carga Figura 42 Colapso de una tubería Figura 45 Muestra de una tubería colapsada Las cargas no-aximétricas son aquellas cargas pre- sentes en un pozo que se manifiestan por la varia- Las diferentes situaciones o condiciones operativas bilidad de su impacto sobre el cuerpo de la tubería. que se presentan en un pozo generan un estado de Este tipo de cargas se estudia para entender el efecto esfuerzos en las tuberías por efecto de las múltiples de formaciones plásticas o domos salinos que pre- cargas generadas durante las mismas. Estas condi- sentan una carga lateral de sobre-presión en forma ciones operativas las denominaremos EVENTOS DE radial sobre la cara externa de la tubería. Este efec- CARGA y son de vital importancia en el proceso de to también se puede estudiar cuantificando los es- diseño. Determinar la magnitud de las cargas es tan fuerzos tangenciales que se presentan por la carga significativo como establecer los eventos de carga radial del domo salino. que tomarán lugar en el pozo para propósito de di- seño. Los eventos en algunos casos de carga de- El efecto de la corrosión sobre las tuberías en am- ben ser seleccionados a criterio dependiendo del bientes altamente corrosivos es de gran interés en historial de un campo, o bien, por criterio del el proceso de diseño a fin de establecer los límites diseñador únicamente. Esto último significa que se de operación de las tuberías sobre la carga corrosi- pueden generar diferentes escenarios de carga para va. Esta carga por corrosión es el efecto combina- un mismo pozo, dependiendo del criterio o criterios do de los factores principales para que se propicie especificados por el diseñador. una condición corrosiva. Estos factores son: pH de los fluidos del pozo, concentración de gases Los eventos principales que toman lugar en un pozo (CO2,H2S), temperatura, magnitud de los esfuerzos y que generan un estado de esfuerzos y de carga en Figura 46 Tubería de perforación pandeada Figura 43 Rompimiento de junta en la caja en la tubería, presión, etc. El criterio de selección las tuberías son los siguientes: 56 49
- 50. Tuberías Tuberías Figura 49 Degollamiento de TR en la junta Figura 47 Degollamiento de TR en la junta Figura 53 Envolvente triaxial del cuerpo del tubo y su conexión un comportamiento de la envolvente de trabajo o Las cargas axiales se producen inicialmente por la ac- diagrama de capacidad de una junta. Desgraciada- ción natural de los efectos gravitacionales, es decir el mente, el desarrollo de este tipo de gráficos es ex- peso propio de los tubos. Debido a que los tubos se clusivamente posible por los fabricantes de juntas, introducen en el interior de un pozo lleno de un fluido dado que las dimensiones de diseño de la conexión de control, se debe considerar el efecto de flotación. son de patente(en el caso de las conexiones Además, durante la introducción se presentan efec- premium). tos axiales como: arrastre o fricción generada por el contacto entre agujero y tubería y tubería-tubería. Tam- III. CONDICIONES DE CARGA bién se presenta el efecto de choque que se genera por el paro súbito al momento de introducir. Después Las condiciones bajo las cuales trabaja una tubería de la introducción (nacimiento del tubo) el estado de en el interior de un pozo son variadas y de magni- cargas axiales se ve alterado por efecto de los cam- tud considerada. Las cargas principales que se pre- bios de presión y/o temperatura que se suscitan al sentan en un pozo y que actúan sobre la tubería son: cambiar de densidad del fluido de control y al efec- cargas axiales, cargas de presión, cargas torsionales, tuar operaciones que demandan presión, por lo que Figura 50 Degollamiento de TR en junta cargas no-axiales, corrosión y flexión. Cada una de se generan efectos axiales como: balonamiento, estas cargas merece un tratamiento particular para pistoneo, pandeo y efectos axiales por la acción del después comprender la acción combinada de ellas. cambio de temperatura. Figura 48 Degollamiento de TR en la junta 50 55
- 51. Tuberías Tuberías t = espesor nominal, [pg] terferencia de contacto en los hilos de la rosca, o Yc = resistencia mínima a la ce- Up = ultima resistencia del tubo, [psi] bien, por la falta de presión en los sellos metal-me- dencia, [psi] tal en las conexiones premium. La ciencia encarga- W = diámetro exterior nominal Resistencia a la torsión da de estudiar los fenómenos que ocurren cuando del cople, [pg] existen dos superficies en contacto se llama d1 = diámetro de la raíz de la La resistencia de una junta a la carga impuesta por tribología. Mediante esta ciencia, se ha establecido rosca, [pg] torsión generada por el apriete y la manifestada du- la forma de medir la fugacidad en dos superficies rante las operaciones en el fondo del pozo, es el en contacto. Se dice que en términos estrictos no Para roscas redondas de tuberías límite permisible aceptable de torque que se le pro- hay en una conexión con 100% de hermeticidad, de revestimiento (TR) y produc- porciona a una junta para evitar la falla de la misma. dado que se ha comprobado la existencia de flujos ción También, se reconoce como el límite de torque para a nivel molecular. Es por ello que una buena medida evitar deterioro en el desempeño mecánico de la para identificar la hermeticidad de una conexión deba d = E - (L + A) T + H - 2S 1 1 1 rn junta. El API ha reconocido como válida la ecuación acudirse a un indicador del flujo. Esto se logra con la de Farr para determinar la resistencia a la torsión de prueba de flujo para hacer pasar un gas inerte (helio) donde: una conexión: entre la conexión a un tiempo determinado. Sin em- bargo, los fabricantes de conexiones malamente pu- E1 = diámetro de paso, [pg] Ty = S A[(p/2p) + (R f / cos q) + R ] / 12 blican esta característica como una medida de pre- L1 = Longitud medida a partir del yc t sf sión de los sellos metal-metal. Es decir, se recomien- extremo del cople [pg] Resistencia a la compresión dan las conexiones con sello metal-metal aludiendo A = Ancho de la separación en- que soportaran presiones mayores a las presiones lí- Figura 51 Fractura de caja de tuberías de perforación tre el extremo y el primer hilo[pg] La resistencia que opone la conexión a ser compri- mites de colapsamiento o estallamiento. T = conicidad, [pg/pg] mida por el efecto de apriete o interferencia en la H = altura de la rosca, [pg] rosca y las cargas combinadas de esfuerzos axiales La única forma que se tiene para estimar la fuga en = 0.86600 para 10TPI y tangenciales es una medida de las áreas de con- una conexión es la ecuación API para rosa buttres y = 0.10825 para 8TPI tacto de la conexión para absorber los esfuerzos rosca redonda, tal y como se preesentaron anterior- Srn = 0.014 pg para 10TPI axiales compresivos. Generalmente, esta caracte- mente. Para conexiones premium, cada fabricante = 0.017 pg para 8TPI rística se mejora con la incorporación de hombros establece sus límites de resistencia. de paro, cuya función principal, es absorber el Para roscas buttress en tubería de revestimiento sobretorque. Sin embargo, la zona de contacto o Diagrama de capacidad de juntas superficie de contacto en la conexión sirve para ab- E1 = diámetro de paso, [pg] sorber carga axial. El diseño de la rosca es el factor La forma irregular geométrica de una conexión hace L1 = longitud de la rosca perfecta, [pg] principal para tener más resistencia a la compre- difícil determinar la capacidad de resistencia de una Resistencia a la fuga ( evaluada en el plano E1 o sión en una junta. Los denominados flancos de car- junta, entendiéndose esto como la condición pre- E7.) ga con ángulo negativo permiten absorber mayor sente en una conexión para soportar cualquier car- carga compresiva. Las conexiones con rosca de tipo ga que comprometa el desempeño mecánico de la gancho (o enganchadas) existen actualmente en mu- misma. Es decir, los límites de resistencia que opo- chas conexiones premium. ne la junta para evitar la falla o fallas. Se dice que en una conexión las fallas pueden tener un comporta- Dada la dificultad de contar con un modelo analíti- miento de sinergia, ya que al presentarse una falla, co que permita determinar la resistencia a la com- suele generarse otra adicional, que provoca la falla presión de una junta, los fabricantes de juntas pu- catastrófica de la misma. blican este dato como una medida en porcentaje de 2 2 2 la resistencia a la tensión, en virtud de realizar esti- Un intento por cuantificar los límites de operación Figura 52 Vista frontal de caja fracturada P = ETNp (W - E ) / 2 E W s s maciones estadísticas a un gran número de prue- de una junta ha sido presentado recientemente. El bas en las conexiones. resultado del estudio es similar al entendimiento de donde: la capacidad de resistencia de una tubería (envol- Resistencia a la fuga vente o criterios de falla), pero para una junta, dada P = Presión límite para la fuga, [psi] La capacidad de evitar el flujo de fluidos del exte- la variación en su diámetro y espesor, se considera la aplicación del modelo triaxial en cada una de las P = Yc [ W - d1 W ] E = 30x106 módulo de elasticidad T = conicidad, [pg/pg] rior al interior o viceversa en una conexión, se de- partes críticas de la conexión, resultando en una donde: = 0.0625 rosca redonda para TR nomina resistencia a la fuga. La fuga de un fluido en envolvente semi-elíptica que permitirá cuantificar los P = presión límite para la fuga, [psi] = 0.0625 para rosca buttress TR 13 3/8 una conexión se presenta por efecto de la poca in- límites de trabajo de una junta. La figura 53 muestra y menores. 54 51
- 52. Tuberías Tuberías = 0.833 para rosca buttress TR 16 W = diámetro exterior del cople, [pg] q = ½ de la máxima interferencia en la rosca, y mayores d1 = diámetro de la raíz del cople redondo, al ex- [pg] N = número de vueltas de apriete tremo del tubo, [pg] =(H-I)/2 = A para roscas redondas TR (Std 5B) Uc = resistencia ultima del cople, [psi] H = diámetro de la raíz máximo en la ultima Resistencia a la flexión = A + ½ para roscas buttress TR 13 3/8 rosca perfecta del piñon, [pg] para: Pb/Ajp > Yp y menores Resistencia a la fractura para roscas buttress en d = conicidad superior entre el plano H y J, = A + 1 para rosca buttress TR 16 TR [pg] y mayores Pj = 0.95ApUp 1.008-0.0396 (1.083-Yp/Up) D = 0.035 para 6 hilos por pulgada p = paso de la rosca, [pg] = 0.032 para 5 hilos por pulgada = 0.125 rosca redonda para TR Resistencia del cople f = 1/2 de la interferencia con el sellado máxi- para: Pb/Ajp < Yp = 0.200 para rosca buttress TR mo, [pg] d = diámetro interior, [pg] = (A-O)/2 W = diámetro exterior del cople, [pg] donde: Pj = 0.95 AcUc A = diámetro máximo en el piñon al punto Es = diámetro de la inclinación al plano tangente del sello, [pg] de sello, [pg] Pj = resistencia mínima de la conexión, [lb] O = diámetro mínimo en la caja al punto tan- Ty = resistencia a la torsión (psi) y = E1 para roscas redondas, [pg] Ac = área de la sección transversal del cople, [psi] gente del sello, [pg] A = Area del piñón o de la caja (el más peque- = E7 para rosca buttress de TR, [pg] = 0.7854 (D2 -d2) ño) o área crítica (pg ) Resistencia a la tensión en la conexión de la tube- Rs = (D + Qc) / 4 Resistencia de las roscas redondas: Uc = resistencia ultima del cople, [psi] ría de producción Syc = Cedencia de la conexión (psi) 2 p = Longitud de rosca (pg) Resistencia a la Fractura: Resistencia de la rosca extremeline en TR para tuberías no recalcadas: Rt = Radio promedio de la rosca (pg) f = Factor de fricción (adimensional) P = 0.95 A U (recomendado por API f = 0.08) j jp p donde: Pj = AcrU p Pj = Yp * 0.7854 ((D4 -2hs)2 -d2) q = 1/2 ángulo de inclinación de la rosca (gra- Resistencia al jalón dos) Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb] para tuberías recalcadas: C = Diámetro de separación entre hilos de la Acr = área de la sección critica de la caja, piñon o rosca (pg) tubo, [pg] Pj = Y p * 0.7854 (D2 - d2) Qc = Diámetro de la caja (externo) (pg) D = Diámetro exterior de la conexión (pg) donde: = 0.7854(Dp2 -d2) piñón Lpc = Longitud del piñon (pg) = 0.7854(D2 -d2) tubo donde: tc =Conicidad (pg / pie) Pj = resistencia de la conexión mínima, [lb] = 0.7854(M2 -Db2) caja Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb] Ajp = área de la sección transversal de la pared del Nomeclatura: Yp = mínima cedencia,[psi] tubo debajo de la ultima cuerda perfecta, [pg2] Up = resistencia ultima específica, [psi] M = diámetro nominal OD, [pg] D = diámetro exterior tubulado, [pg] AH = área correspondiente al diámetro interior, para rosca redonda de 8 hilos. db = diámetro interior de la sección critica de la D4 = diámetro principal tubulado, [pg] [pg] 2 D = diámetro nominal exterior del tubo, [pg] caja, [pg] hs = altura de la rosca, [pg] Ajp = área de la sección transversal de la tubería d = diámetro interior del tubo, [pg] bajo la ultima rosca perfecta, [pg] 2 = 0.05560 pg para 10 hilos por pulgada L = longitud de la rosca ocupado, [pg] B = flexión en grados por cada 100pies =L4-M para apriete nominal, [pg] Std 5B Dp = sección critica del piñón OD [pg] = 0.07125 pg para 8 hilos por pulgada D = diámetro exterior del tubo, [pg] Yp = resistencia a la cedencia mínima d = diámetro interior tubulado, [pg] K = relación el esfuerzo de presión interna entre del tubo, [psi] la cedencia Up = resistencia mínima final del tubo, [psi] dj = diámetro interior nominal de la rosca, [pg] Resistencia de la conexión de rosca redonda para P = presión interna,[psi] D = OD nominal de la TR, [pg] TR combinadas con cargas de flexión y presión Yp = resistencia mínima a la cedencia del tubo, Resistencia a la fractura del cople d = ID nominal de la TR, [pg] interna. [psi] h = mínima altura del hilo de la rosca L = longitud de la rosca, [pg] Pj = 0.95 Ajc Uc en la caja, [pg] Resistencia a la fractura: Pb = falla a la carga total de tensión con flexión = 0.060 para 6 hilos por pulgada Pu = 0.96AjpUp B, [lb] donde: = 0.080 para 5 hilos por pulgada Pj = carga de tensión total al sobresalto o fractu- Ajc = área de la sección transversal del cople, [pg] D = cambio de conicidad Resistencia al sobresalto de la rosca: ra reducida, [lb] 2 Ajc = 0.7854 (W - d ) 2 = 0.253 para 6 hilos por pulgada Pu = carga de tensión total a la fractura, [lb] 1 = 0.228 para 5 hilos por pulgada R = radio de la curvatura, [pies] 52 53
- 53. Tuberías Tuberías = 0.833 para rosca buttress TR 16 W = diámetro exterior del cople, [pg] q = ½ de la máxima interferencia en la rosca, y mayores d1 = diámetro de la raíz del cople redondo, al ex- [pg] N = número de vueltas de apriete tremo del tubo, [pg] =(H-I)/2 = A para roscas redondas TR (Std 5B) Uc = resistencia ultima del cople, [psi] H = diámetro de la raíz máximo en la ultima Resistencia a la flexión = A + ½ para roscas buttress TR 13 3/8 rosca perfecta del piñon, [pg] para: Pb/Ajp > Yp y menores Resistencia a la fractura para roscas buttress en d = conicidad superior entre el plano H y J, = A + 1 para rosca buttress TR 16 TR [pg] y mayores Pj = 0.95ApUp 1.008-0.0396 (1.083-Yp/Up) D = 0.035 para 6 hilos por pulgada p = paso de la rosca, [pg] = 0.032 para 5 hilos por pulgada = 0.125 rosca redonda para TR Resistencia del cople f = 1/2 de la interferencia con el sellado máxi- para: Pb/Ajp < Yp = 0.200 para rosca buttress TR mo, [pg] d = diámetro interior, [pg] = (A-O)/2 W = diámetro exterior del cople, [pg] donde: Pj = 0.95 AcUc A = diámetro máximo en el piñon al punto Es = diámetro de la inclinación al plano tangente del sello, [pg] de sello, [pg] Pj = resistencia mínima de la conexión, [lb] O = diámetro mínimo en la caja al punto tan- Ty = resistencia a la torsión (psi) y = E1 para roscas redondas, [pg] Ac = área de la sección transversal del cople, [psi] gente del sello, [pg] A = Area del piñón o de la caja (el más peque- = E7 para rosca buttress de TR, [pg] = 0.7854 (D2 -d2) ño) o área crítica (pg ) Resistencia a la tensión en la conexión de la tube- Rs = (D + Qc) / 4 Resistencia de las roscas redondas: Uc = resistencia ultima del cople, [psi] ría de producción Syc = Cedencia de la conexión (psi) 2 p = Longitud de rosca (pg) Resistencia a la Fractura: Resistencia de la rosca extremeline en TR para tuberías no recalcadas: Rt = Radio promedio de la rosca (pg) f = Factor de fricción (adimensional) P = 0.95 A U (recomendado por API f = 0.08) j jp p donde: Pj = AcrU p Pj = Yp * 0.7854 ((D4 -2hs)2 -d2) q = 1/2 ángulo de inclinación de la rosca (gra- Resistencia al jalón dos) Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb] para tuberías recalcadas: C = Diámetro de separación entre hilos de la Acr = área de la sección critica de la caja, piñon o rosca (pg) tubo, [pg] Pj = Y p * 0.7854 (D2 - d2) Qc = Diámetro de la caja (externo) (pg) D = Diámetro exterior de la conexión (pg) donde: = 0.7854(Dp2 -d2) piñón Lpc = Longitud del piñon (pg) = 0.7854(D2 -d2) tubo donde: tc =Conicidad (pg / pie) Pj = resistencia de la conexión mínima, [lb] = 0.7854(M2 -Db2) caja Pj = mínima resistencia de la conexión, [lb] Ajp = área de la sección transversal de la pared del Nomeclatura: Yp = mínima cedencia,[psi] tubo debajo de la ultima cuerda perfecta, [pg2] Up = resistencia ultima específica, [psi] M = diámetro nominal OD, [pg] D = diámetro exterior tubulado, [pg] AH = área correspondiente al diámetro interior, para rosca redonda de 8 hilos. db = diámetro interior de la sección critica de la D4 = diámetro principal tubulado, [pg] [pg] 2 D = diámetro nominal exterior del tubo, [pg] caja, [pg] hs = altura de la rosca, [pg] Ajp = área de la sección transversal de la tubería d = diámetro interior del tubo, [pg] bajo la ultima rosca perfecta, [pg] 2 = 0.05560 pg para 10 hilos por pulgada L = longitud de la rosca ocupado, [pg] B = flexión en grados por cada 100pies =L4-M para apriete nominal, [pg] Std 5B Dp = sección critica del piñón OD [pg] = 0.07125 pg para 8 hilos por pulgada D = diámetro exterior del tubo, [pg] Yp = resistencia a la cedencia mínima d = diámetro interior tubulado, [pg] K = relación el esfuerzo de presión interna entre del tubo, [psi] la cedencia Up = resistencia mínima final del tubo, [psi] dj = diámetro interior nominal de la rosca, [pg] Resistencia de la conexión de rosca redonda para P = presión interna,[psi] D = OD nominal de la TR, [pg] TR combinadas con cargas de flexión y presión Yp = resistencia mínima a la cedencia del tubo, Resistencia a la fractura del cople d = ID nominal de la TR, [pg] interna. [psi] h = mínima altura del hilo de la rosca L = longitud de la rosca, [pg] Pj = 0.95 Ajc Uc en la caja, [pg] Resistencia a la fractura: Pb = falla a la carga total de tensión con flexión = 0.060 para 6 hilos por pulgada Pu = 0.96AjpUp B, [lb] donde: = 0.080 para 5 hilos por pulgada Pj = carga de tensión total al sobresalto o fractu- Ajc = área de la sección transversal del cople, [pg] D = cambio de conicidad Resistencia al sobresalto de la rosca: ra reducida, [lb] 2 Ajc = 0.7854 (W - d ) 2 = 0.253 para 6 hilos por pulgada Pu = carga de tensión total a la fractura, [lb] 1 = 0.228 para 5 hilos por pulgada R = radio de la curvatura, [pies] 52 53
- 54. Tuberías Tuberías t = espesor nominal, [pg] terferencia de contacto en los hilos de la rosca, o Yc = resistencia mínima a la ce- Up = ultima resistencia del tubo, [psi] bien, por la falta de presión en los sellos metal-me- dencia, [psi] tal en las conexiones premium. La ciencia encarga- W = diámetro exterior nominal Resistencia a la torsión da de estudiar los fenómenos que ocurren cuando del cople, [pg] existen dos superficies en contacto se llama d1 = diámetro de la raíz de la La resistencia de una junta a la carga impuesta por tribología. Mediante esta ciencia, se ha establecido rosca, [pg] torsión generada por el apriete y la manifestada du- la forma de medir la fugacidad en dos superficies rante las operaciones en el fondo del pozo, es el en contacto. Se dice que en términos estrictos no Para roscas redondas de tuberías límite permisible aceptable de torque que se le pro- hay en una conexión con 100% de hermeticidad, de revestimiento (TR) y produc- porciona a una junta para evitar la falla de la misma. dado que se ha comprobado la existencia de flujos ción También, se reconoce como el límite de torque para a nivel molecular. Es por ello que una buena medida evitar deterioro en el desempeño mecánico de la para identificar la hermeticidad de una conexión deba d = E - (L + A) T + H - 2S 1 1 1 rn junta. El API ha reconocido como válida la ecuación acudirse a un indicador del flujo. Esto se logra con la de Farr para determinar la resistencia a la torsión de prueba de flujo para hacer pasar un gas inerte (helio) donde: una conexión: entre la conexión a un tiempo determinado. Sin em- bargo, los fabricantes de conexiones malamente pu- E1 = diámetro de paso, [pg] Ty = S A[(p/2p) + (R f / cos q) + R ] / 12 blican esta característica como una medida de pre- L1 = Longitud medida a partir del yc t sf sión de los sellos metal-metal. Es decir, se recomien- extremo del cople [pg] Resistencia a la compresión dan las conexiones con sello metal-metal aludiendo A = Ancho de la separación en- que soportaran presiones mayores a las presiones lí- Figura 51 Fractura de caja de tuberías de perforación tre el extremo y el primer hilo[pg] La resistencia que opone la conexión a ser compri- mites de colapsamiento o estallamiento. T = conicidad, [pg/pg] mida por el efecto de apriete o interferencia en la H = altura de la rosca, [pg] rosca y las cargas combinadas de esfuerzos axiales La única forma que se tiene para estimar la fuga en = 0.86600 para 10TPI y tangenciales es una medida de las áreas de con- una conexión es la ecuación API para rosa buttres y = 0.10825 para 8TPI tacto de la conexión para absorber los esfuerzos rosca redonda, tal y como se preesentaron anterior- Srn = 0.014 pg para 10TPI axiales compresivos. Generalmente, esta caracte- mente. Para conexiones premium, cada fabricante = 0.017 pg para 8TPI rística se mejora con la incorporación de hombros establece sus límites de resistencia. de paro, cuya función principal, es absorber el Para roscas buttress en tubería de revestimiento sobretorque. Sin embargo, la zona de contacto o Diagrama de capacidad de juntas superficie de contacto en la conexión sirve para ab- E1 = diámetro de paso, [pg] sorber carga axial. El diseño de la rosca es el factor La forma irregular geométrica de una conexión hace L1 = longitud de la rosca perfecta, [pg] principal para tener más resistencia a la compre- difícil determinar la capacidad de resistencia de una Resistencia a la fuga ( evaluada en el plano E1 o sión en una junta. Los denominados flancos de car- junta, entendiéndose esto como la condición pre- E7.) ga con ángulo negativo permiten absorber mayor sente en una conexión para soportar cualquier car- carga compresiva. Las conexiones con rosca de tipo ga que comprometa el desempeño mecánico de la gancho (o enganchadas) existen actualmente en mu- misma. Es decir, los límites de resistencia que opo- chas conexiones premium. ne la junta para evitar la falla o fallas. Se dice que en una conexión las fallas pueden tener un comporta- Dada la dificultad de contar con un modelo analíti- miento de sinergia, ya que al presentarse una falla, co que permita determinar la resistencia a la com- suele generarse otra adicional, que provoca la falla presión de una junta, los fabricantes de juntas pu- catastrófica de la misma. blican este dato como una medida en porcentaje de 2 2 2 la resistencia a la tensión, en virtud de realizar esti- Un intento por cuantificar los límites de operación Figura 52 Vista frontal de caja fracturada P = ETNp (W - E ) / 2 E W s s maciones estadísticas a un gran número de prue- de una junta ha sido presentado recientemente. El bas en las conexiones. resultado del estudio es similar al entendimiento de donde: la capacidad de resistencia de una tubería (envol- Resistencia a la fuga vente o criterios de falla), pero para una junta, dada P = Presión límite para la fuga, [psi] La capacidad de evitar el flujo de fluidos del exte- la variación en su diámetro y espesor, se considera la aplicación del modelo triaxial en cada una de las P = Yc [ W - d1 W ] E = 30x106 módulo de elasticidad T = conicidad, [pg/pg] rior al interior o viceversa en una conexión, se de- partes críticas de la conexión, resultando en una donde: = 0.0625 rosca redonda para TR nomina resistencia a la fuga. La fuga de un fluido en envolvente semi-elíptica que permitirá cuantificar los P = presión límite para la fuga, [psi] = 0.0625 para rosca buttress TR 13 3/8 una conexión se presenta por efecto de la poca in- límites de trabajo de una junta. La figura 53 muestra y menores. 54 51
- 55. Tuberías Tuberías Figura 49 Degollamiento de TR en la junta Figura 47 Degollamiento de TR en la junta Figura 53 Envolvente triaxial del cuerpo del tubo y su conexión un comportamiento de la envolvente de trabajo o Las cargas axiales se producen inicialmente por la ac- diagrama de capacidad de una junta. Desgraciada- ción natural de los efectos gravitacionales, es decir el mente, el desarrollo de este tipo de gráficos es ex- peso propio de los tubos. Debido a que los tubos se clusivamente posible por los fabricantes de juntas, introducen en el interior de un pozo lleno de un fluido dado que las dimensiones de diseño de la conexión de control, se debe considerar el efecto de flotación. son de patente(en el caso de las conexiones Además, durante la introducción se presentan efec- premium). tos axiales como: arrastre o fricción generada por el contacto entre agujero y tubería y tubería-tubería. Tam- III. CONDICIONES DE CARGA bién se presenta el efecto de choque que se genera por el paro súbito al momento de introducir. Después Las condiciones bajo las cuales trabaja una tubería de la introducción (nacimiento del tubo) el estado de en el interior de un pozo son variadas y de magni- cargas axiales se ve alterado por efecto de los cam- tud considerada. Las cargas principales que se pre- bios de presión y/o temperatura que se suscitan al sentan en un pozo y que actúan sobre la tubería son: cambiar de densidad del fluido de control y al efec- cargas axiales, cargas de presión, cargas torsionales, tuar operaciones que demandan presión, por lo que Figura 50 Degollamiento de TR en junta cargas no-axiales, corrosión y flexión. Cada una de se generan efectos axiales como: balonamiento, estas cargas merece un tratamiento particular para pistoneo, pandeo y efectos axiales por la acción del después comprender la acción combinada de ellas. cambio de temperatura. Figura 48 Degollamiento de TR en la junta 50 55
- 56. Tuberías Tuberías Las cargas por presión que se presentan en las de materiales recomendado por la NACE es actual- tuberías son generadas por efecto de la presión mente aplicado para propósito de diseño. hidrostática de los fluidos, actuando tanto en el interior como por el exterior del tubo. Además, La carga de flexión es una carga axial de doble ac- se manifiestan diferentes cargas de presión por ción, debido a que se manifiesta como una carga efecto del flujo de fluidos durante las operacio- de tensión en las caras exteriores de la tubería, y en nes de la perforación y terminación, tales como: una carga axial compresiva sobre la cara interna de cementación, circulación, perforado, inducción, la tubería. Este efecto se presenta en pozos altamen- estimulación, producción, etc. Cada una de las te desviados, o en aquellos que se tienen grandes operaciones propician también un cambio en las severidades o patas de perro. La magnitud de esta condiciones térmicas, por lo que el efecto de cam- carga se adiciona en forma puntual a las cargas bio de temperatura en las tuberías está también axiales presentes en la tubería. vinculado con los cambios de presión, dando como resultado un cambio en las cargas axiales. Con el fin de seleccionar los materiales tubulares pro- Figura 41 Fracturamiento del piñón Las cargas por presión son las que marcan la pauta picios para colocar en un pozo en particular, se deben Figura 44 Corrosión de la tubería para la selección de los tubulares. predecir o estimar las condiciones de carga a las que se va a someter la tubería, cuantificando las cargas Las cargas torsionales son aquellas generadas por presentes desde el momento de la introducción de la efecto del torque o par de apriete que experimen- misma, pasando por las cargas a experimentar duran- tan las conexiones al momento de conectar en su- te las diferentes etapas de operación de la perforación perficie cada tubería. Adicional torque se manifies- y terminación, y finalmente, las cargas durante el pe- ta por efecto de la rotación que se le imprime a la ríodo de producción y/o inyección del pozo. sarta de tuberías( generalmente TRs cortas o Tube- rías de perforación ) durante las diversas operacio- Mediante la evaluación correcta de las cargas y nes ocurridas durante su colocación. La magnitud considerando la capacidad de resistencia de las de estas cargas es de gran interés debido a que pro- tuberías se tiene la posibilidad de seleccionar pician un estado de esfuerzos en los extremos de la aquellos materiales tubulares que garanticen la se- tubería que causarían la deformación de la conexión guridad del pozo, tratando de observar en todo o de los elementos de la conexión (hombro, rosca, momento, minimizar el costo de los mismos. sello) y de la misma tubería. Eventos de carga Figura 42 Colapso de una tubería Figura 45 Muestra de una tubería colapsada Las cargas no-aximétricas son aquellas cargas pre- sentes en un pozo que se manifiestan por la varia- Las diferentes situaciones o condiciones operativas bilidad de su impacto sobre el cuerpo de la tubería. que se presentan en un pozo generan un estado de Este tipo de cargas se estudia para entender el efecto esfuerzos en las tuberías por efecto de las múltiples de formaciones plásticas o domos salinos que pre- cargas generadas durante las mismas. Estas condi- sentan una carga lateral de sobre-presión en forma ciones operativas las denominaremos EVENTOS DE radial sobre la cara externa de la tubería. Este efec- CARGA y son de vital importancia en el proceso de to también se puede estudiar cuantificando los es- diseño. Determinar la magnitud de las cargas es tan fuerzos tangenciales que se presentan por la carga significativo como establecer los eventos de carga radial del domo salino. que tomarán lugar en el pozo para propósito de di- seño. Los eventos en algunos casos de carga de- El efecto de la corrosión sobre las tuberías en am- ben ser seleccionados a criterio dependiendo del bientes altamente corrosivos es de gran interés en historial de un campo, o bien, por criterio del el proceso de diseño a fin de establecer los límites diseñador únicamente. Esto último significa que se de operación de las tuberías sobre la carga corrosi- pueden generar diferentes escenarios de carga para va. Esta carga por corrosión es el efecto combina- un mismo pozo, dependiendo del criterio o criterios do de los factores principales para que se propicie especificados por el diseñador. una condición corrosiva. Estos factores son: pH de los fluidos del pozo, concentración de gases Los eventos principales que toman lugar en un pozo (CO2,H2S), temperatura, magnitud de los esfuerzos y que generan un estado de esfuerzos y de carga en Figura 46 Tubería de perforación pandeada Figura 43 Rompimiento de junta en la caja en la tubería, presión, etc. El criterio de selección las tuberías son los siguientes: 56 49
- 57. Tuberías Tuberías · Introducción de tubería. cargas de presión resultantes como positivas simbo- · Antes de cementar TR lizaran que el tubo queda sujeto a una presión de co- · Cementando TR lapso. Mientras que una carga de presión negativa sig- · Después de cementar TR nificará que la tubería esta sujeta a una presión de · Jalón a las tuberías estallamiento. · Colgando(o anclando) tubería · Soltando peso (TP) Las situaciones operativas que dan lugar a la acción · Rotando tubería de una carga de presión en las tuberías se presen- · Pruebas de presión tan desde el mismo momento de la introducción de · Brote la tubería al interior del pozo. Es decir, las presiones · Pérdida de circulación se van generando por el fluido de control, tanto ex- · Circulando fluidos terna como internamente. Sin embargo, dichas con- · Desplazamiento de gas diciones se ven alteradas al momento de hacer un · Fuga de tubería de producción cambio o circulación de fluido, o al efectuar el des- · Represionamiento anular plazamiento de los fluidos para la cementación de · Estimulación la misma. El estado de carga después de fraguado el · Fracturamiento cemento también refleja un cambio en las cargas de Fifura 39 Falla por corrosión en cople · Inyección de fluidos presión. Posterior a esto, al continuar la perforación el · Producción permanente estado de cargas de presión se ve alterado por un cam- · Producción transitoria bio de fluido o por las condiciones hidráulicas impues- · Acción de domo salino tas durante la perforación, o por cualquier operación de prueba efectuado durante la misma, o por efecto Cargas de presión de una condición que altere el estado de presión como una pérdida de circulación, o de la presencia de un En virtud de que las dos condiciones de falla más brote o al controlar un brote. En resumen, toda aque- aplicables en el diseño de las tuberías obedecen a lla condición que propicie un cambio de presión du- los efectos de presión, iniciaremos por describir las rante la etapa de perforación. También, en forma simi- Figura 37 Falla en la rosca cargas por presión que generan un estado de es- lar, haciendo una cronología de las condiciones que fuerzos en la tubería para favorecer la falla por co- dan lugar a cambios de presión las podemos encon- lapso y estallamiento. trar durante la etapa de terminación del pozo, en la cual, la tubería se ve sometida a presiones por efecto Las presiones actuantes en las paredes de una tu- de la inducción del pozo, cambios de fluido, pruebas, bería pueden ser tanto externas como internas. Es estimulaciones, disparos, etc. Y finalmente, durante decir, la presión ejercida por cualquier fluido sobre la etapa de producción o inyección del pozo, en el las paredes de una tubería se presenta por la parte cual se presentan cambios substanciales que dan lu- exterior de la tubería, con relación al área expuesta gar a cargas de presión variable por efecto de la pro- definida por el diámetro externo del tubo, y por la ducción o inyección de los fluidos. parte interna, con relación al área expuesta definida por el diámetro interior del tubo. Lo anterior generalmente corresponde a situacio- nes de presión que alteran el estado de presión por En estas condiciones las tuberías quedan sujetas a la el interior de la tubería de revestimiento. Sin em- acción de fuerzas actuando por efecto de la presión. bargo, una vez cementada la tubería, la parte exte- El efecto neto de presión actuante será el diferencial rior de la misma, queda sujeta a condiciones de de presión presente entre el exterior y el interior del presión debido a las geopresiones presentes en las tubo. Por lo tanto, para establecer las condiciones de formaciones, o al efecto combinado de la presión neta actuando en un tubo debemos evaluar hidrostática de los fluidos entrampados en el espa- las condiciones de presión actuantes por la parte ex- cio anular entre agujero y tubería y los mismos flui- Figura 40 Agrietamiento de tubería por H2S terna de la tubería y por otro lado evaluar las condi- dos de la formación. ciones de presión actuantes en el interior del mismo. El resultado del diferencial de la presión externa y la La acción combinada de las situaciones mencionadas Figura 38 Falla por colapso en tubería presión interna será la carga neta actuando en la tube- anteriormente permitirán determinar la carga neta de ría. Por convencionalismo, representaremos que las presión actuando en las paredes de la tubería. 48 57
- 58. Tuberías Tuberías Perfiles de presión externa Después de cementada la TR agrietamiento del piñón, al trabajar en ambientes amargos. Además, al tener un piñón con problemas A continuación se presenta un resumen de las condi- Al término de la cementación primaria se pueden de cedencia (deformación plástica) existe la posibi- ciones que propician la acción de presiones externas considerar varias condiciones de presión actuando lidad de que en las operaciones de apriete y des- sobre la tubería y que generan una presión actuante sobre la tubería: apriete de las conexiones, no se alcance el sello en cada punto de profundidad. Además, en la figura adecuado en la misma. 49 se muestra un ejemplo del comportamiento de los × La hidrostática de los fluidos contenidos en el perfiles externos actuando en una TR.: espacio anular, considerando la lechada como Todos los problemas de fallas en las juntas están fluido. asociado principalmente a las características de di- En la introducción de la TR seño de la junta, tal es el caso de las siguientes ob- × La hidrostática por la degradación en densidad servaciones: Es aquella presión ejercida por la hidrostática del de los fluidos contenidos en el espacio anular. En fluido de control al momento de la corrida en el pozo. este caso se considera la densidad del fluido base · Una rosca con alta conicidad favorece la rapi- de cada uno de los fluidos (lodo y lechada). dez de apriete (bajo número de vueltas), a ex- pensas de propiciar el riesgo de una falla por Figura 35 Falla en el roscado de la tubería donde: Pe = hzPf710 × La hidrostática del lodo considerando la lechada salto de la rosca. ya fraguada (sin hidrostática). En este punto se Pe = Presión externa (Kg / cm2) tienen estudios en los que se comprueba que al · Conforme la altura de una rosca se incrementa, h2 = Profundidad de interés (m) fraguar la lechada, la carga hidrostática trasmiti- la posibilidad de salto se decrementa. Sin em- rf = Densidad del lodo (gr / cm3) da se desvanece, razón por lo cual se presentan bargo, ante esta situación, el área de la sección problemas de migración de gas. crítica de la junta y su eficiencia a la tensión- Durante la cementación de la TR compresión, también se decrementa. Efecto de la presión de formación Es la presión generada por el desplazamiento de los · La condición de diseño más contradictoria en fluidos inyectados al interior del pozo y circulando La acción de las presiones de poro o de formación una junta es la situación de contar con un dise- en el espacio anular entre agujero y TR. Desde el actuando sobre las paredes de la tubería es una con- ño que mantenga un alto sello a la presión (lo punto de vista hidráulico, bajo condiciones dición que se da en forma permanente. Sin embar- cual requiere una alta interferencia ) con la ne- isotérmicas y considerando fluidos incompresibles, go, dependerá de la permeabilidad del medio para cesidad de mantener un bajo nivel de esfuerzos el perfil de presión generado se expresa por la si- establecer que dicha presión invariablemente actúe para evitar el problema de agrietamiento por H2S guiente ecuación: sobre la tubería, contrarrestando la acción hidros- o para evitar la cedencia del piñón. tática de los fluidos en espacio anular. Además, en j=Nf la zona aislada por el cemento, al ser una buena Ejemplos de fallas en tubulares Figura 36 Rompimiento de piñón en tubería Pe(h) = Pwh + Σ hjρj + ΣΣ ∆HI fIJ v2ijρj cementación, se considera como impermeable, por j=1 lo que deja de actuar la presión de poro sobre las La ocurrencia de fallas en las tuberías y juntas du- dado para predecir el desempeño mecánico de donde: paredes de la tubería. En el caso de considerar una rante las operaciones de perforación, terminación y las juntas. La industria ha realizado esto y ha fun- mala cementación, podría considerase la acción de reparación de pozos son variadas. Traen consigo el dado proyectos de investigación a través del API Pe = Presión de circulación de fondo (psi) la presión de formación sobre la tubería. retraso en los programas operativos e incrementan y de la DEA (Drilling Engineering Association) para Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) los costos asociados al pozo. Ejemplos de fallas ocu- formular y validar modelos analíticos aproxima- hj = Profundidad de interes (ft) Para cuantificar la acción de estas presiones de poro, rridas en diferentes pozos en los elementos dos para las conexiones API. En el caso de las rj = Densidad del fluido circulante (psi / pie) se debe acudir a la evaluación de geopresiones ha- tubulares se muestran en las figuras 35 a 49. conexiones premium (o propietarias ), los fabri- Dhi = Tirante de fluido (ft) ciendo uso de la información disponible de regis- cantes necesitan proporcionar estas capacidades fij = Factor de fricción (adimensional) tros de pozo (geofísicos o sísmicos). Resistencia en las juntas a la industria, de sus propias conexiones, a fin de vij = Velocidad del fluido (j) en la geometria (i) (ft / seg) que los usuarios las seleccionen apropiadamente Efecto de una formación plástica La amplia gama de conexiones roscadas que exis- para fines de diseño en un pozo. Cabe mencionar que una de las condiciones de pre- ten actualmente para la industria petrolera indica que sión externa mas severa es precisamente la que se La presencia de una formación plástica como un no hay una junta perfecta. Esto es verdadero de- A continuación, se describen algunos de los mode- presenta durante la operación de cementación. Sin domo salino propicia que la tubería esté sujeta a un bido a que cada una tiene su propia resistencia y los analíticos que se han propuesto para evaluar la embargo, la CARGA NETA de presión es significati- esfuerzo tangencial variable que genera condicio- debilidad. Son aplicables para ciertas condiciones resistencia a determinadas cargas de algunas co- vamente menor debido a que el diferencial de pre- nes de presión externa sumamente elevadas. Ge- de servicio. Una resistencia en un caso, puede ser nexiones roscadas. sión es relativamente bajo respecto a la magnitud neralmente estas presiones son una medida de la una debilidad en otras situaciones. Esto es una de las presiones presentes durante la circulación de sobrecarga actuando entre la cima y la base del razón del porque se requiere de un modelo vali- los fluidos. domo salino. Estas condiciones de presión son pun- 58 47
- 59. Tuberías Tuberías 24.0 tuales. Es decir, se aplica únicamente en el intervalo Perfiles de presión interna en el que está actuando la formación plástica. El 20.0 modelo propuesto por Hackney30 permite determi- Como se mencionó previamente, las condiciones Tri-axial 1.000 nar la magnitud del esfuerzo tangencial debido a la de presión que se presentan durante la introduc- 16.0 Burst 1.000 carga de un domo salino: ción, cementación, perforación, terminación y pro- ducción de un pozo corresponden mas a cambios Tension 1.000 12.0 de presión por el interior de las tuberías. Lo anterior implica diferentes condiciones de flujo que gene- 8.0 ran un comportamiento de presión respecto a pro- fundidad en el interior de las tuberías. Este perfil de Presión efectiva (ksi) 4.0 presión interna determinado para cada caso u ope- ración dentro del pozo, representa el estudio de por 0.0 vida de las condiciones de presión a las que se va a someter la tubería. Por lo tanto, debemos evaluar -4.0 todos los casos que represente un estado de cam- -8.0 bio de presión en la tubería. A continuación, se pre- sentan algunos de los casos más comunes y utiliza- -12.0 dos para representar la forma de evaluar los perfi- les de presión en el interior de las tuberías. La figu- -16.0 Collapse 1.000 ra 50 muestra un ejemplo de perfiles de presión in- terna para varios eventos de carga. -20.0 Durante la introducción de la tubería Note: Limits are approximate -24.0 -750000 -600000 -450000 -300000 -150000 0 150000 300000 450000 600000 750000 900000 1050000 Representa la presión hidrostática ejercida por el flui- Tension (lbf) Mediante el uso del modelo de esfuerzos tangenciales do de control al momento de correr la tubería en el de Lamé y el modelo de Hackney se puede obtener la interior del pozo. Figura 34 Criterio de Falla para una tubería de 5” carga de presión externa actuando en las caras exte- riores de la tubería, que debe considerarse como car- ga adicional a la presente en cualquier evento consi- Pi = hzPf / 10 Corte de la rosca: Las roscas son desprendidas del de fondo, o por algún daño ocurrido en los ele- derado para la carga de presión. piñón o de la caja. mentos de la junta durante el manejo o corrida de donde la tubería. Efecto de la expansión de los fluidos en espacio Pandeo: Las cargas compresivas generan una falla anular Pi = Presión interna (kg/cm2) que se presenta como una combinación de corte Galling (Desprendimiento de material): Esta es h = Profundidad de interés (m) de la rosca y trasroscado con el piñón incrustándose una condición de falla ocasionada por el desgas- En pozos marinos donde los espacios anulares que- z en la caja. te de los metales en contacto (interferencia de las dan confinados se presentan condiciones desfavora- P = Densidad del fluido (gr/cm3) f roscas piñón-caja) durante las operaciones de ma- bles al momento de experimentar un incremento en Fallas por carga de presión nejo y apriete de las conexiones. Un apriete exce- la temperatura de los fluidos producidos, lo cual, ge- Durante la cementación sivo genera una alta interferencia de contacto en- nera que se incremente la presión en el espacio anu- Las cargas de presión en una junta pueden aplicar- tre las superficies de sello (rosca o los sellos me- lar. En un contenedor rígido y cerrado, el incremento El perfil de presión generado por el desplazamien- se interna o externamente. Generalmente, el mis- tal-metal). Esto propicia el desprendimiento de de 1°F al tener agua a 100 °F experimenta un incre- , to de los fluidos bombeados durante las opera- mo mecanismo de sello en la conexión puede usar- metal. Este problema también se presenta por el mento de presión de 38000 psi. Sin embargo, tanto ciones de cementación, en el cual se consideran se para el sellado en cualquier dirección. Algunas uso continuo de apriete y desapriete (quebrar tu- las tuberías como la formación tienen un comporta- las caídas de presión por fricción y el fenómeno juntas usan un sello en cada dirección. bería) de las conexiones. miento elástico que permite que el espacio anular ten- de caída libre en el interior de la TR. La represen- ga cierta conformación de cambio de volumen por tación generalizada para evaluar el perfil de pre- Fuga: Se presenta cuando existe comunicación de Cedencia en el Piñón: Es una condición de falla en efecto del incremento de la presión. Por lo tanto, para sión es la siguiente: fluidos hacia el interior o exterior de la junta. Es una el piñón que se presenta cuando se alcanzan es- estimar el efecto de presión en el espacio anular se de las principales condiciones que debe observar fuerzos (tangenciales) superiores a la cedencia del debe obtener un equilibrio por la expansión térmica y j=Nf una junta para soportar las cargas por presión. La material por efecto simultáneo de la alta interferen- la expansión volumétrica. Este efecto de presión ge- Pe(h) = Pwh + Σ hjρj + ΣΣ ∆HI fIJ v2ijρj j=1 fuga en una junta es causada generalmente por: cia en el apriete y el efecto actuante de la presión. nerado por la expansión térmica es un factor de con- falla en el diseño de la junta, por las condiciones Esta situación incrementa el riesgo de una falla por sideración en el diseño de pozos marinos. 46 59
- 60. Tuberías Tuberías donde: fij = Factor de fricción para un fluido (i) y cam- 15.0 Pi = Presión de circulación de fondo (psi) bio de sección geométrica (j) (adimensional) Pwh = Presión en cabeza del pozo (psi) Vij = Velocidad del flujo (ft/seg) 12.5 hj = Profundidad de interés (ft) Tri-axial 1.000 Pérdida de circulación 10.0 rj = Densidad del fluido circulante (psi/ft) Burst 1.000 DHi = Tirante del fluido (ft) Esta condición se manifiesta al considerar que la tu- Te nsion 1.00 0 7.5 fij = Factor de fricción (adimensional) bería de revestimiento se queda vacía por el inte- vij = Velocidad del fluido (j) en la geometría rior. Esto se debe a una pérdida total o parcial del 5.0 Presión efectiva (ksi) fluido de control al continuar con la perforación de (i) (ft/seg) la siguiente etapa. Las causas de la pérdida pueden 2.5 obedecer a diferentes factores. Sin embargo, para Pruebas de presión determinar el perfil de presión por el interior de la 0.0 tubería, se representa una presión equivalente de 1 Es el perfil de presión resultante de la aplicación de atmósfera en el tirante vacío, y a partir de este pun- una presión de inyección en superficie, a través del -2.5 to, se considera la hidrostática del fluido de control. uso de un fluido de densidad constante. El resulta- En el caso de una pérdida total, se considera la pre- -5.0 do es un perfil de presión lineal, desde la superficie sión atmosférica en toda la longitud de la TR. hasta el punto de profundidad de la prueba. -7.5 Collapse 1.000 La condición de un brote Pi = Piny + hz Pf /10 -10.0 La manifestación de gas durante la perforación de donde: la siguiente etapa propicia que se modifique el per- -12.5 fil de presión en el interior de la TR. Al momento de Pi = Presión interna (kg/cm2) controlar un brote, también se ve alterado el perfil -15.0 Note: Limits are approximate de presión por el interior de la tubería. Una forma -900000 -750000 -600000 -450000 -300000 -150000 0 150000 300000 450000 600000 750000 900000 Piny = Presión de inyección (kg/cm2) convencional de representar los perfiles de presión Tension (lbf) hz = Profundidad de interés (m) al momento de manifestación de un volumen de gas Figura 33 Criterio de Falla para una tubería de 7” rf = Densidad del fluido (gr/cm3) se muestra a continuación: La hidráulica durante la perforación Por la migración de gas En las figuras 32, 33 y 34 se muestra los criterios Fallas por carga axial de falla para algunos diámetros de tubería muy La estimación del comportamiento de la presión de Este caso de presión se manifiesta por la canaliza- comunes en uso como TRs. Se observa claramen- Las cargas axiales pueden divididirse en cargas de circulación durante las operaciones de perforación, ción del gas a una presión constante hasta la super- te que entre más pequeño sea el diámetro ( < 7” tensión y cargas compresivas. Las cargas de ten- conducen a considerar las caídas de presión por fric- ficie. Propicia que la presión de poro al nivel del in- ), el modelo API se asemeja al modelo triaxial. Por sión generalmente son soportadas por la forma de ción en cada uno de los componentes de la sarta, tervalo que produce el gas, se manifieste con la mis- lo que se refuerza la recomendación de que en la rosca de la conexión. Mientras que las cargas tanto en el interior como por el espacio anular. La ma severidad o intensidad en superficie. Por esto tuberías de diámetro > 7 5/8” no se deba utilizar compresivas, se soportan por la forma de la rosca y forma más común y convencional de obtener la pre- se incrementa la presión en el interior de la TR al el criterio de falla triaxial de tuberías. Sobre todo, por los hombros de paro o por ambos. sión de circulación en cada punto de profundidad sumar la carga hidrostática del fluido de control. Una por la diferencia muy notable entre la resistencia queda representado por la siguiente fórmula: forma discreta de obtener el perfil se muestra a con- al colapso predicha por las ecuaciones API y el Salto de Roscas ( Jump-out ). Es una situación tinuación: modelo triaxial. de falla originada por una carga de tensión en la n m n m que se presenta una separación de la rosca del Pi (h) = Pwh + S S rihj + S S hjfijVijri Fuga en el tubing Fallas en las juntas piñón o de la caja con poco o sin ningún daño i=1 j=1 i=1 j=1 sobre los elementos de la rosca. En caso de una donde: Este caso considera que la tubería de producción in- Las conexiones roscadas o juntas de tuberías son carga compresiva, el piñón se incrusta dentro de currió en una falla por fuga en las conexiones, trans- elementos mecánicos con dimensiones geométricas la caja. Pi (h) = Presión en el interior (psi) mitiendo la presión de producción o inyección hacia variables que hacen difícil -a diferencia de las tube- Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) el espacio anular. Con esto se incrementa la presión rías- establecer una condición de falla en las mismas. Fractura. La carga de tensión genera la separación ri = Densidad del fluido de perforación (psi/ft) de los fluidos contenidos en dicho espacio anular. El Sin embargo, se han detectado diferentes modos de del piñón de la del cuerpo del tubo, que general- hj = Profundidad de cambio de sección del perfil de presión resultante es lineal al considerar la falla en las juntas por efecto de la carga impuesta mente ocurre en la última rosca enganchada. flujo (ft) presión hidrostática del fluido en el Espacio Anular (EA) mas la presión debida al fluido producido. 60 45
- 61. Tuberías Tuberías 4.50 Pi = Pgas + Phea Cargas axiales donde: 3.75 Tri-axial 1.000 Una de las principales causas de falla en las tuberías Pi = Presión interna (psi) es la acción de las cargas axiales en las operaciones 3.00 Pgas= Presión de gas (psi) en un pozo. La condición del diseño establece que la Burst 1.000 Tension 1.000 Phea = Presión hidrostática en el espacio anular (psi) capacidad de resistencia axial sea superior a la carga 2.25 axial impuesta para garantizar la seguridad de no-de- Estimulación o inyección de fluidos formación de la tubería. Por lo tanto, debemos esti- 1.50 mar las diferentes cargas axiales que toman lugar y El efecto de la inyección de fluidos al interior del así lograr evitar la falla en las tuberías. Un aspecto in- 0.75 pozo propicia una condición de cambio de presión teresante respecto a la evaluación de las cargas, es Presión efectiva (ksi) en el interior de la TR. Si la inyección de los fluidos que podemos considerar que para las cargas axiales 0.00 es por el espacio anular, el perfil de presión resul- prácticamente se tiene un conocimiento preciso para tante es el generado por la presión de inyección y la su cuantificación. Este hecho ha favorecido, que los -0.75 dinámica de los fluidos inyectados en EA. Si la in- denominados factores de diseño a la tensión sean yección es por el tubing, el efecto del cambio de considerados con valores inferiores a 1.3. Hasta hace Collapse 1.000 -1.50 temperatura en el espacio anular debe considerse, algunos años esta situación, todavía se manejaba con ya que afecta al comportamiento de presión en EA, valores del orden de 1.8. -2.25 por efecto de la expansión térmica en el mismo. Lo anterior ha sido posible gracias a los desarrollos -3.00 Pi= Pwh + Phea +DPf e investigaciones realizadas por diferentes autores. donde: Se ha permitido contar con modelos matemáticos -3.75 muy aproximados para la evaluación de las cargas Pi = Presión interna (psi) axiales. A continuación se describen los diferentes Note: Limits are approximate Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) modelos que se utilizan para determinar la magni- -4.50 -1000000 -800000 -600000 -400000 -200000 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 Phea = Presión hidrostática en el espacio anular (psi) tud de las diferentes cargas axiales que experimen- Tension (lbf) DPf = Caídas de presión por fricción en el espa- tan las tuberías en el interior de un pozo. Figura 32 Criterio de Falla para una tubería 13 3/8’’ cio anular (psi) Peso La producción de fluidos La cedencia del material está implícita en cada una da el uso de tales formulaciones y como tal es un El primer efecto axial a considerar en el diseño de de las líneas trazadas, excepto en la línea corres- marco de referencia bastante aceptable; y final- Las condiciones de producción ocasionan un cam- tuberías es el peso propio de la sarta de tuberías: pondiente a la falla por colapso, en aquellos casos mente, porque se ha adoptado como un estándar bio en las condiciones de temperatura en el espa- en la que se tenga una delgadez mayor a 15, bajo lo a nivel internacional. cio anular. Es importante evaluarlo para estimar el W = Swi hi cual no aplica la cedencia. Esto último obedece a grado de afectación por expansión térmica. Los per- que la falla por colapso se considera como una falla Por otro lado, el modelo triaxial es realmente una files de presión y temperatura que se deben eva- donde: inestable sobre todo para tuberías con una delga- teoría que formula los límites de resistencia de luar son función del comportamiento dinámico del dez mayor a 15. una tubería ante la acción combinada de los es- flujo prevaleciente del intervalo productor. Es decir, W = Peso total de la sarta (al aire) )lbf) fuerzos, que si bien es más realista desde el pun- puede ser en condiciones de flujo multifásico, de wi= Peso unitario de la tubería (lbf/ft) La decisión de definir cual es finalmente la resis- to de vista de propuesta, también habrá que decir una sola fase o bifásico. Una manera formal de re- tencia de una tubería recae en entender clara- que no se tienen pruebas que la validen en toda presentar la evaluación de esta condición es la si- hi = Longitud de la sarta (ft) mente los criterios de falla. Es decir, por un lado su extensión. Además, tiene algunas singularida- guiente: tenemos el comportamiento API y por otro el des como lo correspondiente a la no reproduc- Se utiliza el peso nominal del tubo y conexión en Pi= Pwh + Phea +DPf modelo triaxial. Es bien claro que el criterio API ción de la resistencia al colapso para delgadez las tuberías de revestimiento y en las tuberías de es más conservador por la condición uniaxial o superior a 15, lo cual lo limita a tuberías práctica- producción. Mientras que para tuberías de perfora- donde: monoaxial por el cual fue desarrollado. Sin em- mente de diámetros pequeños (< 7 5/8”). No obs- ción, es práctica común utilizar el denominado peso Pi = Presión interna (psi) ajustado, que significa considerar el peso nominal bargo, hay razones de peso que indican el por qué tante lo anterior, el modelo triaxial o la envolven- es la decisión mas recomendada en la actualidad. te triaxial o el criterio de falla triaxial ha retomado Pwh = Presión en la cabeza del pozo (psi) del cuerpo del tubo, más el peso de la conexión. Lo Entre ellas está que las magnitudes de las resis- su utilidad para analizar el estado de esfuerzos Phea= Presión hidrostática en el espacio anular (psi) anterior se debe a que la sarta de perforación gene- tencias están avaladas con pruebas extensivas; combinados en las tuberías, cuando se está suje- ralmente cuenta con conexiones recalcadas de ma- DPf = Caídas de presión por fricción en el espa- además, el API es una institución que recomien- ta a condiciones variables. yor peso unitario que el cuerpo del tubo. cio anular (psi) 44 61
- 62. Tuberías Tuberías liza la región del primer y segundo cuadrante de la gráfica. Es decir la parte positiva de las presio- nes resultantes. 2) Para evaluar la capacidad de resistencia a la falla por estallamiento: Suponer la NO existencia de presión por el ex- terior de la tubería. Simplificar en términos de presión interna la ecuación del modelo triaxial. Resolver la ecua- ción cuadrática resultante. El resultado de lo anterior representa en forma gráfica una elipse cuyo contorno simboliza la re- sistencia al estallamiento para las diferentes con- diciones de esfuerzo axial. Para fines prácticos se utiliza la región del primer y segundo cuadran- te de la gráfica. Es decir, la parte positiva de las Figura 31 Representación del modelo triaxial nor- presiones resultantes. malizado 3 ) Representación triaxial: dad, y que en las relaciones de delgadez <15 NO se ha justificado. Figura 54 Perfiles de presión externa En forma convencional representar las dos cur- vas resultantes en un solo gráfico, trazando en el × Se debe evaluar una elipse por cada grado de primer y segundo cuadrante la curva que repre- tubería que se utilice. senta la resistencia al estallamiento. Y la segun- da curva, que representa la resistencia al colap- Representar en forma simultánea, tanto la elipse que so, colocarla en el tercer y cuarto cuadrante. representa la resistencia del material, como la trayec- toria de cargas de presión vs carga axial, para El resultado de aplicar este convencionalismo, ge- cualitativamente observar las condiciones de trabajo nera una elipse que representa los límites de resis- de una tubería. Es decir, toda condición de carga fuera tencia a la falla por colapso y por estallamiento a del contorno de la elipse se dice que está propiciando las diferentes condiciones de esfuerzo axial. Es una condición de falla en la tubería. decir, se manejan tres variables para representar la resistencia del material. La cedencia del material Criterios de falla de la tubería queda representada por la magnitud de la elipse. Un punto de interés en la elipse, es el representa- Una forma clara de entender el concepto de falla, y do a presión “0” sobre el eje de las abscisas, y que reconocer el límite de resistencia de las tuberías, pue- representa la resistencia a la tensión. de establecerse mediante un gráfico en el que se inte- gre el modelo del API, así como el modelo biaxial (in- Las siguientes consideraciones deben tomarse en corporado en el modelo API) y el modelo triaxial. La cuenta para el uso adecuado del modelo triaxial figura 27 muestra los límites de resistencias de una mostrado en la figura 31: tubería bajo los conceptos: API, biaxial y triaxial. Es importante señalar que a este tipo de gráficos se le × El modelo representa la resistencia de los mate- puede denominar como la representación de los cri- riales en tuberías con una delgadez > 15. Esto sig- terios de falla de una tubería, dado que en ella se deli- nifica que prácticamente está dirigido a diámetros mita el nivel de presión y tensión que puede soportar de tubería menores de 7 5/8”, en virtud de supo- hasta fallar una tubería. También se le ha denominado Figura 55 perfiles de presión interna ner la aplicación de la teoría clásica de la elastici- como la envolvente de falla o envolvente triaxial. 62 43
- 63. Tuberías Tuberías Peso flotado presenta en las tuberías por efecto del cambio de r = Radio interior (pg) i ángulo en la verticalidad del tubo. Una forma de r = Radio exterior (pg) Al considerar el efecto de flotación por los fluidos evaluar la magnitud de la fuerza axial de flexión ge- e presentes en el pozo mediante el método de pre- nerada en una tubería es mediante el modelo de r = Radio (pg) sión-área: Greenip, dentro del cual se considera convencio- FF = - PeAf nalmente como positiva la carga de tensión, mien- s = Esfuerzo trangencial (psi) T tras que las cargas compresivas se consideran ne- Un método práctico para determinar el efecto de gativas. A continuación se presenta la ecuación para Ecuación del Modelo Triaxial flotación es mediante la aplicación del concepto de determinar el esfuerzo por flexión y la carga axial σVME = σ 2A + (C1 PI+C2 PE ) σA + C3 P 2I + C4 PE2 + C5 PI PE Arquímides. Este establece que todo cuerpo sumer- resultante: gido en el seno de un fluido experimenta una fuerza contraria o empuje sobre el peso del cuerpo con donde: una magnitud igual al peso del fluido desplazado. (d / t ) 2 Por lo anterior, se determina el denominado factor C = de flotación: 2 (d / t - 1 ) Fflo = 1 - ρf / ρa C 1 =2 - C Figura 30 Representación de los esfuerzos equiva- C 2 =C El factor de flotación se multiplica por el peso "al lentes (Axial, radial y tangencial) aire" de la sarta de tuberías para considerar en for- C3 = C 2 - C +1 esfuerzo equivalente que pudiera experimentar una ma práctica el efecto de la flotación. Sin embargo, donde: tubería sería de una magnitud equivalente a la C =C el método más preciso para determinar el peso flo- 4 cedencia del material. Sin embargo, es preciso apun- tado de una sarta es el de presión-área. En el caso Fx: Fuerza axial, curvatura cte. (lbf) C 5 = - 2 C2 +C tar que esta consideración implica suponer que la de contar con una sarta de tuberías de diferente Fxv: Fuerza axial, curvatura viariable (lbf) acción de un esfuerzo monoaxial como es la t = espesor(pg) peso, debe considerarse el efecto del cambio dimen- E = Módulo de young (psi) cedencia, represente la acción de los tres esfuerzos d = diámetro exteriorpg) ( sional interior y exterior de las tuberías por el incre- d = Diámetro nominal (pg) principales actuando en un material simultáneamen- mento en la fuerza de flotación. R = Radio de curvatura (pg) s = Esfuerzo triaxial equivalente (psi) te. Lo anterior significa que estamos aceptando VME ∆Fflo = π/4(pi(d2ia - d2ib) - Pe (d2ea _ d2eb)) q = Severidad (grados) como criterio de falla, una vez más, a la cedencia As = Área de sección transversal (pg2) El modelo anterior queda representado mediante las donde: del material. L = Longitud del tramo de tubería (ft) variables de presión externa, presión interna, esfuer- I = Momento de inercia (pg4) zo axial, delgadez y cedencia del material. Una forma alterna de representar el modelo triaxial FF = Carga comprensional por flotación (lbf) Fa = Fuerza axial antes de la flexión (lbf) de Von Mises para su aplicación en el campo de Pe = Presión externa en la zapata (psi) A fin de determinar la resistencia de las tuberías con ingeniería, ha sido resultado de simplificar, a partir Choque este modelo triaxial, se realizan las siguientes con- Af = Área de sección transversal en la zapata (ft2) de la misma teoría clásica de la elasticidad, el signi- sideraciones, o lo que algunos han llamado proce- Fflo = Factor de flotación (adimensional) ficado de los esfuerzos tangenciales y radiales me- Una fuerza de choque puede generarse por la ace- dimiento de NORMALIZACIÓN: diante las ecuaciones de Lamé: rf = Densidad del fluido (gr/cm3) leración y desaceleración instantáneas durante la in- ra = Densidad del acero (gr/cm3) troducción de la tubería en el pozo (corrida). La 1) Para evaluar la capacidad de resistencia a la magnitud de la fuerza axial generada puede ser de falla por colapso: DFflo = Carga compresional por flotación por cam- importancia para fines de diseño. Por esto debe es- bios de geometría (lbt) timularse basándose en la teoría elástica: Suponer la NO existencia de presión por el in- Pi = Presión por el interior del tubo (psi) terior de la tubería. Fs= 1780 ∆vAs Pe = Presión por el exterior del tubo (psi) donde: Simplificar en términos de presión externa la dia = Diámetro interior de la cima de cambio de ecuación del modelo triaxial. sección (pg) Fs = Carga axial por choque (lbf) donde: deb = Diámetro exterior de la base de cambio Dv= ft/seg) Resolver la ecuación cuadrática resultante. de sección (pg) As = Area de la sección transversal (pg2) sR = Esfuerzo radial (psi) El resultado de lo anterior representa en forma Flexión Es de observarse que en la medida que se aumente P = Presión interna (psi) gráfica una elipse cuyo contorno simboliza la re- la velocidad de introducción, la tubería se expone a I sistencia al colapso para las diferentes condicio- En pozos desviados o en pozos con severidades al- P = Presión externa (psi) una carga de choque elevada. Esta se considera nes de esfuerzo axial. Para fines prácticos se uti- tas es necesario estimar la carga por flexión que se E como medida de seguridad. 42 63
- 64. Tuberías Tuberías Fricción (arrastre) la sobrecarga de la tectónica del domo. Esto obliga Modelo biaxial PRESION a utilizar el modelo triaxial aplicado para las tube- Las tuberías experimentan una carga axial por efec- rías. El modelo de Hackney presentado previamen- Un modelo simplificado a partir de la teoría de la TENSION- P.I. to del contacto que tienen con el agujero en el fon- te, se utiliza para obtener el esfuerzo tangencial de- distorsión máxima de deformación y trabajado en COMPRESIO do del pozo (TRs) o por el contacto que se tiene rivado de la sobrecarga del domo, el cual, debe su- dos dimensiones fue desarrollado por Nadia y acep- N-P.I. entre tuberías, TRs con la sarta de perforación o TP marse al esfuerzo tangencial generado por efecto tada por el API para representar la resistencia al co- con TRs. Por el contacto entre los materiales la esti- de las condiciones de presión interna y externa en lapso y el estallamiento de las tuberías sujetas a un mación de esta fuerza axial actuante se realiza con- la tubería, calculado mediante el modelo de Lamé, esfuerzo axial variable (diferente de 0). El modelo siderando la fuerza normal de la carga axial presen- y finalmente, considerar el resultado final del esfuer- considera la acción de los esfuerzos axiales y AXIAL te, a una profundidad dada. Por efecto del contacto, zo tangencial en una representación de los esfuer- tangenciales mucho mayores a los radiales. Su for- la fuerza axial debe considerarse como positiva (in- zos triaxiales. ma matemática es la siguiente: COMPRESION- COLAPSO TENSION- cremento en la tensión). Por efecto del contacto, COLAPSO cuando la tubería se jala o se levanta, la fuerza axial Cargas triaxiales debe considerarse como positiva (incremento en la tensión). Es decir, se incrementa la carga axial de El diseño y análisis de una tubería realizado de acuer- donde: tensión por la fuerza de fricción contraria al movi- do con el modelo triaxial de Von Misses, debe en- miento de la tubería. Al momento de introducir la tenderse como un medio para estimar la capacidad s = Esfuerzo axial equivalente (psi) Figura 29 Comportamiento del modelo biaxial tubería al pozo, esta fuerza axial de contacto se pre- de resistencia y para valorar rápidamente la condi- Ae senta como una fuerza compresiva (negativa). Esto ción de trabajo de una tubería. Podemos reiterar que s = Cedencia (psi) y es porque la fuerza de contacto sirve de apoyo para la capacidad de resistencia triaxial de una tubería propuesto una buena cantidad de teorías encamina- s = Esfuerzo axial (psi) das a resolver o plantear mediante el uso de modelos soportar la carga axial presente en la tubería. La si- queda representada mediante su envolvente elípti- A guiente ecuación se utiliza para determinar la carga ca. La condición de trabajo triaxial o carga triaxial matemáticos la predicción de la resistencia de un axial por fricción: es el perfil resultante del esfuerzo equivalente de Su aplicación ha sido orientada más a la represen- material ante la imposición de diferentes esfuerzos. Von Misses, obtenido a partir de la evaluación de tación del colapso bajo la carga axial variable. Y se Con este propósito, habremos de considerar una de Fr µWf sin(θ)L los tres esfuerzos principales (tangencial, axial y ra- utiliza asignando en las ecuaciones de colapso una las teorías más fundamentadas y utilizadas en la teo- dial) en cada punto de profundidad y en considera- cedencia equivalente calculada a partir de la ecua- ría clásica de la elasticidad para cuantificar la magni- donde: ción a las condiciones de presión y esfuerzo axial ción anterior. tud de los esfuerzos que toman lugar en un material de cada uno de los eventos de carga convenidos para hacerlo fallar. Esta teoría se denomina “de la dis- : : Peso flotado de la tubería para fines de diseño. Para este fin, se utilizan los La gráfica biaxial presentada en la figura 29 muestra el torsión de la energía de deformación máxima” pro- comportamiento de disminución de la resistencia al puesta inicialmente por Henckey Von Mises. Dicha teo- I µ : factor de fricción modelos de Lamé, Hanckey y Von Misses. La figura 52 muestra el perfil de esfuerzos triaxiales a los que colapso para tuberías sujetas a un esfuerzo axial ma- ría estipula que existe un esfuerzo equivalente a partir 0.25...(tubo - tubo) se somete una tubería. Una forma alterna de yor a cero (tensión en cuarto cuadrante), situación que del cual los tres esfuerzos principales actuando en un 0.35....(tubo - formación) visualizar el comportamiento de carga triaxial se cambia en esfuerzos axiales menores a cero (compre- material están en equilibrio, ver figura 30. Su repre- Fr = Carga axial de arrastre (lbf) realiza mediante la graficación de las trayectorias sión tercer cuadrante). El resultado de esta predicción sentación en coordenadas cilíndricas y aplicado para q= Angulo máximo de flexión (grados) de carga (profundidad vs presión - carga axial) de de pérdida o ganancia de resistencia ha estado sujeta una tubería es: L = Longitud de tubería (ft) cada uno de los eventos considerados, dentro de la a controversia, en virtud de no contar con pruebas exhaustivas que corroboren lo anterior. Se considera envolvente triaxial o criterio de falla de la tubería. La σ 2VME = 1/2 { (σA - σT)2 + (σT -σR )2 + (σR -σA)2 } La figura 51 muestra una gráfica típica del com- figura 53 presenta un ejemplo del comportamiento que un solo +10% en resistencia se puede obtener portamiento de la carga axial estimada para dife- de las diferentes trayectorias de carga y de la capa- bajo compresión. Y por tensión puede considerarse rentes eventos de carga. cidad de resistencia de una tubería. una pérdida total en resistencia. donde: s : Esfuerzo equivalente de Von Mises (psi) Cargas no axiales (formaciones plásticas) Efectos axiales Modelo triaxial VME s : Essfuerzo Axial (psi) La estimación de los esfuerzos generados por la pre- Las condiciones de presión y de temperatura pre- En los conceptos definidos anteriormente la resisten- A cia de las tuberías quedó representada mediante un s : Esfuerzo Radial (psi) sencia de formaciones plásticas(domo salino) se ha sentadas durante los diferentes eventos en un pozo R estudiado en forma incipiente. En los últimos años, afectan a las tuberías al modificar el estado de es- modelo cuya validez de aplicación se considera s : Esfuerzo Trangencial (psi) han surgido una serie de modelos que permiten fuerzos propios de la misma. En el estado de es- MONOAXIAL o UNIAXIAL. Es decir, la falla del mate- T cuantificar la magnitud del esfuerzo generado por fuerzos aciales éstos cambios tienen un impacto más rial ocurre bajo la acción de un esfuerzo actuando en un solo plano del material. No toma en cuenta la ac- A fin de aplicar el modelo de Von Mises para deter- la carga variable de una formación del tipo de los severo. La mecánica de materiales establece que un minar la resistencia de los elementos tubulares, se domos salinos. La única manera de estudiar el efec- cuerpo sujeto a un esfuerzo axial es su estado de ción de otros esfuerzos actuantes en el cuerpo del consideró que el esfuerzo equivalente se represen- to de un domo salino ha sido a través de la estima- esfuerzos al aplicarle una condición de carga dife- material. Sin embargo, las causas de una falla de un ta por la cedencia del material. Es decir, el máximo ción del esfuerzo tangencial adicional generado por rente. Por lo anterior, se debe entender que una tu- material han sido extensamente estudiados. Se han 64 41
- 65. Tuberías Tuberías resistencia al colapso, considerando e =0). De esta × A temperatura ambiental (20 °C). forma, la resistencia al colapso nominal se reduce en un 10% por efecto de las cargas, situación que de- El API establece que el valor obtenido con la ecua- bemos tomar en cuenta para fines de diseño al traba- ción de Barlow se redondee en múltiplo de10. jar con cargas combinadas. Tensión Estallamiento La tensión es una condición mecánica (tensionada) La falla por estallamiento de una tubería es una de una tubería que puede ocasionar la falla o fractu- condición mecánica que se genera por la acción ra de la misma. Se origina por la acción de cargas de cargas de presión actuando por el interior de axiales que actúan perpendicularmente sobre el área la misma. La resistencia que opone el cuerpo del de la sección transversal del cuerpo del tubo. Las tubo se denomina resistencia al estallamiento. Por cargas dominantes en esta condición mecánica son efecto de las traducciones y el manejo del térmi- los efectos gravitacionales, flotación, flexión y es- no “burst”, generalmente se le ha denominado fuerzos por deformación del material. como resistencia a la presión interna. Sin embar- go, es claro anotar que este utilizado debido a que Resistencia a la tensión la presión interna es la carga y la propiedad del material es la resistencia. Esta opone el material a La resistencia a la falla por tensión de una tubería se fallar por estallamiento o explosión debido a la puede determinar a partir de la cedencia del mate- carga a la que está sometido por la presión actúa rial y el área de la sección transversal. Como se men- en la cara interior del tubo. cionó previamente, se debe considerar la mínima cedencia del material para este efecto. Es decir: Resistencia al estallamiento Figura 56 Comportamiento de cargas axiales Para predecir la resistencia al estallamiento de tu- 0 berías se utiliza la ecuación de Barlow. Se reco- mienda para tubos de espesor delgado, y es 500 avalada por el API como estándar en sus especifi- donde: caciones. 1000 RT = Resistencia a la tensión (psi) de = Diámetro exterior (pg) 1500 di = Diámetro interior (pg) 2000 sy = Minimo esfuerzo de cedencia (psi) donde: 2500 Puesto que la cedencia de un material se determina Profundidad ( f t ) PEST = Resistencia al estallamiento (psi) a partir de una prueba de tensión, que consiste en 3000 sy = Cedencia (psi) aplicar una carga axial en forma incremental sobre 3500 d = Diámetro nominal (pg) una probeta o especimen con cierta sección trans- t = espesor nominal (pg) versal (de acuerdo al ASTM), también se obtiene la 4000 resistencia a la tensión de dicho material. Este es Hipótesis al aplicar la ecuación de Barlow: muy diferente a la de una tubería, por la diferencia 4500 en la sección transversal del cuerpo del tubo y el de 5000 × Considera el mínimo espesor permisible en el la probeta. cuerpo del tubo (87.5% del espesor nominal) 5500 × Esfuerzo radial despreciable La resistencia a la tensión de una tubería de acuerdo a × Esfuerzo axial o carga axial = 0 6000 lo estipulado por el API, se mide en unidades de fuer- × Esfuerzo tangencial considerando presión ex- za (libras) con un valor resultante de redondear al nú- 6500 terna = 0 mero más próximo en múltiplos de 10 libras, al aplicar 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0 52.5 55.0 57.5 × Falla por cedencia (presión de cedencia interna) la ecuación de resistencia a la tensión. Esfuerzo Equivalente ( ksi ) Figura 57 Comportamiento de cargas triaxiales 40 65
- 66. Tuberías Tuberías Tensión (1.000LBX) Deflexión radial Reducción en diámetro Presión (PSI) Figura 27 Modelo de Akgun Figura 28 Modelo de Akgun, con presión diferencial Aplicando el modelo de figura 27, se obtiene que donde: para la carga axial y severidad presente, la tubería Figura 58 Capacidad de resistencia y carga de una tubería se reducirá en su diámetro 0.1 pg, generando con v cambio radial en el eje principal de la sec- ello una ovalidad adicional. ción transversal [pg] bería que se introduce al pozo, desde su corrida, va o un estado inicial de esfuerzos, a partir de un "tiem- θ es el ángulo donde ϖ es determinado [rad] Por otro lado, aplicando el modelo de Akgun, para la sufriendo alteraciones en las condiciones de carga po cero". Es decir, representar la magnitud del esta- ϖo cambio radial en el eje principal de la sec- presión diferencial actuando en el tubo, se tiene una de presión y de temperatura. Por esto es de gran do de esfuerzos axiales generados por las condi- ción transversal cuando θ = 0 deflexión radial total de 0.07 .Se debe tener cuidado interés evaluar las transformaciones en los esfuer- ciones iniciales de presión y de temperatura bajo o sobre el significado de este valor final, ya que repre- µ relación de Poisson (0.3 de acero) zos, particularmente en las cargas axiales. Los cam- durante la ocurrencia de un evento en particular. senta únicamente la deflexión debida a la diferencial E modulo de Young’s (30*106psi) de presión positiva. La reducción del diámetro del tubo bios que se presentan en los esfuerzos axiales tiene Como condición de carga inicial de una tubería de lugar por la característica de ductilidad con las que revestimiento se ha establecido el estado de esfuer- P diferencial de presión [psi] original (circular) se obtiene adicionando la deflexión están fabricadas las tuberías. Es decir, tienen la ca- zos axiales posterior a la cementación de la tubería. ro radio principal del tubo [pg] por carga axial a la deflexión por carga de presión, pacidad de deformación elástica hasta los límites En el caso de tuberías de producción, el estado de t espesor de pred [pg] esto es: de cedencia del acero. esfuerzo inicial se establece a partir del momento 0.07+0.1=0.17 pg de colgarla en el cabezal. En cambio en el fondo del Aplicando el modelo anterior para diferentes presio- Durante la evaluación de los cambios axiales que pozo, el estado de carga axial inicial para una sarta nes diferenciales y diferentes deflexiones radiales ini- Por lo tanto, la ovalidad generada en el cuerpo del experimenta una tubería, se han detectado cuatro de perforación es la prevaleciente en condiciones ciales, se genera una gráfica como la mostrada en la tubo en condiciones reales, considerando como diá- fenómenos o efectos axiales muy particulares que estáticas. figura 28. metro exterior máximo al diámetro nominal es: dan lugar a una alteración o modificación en el es- tado del esfuerzo axial. Estos son: Una vez establecida la condición inicial, para cada Ejemplo: S = ( 7 – ( 7-0.17) )/7=0.024=2.4% evento de carga (que generan un cambio de pre- · Pandeo sión y temperatura) se debe establecer el estado de Una tubería de 7 pg de diámetro exterior con espe- Este resultado tiene su impacto en la evaluación de · Balonamiento esfuerzos axiales, modificado por la acción de los sor de pared de 0.317 pg (23 lb/pie) y grado N-80 la resistencia al colapso de la tubería. En el caso · Pistoneo fenómenos aciales presentes. Cada nuevo estado trabajando a una presión diferencial de 2,000 psi y ideal esta tubería, de acuerdo con el API, tiene una · Efecto térmico. de esfuerzos axiales es analizado para aplicarlo con sujeta a una carga axial de 100000 lb, en un pozo resistencia al colapso de 3830 psi. Al considerar la fines de seleccionar el tubo o tuberías más propi- con una severidad de 30º /100 pies, genera la si- ovalidad del 2.4% estimada por efecto de la carga, Cada uno de ellos refleja una acción de carga axial cias para soportar estos cambios axiales. guiente deflexión u ovalidad adicional: la resistencia al colapso de esta tubería es de 3480 adicional (tensional o compresional) que hay que psi (aplicando el. modelo de ISSA para estimar la considerar en el diseño de las tuberías. Para lograr A continuación se describen los principales efec- lo anterior, se debe establecer una condición inicial tos axiales: 66 39
- 67. Tuberías Tuberías P0 - Resistencia al colapso para un tubo de geome- esta deformación es función de la curvatura del agu- Pandeo donde: tría perfecta (psi) jero y del peso que soporta la tubería (carga axial). PE - Resistencia al colapso elástico (psi) La magnitud de la deflexión (deformación de Se denomina "pandeo" a la deformación mecánica Fp = Fuerza límite de inicio del pandeo (lbf) PPE - Resistencia al colapso elástico - plástico (psi) ovalamiento homogéneo), depende básicamente del que experimenta una tubería por la acción de las E = Módulo de young (psi) r - Radio en una localización angular exterior (pg) diámetro exterior y del espesor del tubo. La reduc- fuerzas compresionales desarrolladas sobre el cuer- I = Momento de inercia (pulg4) R - Radio exterior nominal (pg) ción en el diámetro del tubo es el resultado de la po de la misma. Puede entenderse que existe un We = Peso flotado de la sarta (lbf) S - Relación de ovalamiento deflexión. En la figura 26 se muestran las deforma- límite de fuerza compresional, similar al de una re- q = Ángulo máximo (grados) t - Espesor (pg) ciones que sufre el tubo. sistencia, para establecer el inicio de la deforma- r = Radio del tubo (pg) Y - Esfuerzo de cedencia (psi) ción de pandeo de la tubería. Por la forma y severi- R = Radio de curvatura (pg) u2 - Deformación del diámetro nominal exterior tubo real dad del pandeo se han definido dos criterios de pan- n - Relación de Poisson deo: pandeo sinuosoidal y pandeo helicoidal. La fi- Para diagnosticar la condición de pandeo, la esti- q - Posición angular gura 44 muestra esquemáticamente la forma de una mación de la fuerza compresional límite debe reali- tubería pandeada, mientras que en la figura 36 se zarse en conjunción con la estimación del estado Deformación debido a la El modelo de Issa modificado a las condiciones de presión diferencial presento la imagen de una tubería pandeada. Es im- de esfuerzos axiales en cada evento de carga, debi- pruebas al colapso de las tuberías propietarias de portante mencionar que el pandeo es una deforma- do a que en todo momento se pueden alcanzar di- TAMSA para los grados TAC puede ser evaluado ción que puede hacer fallar a una tubería. Esto ocu- chos límites de pandeo. mediante la adecuación de las constantes A,B y C. En rre porque se generan grandes esfuerzos por flexión, este caso las constantes se presentan en la tabla 5. en forma simultánea, dada la curvatura que se al- La fuerza de pandeo se puede obtener a partir de la canza por efecto del pandeo, una vez que se halla definición del modelo de Pasalay: tubo ideal Las ecuaciones que siguen rigiendo son las ya iniciado la deformación. indicadas por Issa, pero con las constantes FB= - Fa +piAi - peAe modificadas para tuberías TAC como se indica a El pandeo limita el trabajo o paso de herramientas Deformación debido a la donde: continuación. por el interior de la tubería. Dificulta o en su caso, FB: Fuerza axial (lbf) curvatura del agujero y peso se descarta el paso de cualquier elemento por el Fa: Fuerza de pandeo (lbf) interior de la tubería. Figura 26 Sección transversal de un tubo Tabla 5. Constantes del Modelo de Issa. pi = Presión interna (psi) A continuación se presentan algunos modelos ma- Ai = Área de sección interna (pg2) Modelo Existen dos modelos para evaluar la deflexión de una temáticos que permiten determinar, con cierto gra- Constante Modelo original pe = Presión externa (psi) modificado tubería sujeta a cargas axiales y de presión. El mo- do de aproximación, la fuerza compresional a par- delo de Freda Akgun y Billy Joe Mitchell28 evalúa la tir de la cual se genera la deformación por pandeo Ae = Área de sección externa (pg2) A1 7.0333 7.0422 reducción del diámetro del tubo por efecto de la ten- en una tubería. A2 0.1295 0.1140 sión y la flexión generada en el caso de pozos des- Lo anterior, denominado análisis de pandeo, permi- viados. En la figura 27 se muestra el comportamien- Pandeo Sinuosoidal: tirá seleccionar apropiadamente las tuberías capa- A3 12.3298 17.0580 to del modelo de Akgun y Mitchell para determinar ces de soportar la carga axial compresional. En el B1 0.1648 0.1970 la deformación de los tubos considerando varios caso de las tuberías de revestimiento, el análisis de ángulos de severidad en el pozo (pata de perro) y su- pandeo servirá para determinar el mejor esquema B2 0.5972 0.6060 jeto a diferentes cargas axiales en diferentes grados de carga axial para anclar o colgar la tubería. Es decir, B3 0.7618 0.8190 API de tuberías. establecer la carga axial en superficie que debe te- ner la tubería para minimizar el efecto de pandeo C1 0.8123 2.0310 Por otro lado, Akgun49 propuso un nuevo modelo sin deterioro de la capacidad de resistencia de la C2 -1.1272 -8.3030 tubería y que permita absorber las cargas axiales para determinar la reducción del diámetro de un tubo por efecto de la carga de presión diferencial por los cambios en presión y temperatura que se manifestada en la cara externa del mismo. Pandeo Helicoidal: manifiestan en las mismas. El escenario ideal para Efecto de cargas combinadas anclar la tubería sería aquel que mantuviera una carga La ecuación diferencial que modela la deflexión de axial igual con cero en toda la profundidad del pozo. Las tuberías se deforman cuando son colocadas en una sección circular del tubo (90º) es: Sin embargo, esto es más que imposible, debido a la pozos altamente desviados debido a los esfuerzos carga axial propiciada por el peso propio de la tube- a los que se somete el tubo, independientemente ría. Por ello se debe establecer un esquema de carga de las imperfecciones generadas durante el proce- axial lo suficientemente propicio para mantener una so de fabricación. La sección transversal del tubo carga compresiva por debajo del límite de pandeo. Y cambia a una forma elíptica. La fuerza que provoca y por otro lado, se mantendrá un límite de tensión por debajo de los límites de cedencia del material. 38 67
- 68. Tuberías Tuberías Mediante el análisis de pandeo en las tuberías de v: relación de poisson (adimensional) La combinación de estas dos imperfecciones en una producción, se debe determinar la manera mas pro- sección transversal de una tubería es mostrada en ∆Pi: Cambio de presión interna (psi) picia para colgar la TP en el cabezal. Se consideran la figura 25. las fuertes variaciones en los esquemas de produc- ∆Pe: Cambio de presión externa (psi) ción. Esta situación genera cambios en las condi- ∆ρi Cambio de densidad interna (psi/ft) ciones de presión, temperatura, y en las condicio- d nes axiales. El estado de esfuerzos axiales ideal en ∆ρe Cambio de densidad interna (psi/ft) la TP es aquel que mantenga el mínimo esfuerzo axial tensional en superficie para amortiguar los L : longitud de tubería (ft) Presión elástica de colapso cambios por efectos axiales y la mínima carga Ai: Area Interna (pg2) compresiva en el fondo para mantener las condi- ciones favorables para evitar el pandeo. Ae Area externa (pg2) 1 2E PE = D Balonamiento Pistón 1 - v2 ( D -1) 2 El efecto natural que presentan las tuberías por la El efecto de contracción o elongación que pre- Figura 25 Sección transversal de una tuberia "inflación" o "desinflación" que se manifiesta por efec- senta una tubería por efecto del cambio en el es- ovalada y excéntrica tos de cambios en la presión interna y externa se tado de esfuerzos axiales es denominado efecto denomina "balonamiento". Es una medida de la de- "pistón",ver figura 54. La condición elástica que El desgaste se define como la degradación o dete- Presión elastoplástica de colapso formación elástica propia del acero y que induce caracteriza a las tuberías de acero da lugar a la rioro del material por efecto de la fricción producida esfuerzos tensionales y compresionales en la tube- deformación axial. Es decir, por cada incremento por el contacto entre dos materiales (tubos). ría. Es decir la tubería se contrae o elonga de carga axial, la tubería experimenta un cambio longitudinalmente, cuando esta está confinada o sin longitudinal. Este fenómeno de deformación elás- Efectos del desgaste libre movimiento. tica en la que se manifiesta una relación de elongación y de esfuerzos axiales queda repre- En la perforación de pozos desviados ocurren des- Se dice que existe el balonamiento cuando la pre- sentado por la Ley de Hook, la cual tiene la repre- gastes severos en la superficie interior de la tubería sión interna que actúa en la tubería es superior a la sentación matemática siguiente: de revestimiento al estar sujeta a grandes flexiones, presión externa. Esto es semejante al proceso que lo cual, afecta las funciones del tubo. Función de ovalamiento se presenta para estallar a la tubería. Sólo que en este caso se refiere al momento en que se alcanza Especialmente la resistencia al colapso se ve dete- h(e) =(1-e) (1+C1e+C1e2) el nivel de la cedencia del material. Las condiciones riorada por el desgaste, por lo cual, debe tomarse elásticas del material generan elongaciones en cuenta en el proceso de diseño Función de excentricidad longitudinales que dan lugar a una deformación tipo donde: "globo" en la sarta de tubería. El esquema de la figu- Resistencia al colapso con imperfecciones ra 42 representa la forma en que esto se lleva a cabo. DA = FA (actual) - x (anclada) (lbf) Los factores que afectan la resistencia al colapso de Se dice que existe "balonamiento inverso" cuando DL : cambio de longitud generado (ft) las tuberías de revestimiento, son particularmente se presenta el efecto de "desinflación" motivado por E = Módulo de Young (psi) la influencia de la excentricidad y el ovalamiento donde: los cambios de presión externa que son superiores As = Area de sección transversal (pg2) geométrico. El API no toma en cuenta estas imper- a la presión interna prevaleciente en la tubería. L = Longitud de la sarta (ft) fecciones. Sin embargo, recientes propuestas al co- A1, A2, A3 - Constantes de la función de colapso mité de revisión de estándares en materia tubular elástico plástico Estos cambios que se manifiestan en la tubería pue- indican la posibilidad de que el API considere como Efecto térmico den evaluarse como un esfuerzo axial adicional al es- especificaciónes las definiciones de ovalidad y ex- B1, B2, B3 - Constantes de la función de ovalamiento tado de esfuerzos presente antes de la generación de centricidad, para que después sean consideradas en La temperatura a la cual se exponen las tuberías en C1, C2 - Constantes de la función de excentricidad este efecto. La magnitud de este esfuerzo axial puede la evaluación de la resistencia de las tuberías. el interior de un pozo. Son importantes para la esti- obtenerse mediante el siguiente modelo: D - Diámetro nominal (pg) mación de las cargas axiales. Estas cargas se pro- Un modelo generalizado para determinar la resis- D max / ext - Diámetro máximo (pg) ducen por el cambio de temperatura que experimen- tencia al colapso de las tuberías ha sido propuesto ∆FB = 2ϑ(∆PiAi - ∆PeAe) + vL (∆ρiAi -∆ρeAe) ta la tubería al someterse a diferentes eventos de e - Excentricidad (adimensional) por Issa31, en el cual, se toma en cuenta la excentri- carga. La magnitud de las cargas axiales generadas cidad promedio y la ovalidad promedio del tubo. E - Módulo de Young (psi) donde: por efecto del cambio de temperatura puede ∆FB: Cambio axial por balonamiento (psi) obtenerse de la siguiente manera: Ecuación general del modelo de Issa 31 P - Resistencia al colapso(psi) 68 37
- 69. Tuberías Tuberías cierto porcentaje de ovalidad y excentricidad. Es FT = Fuerza axial total (lbf) decir, no existen tuberías con diámetro y espesor Fap = Fuerza axial por pandeo (lbf) constante. En la figura 22 se muestra la sección FaP = Fuerza axial por pistoneo (lbf) u1 tansversal de una tubería perfecta. Por lo que se tiene que medir el efecto que estas imperfeccio- Fat = Fuerza axial por temperatura (lbf) R nes tienen en la resistencia al colapso del tubo. r FaB = Fuerza axial por balonamiento (lbf) Dmin. q Secciónde la Sin embargo, para fines de diseño, también es im- tubería portante cuantificar el grado de contracción o transversal elongación que sufre una sarta. Esta consideración debe realizarse en aparejos de producción que cuen- tan con un empacador. Este debe mantener una lon- u2 gitud de sellos capaz para contener esta deforma- Dnom. u2 ción. La longitud de deformación de la tubería será: Dmax. DL = DLP + DLp + DLB + DLT Dnom. DL = Cambio de longitud otal (ft) Figura 22 Sección transversal de una tubería Figura 23 Contorno de una tuberia ovalada DLP= Cambio de longitud por pistoneo (ft) perfecta DLp = Cambio de longitud por pandeo (ft) DLB = Cambio de longitud por balonamiento (ft) La ovalidad: se define como el máximo diámetro e= δ DLT = Cambio de longitud por temperatura (ft) exterior, menos el mínimo diámetro exterior dado t Con lo anterior, es posible obtener la longitud de en una sección plana, divida por el diámetro exte- donde: sellos que debe tener un empacador para absorber rior nominal. En la figura 23 se muestra el contorno las contracciones y elongaciones de la tubería. Por e = excentricidad Figura 59 Efecto de Pistoneo de una tubería ovalada eso es importante cuantificar si la magnitud de los d = tmax –tmin efectos axiales que toman lugar en cada uno de los tmax = máximo espesor FaT= - 58.8 DTw eventos de carga son de tipo tensional o compre- S = (Dmax -Dmin) tmin = mínimo espesor sional. Dnom t = espesor nominal Donde: FaT: Fuerza Axial DT: Cambio de temperatura donde: t max. w: Peso de la tuberia S = ovalidad d d Dmax = diámetro máximo exterior Dmim = diámetro mínimo exterior La carga axial generada por el cambio de tempera- Dnom = diámetro exterior nominal tura debe considerarse únicamente en la sarta que esta con libre movimiento axial. Es decir, en aquel tramo de tubería que no está restringida en movi- Queda de manifiesto que el proceso de fabricación miento lateral. de un tubo no es perfecto. Es decir se genera una imperfección al producir un tubo con un diámetro Los efectos axiales mencionados de pandeo, t nom. ligeramente irregular en su cara exterior. pistoneo, balonamiento y térmico dan lugar a un cambio significativo en el estado de esfuerzos Figura 60 Forma esquemática de una tubería pandeada La excentricidad: es una medida de las imperfeccio- d t min. axiales, por la acción combinada de cada uno de nes detectadas en una tubería por efecto de los cam- ellos. Esto significa que la suma de los efectos Figura 24 Sección transversal de una tubería Corrosión bios de espesor en el cuerpo del tubo ver figura 24. excentrica ovalada axiales generaran una deformación total en la tube- ría. Por lo tanto, la fuerza axial total será: La corrosión es un fenómeno electro-químico. Tie- ne lugar en las tuberías por efecto de la acción del FaT = Fap +FaP + FaT + FaB medio ambiente y la reacción de los constituyentes 36 69
- 70. Tuberías Tuberías del material con el que están fabricados los tubos, tarla como norma reguladora de la selección de las La falla al colapso depende de diversos factores pro- A continuación se presentan las ecuaciones de co- es decir de acero. Este fenómeno tiene muchas y tuberías en el proceso de diseño. pios de la naturaleza de fabricación del tubo. Den- lapso adoptadas por el API para determinar la resis- diversas presentaciones en los aceros. Desde una tro de éstos resaltan la cedencia del material, la geo- tencia al colapso de las tuberías que cumplen con oxidación hasta lo que actualmente conocemos La figura 56 muestra las recomendaciones emitidas metría tubular, imperfecciones (excentricidad, las especificaciones API. como agrietamiento por sulfhídrico (SSC). El efecto en la norma NACE, a fin de considerar los materia- ovalidad) y la condición de esfuerzos en la tubería. de deterioro por los estragos de la corrosión en las les capaces de resistir los efectos corrosivos del H2S tuberías se manifiesta por la pérdida de la capaci- ante las diferentes condiciones de temperatura y Resistencia al colapso dad de resistencia, que obliga a prevenir estos efec- presión parcial. tos para evitar las fallas en las tuberías. A través de una extensa serie de pruebas realiza- Recientemente se han conducido diversos estudios das en tuberías el API ha demostrado el comporta- El efecto de corrosión SSC es de vital importancia para analizar la aplicación estricta de la norma NACE miento de la falla por colapso de las tuberías. La para fines de diseño de un pozo, debido a que se en del ámbito de perforación. Dentro de las conclu- figura 21muestra las diferentes condiciones de fa- considera la corrosión como una condición de car- siones a las que se ha llegado es que debe ser con- lla por colapso para un amplio rango de diámetros/ ga que deteriora la capacidad de resistencia de los siderada dentro de la norma el parámetro pH, en espesor de tuberías. Este último término se define materiales, ante la probabilidad de ataque del sul- virtud de ser un factor de peso para que el material como esbeltez o delgadez de la tubería. Se mani- fhídrico en fase gaseosa. ¿Qué significa esto?, en la sea susceptible al agrietamiento por H2S. Una re- fiestan, de acuerdo a las pruebas realizadas, cuatro etapa de diseño debemos tomar en consideración presentación de dicha recomendación se muestra zonas o comportamientos. La primera es la deno- los parámetros que permitan analizar y cuantificar en la figura 57, en la cual se marcan las diferentes minada presión de colapso por cedencia, en la cual las condiciones bajo las cuales el efecto nocivo de zonas de probabilidad de falla ante la magnitud del el material es fuertemente dependiente de la la corrosión se va a presentar. pH y la presión a la que se ve sometida una tubería. cedencia del material, en virtud de que se ha com- probado que los esfuerzos tangenciales generados Los factores que contribuyen a la corrosión SSC son Otros estudios relativos a la aplicación de la norma, en la periferia interior del tubo, alcanza al valor de la concentración del H2S, el nivel pH, la temperatu- han reflejado que existe una condición adicional para la cedencia. Se presenta para tuberías cuya esbel- ra, el nivel de esfuerzos en la tubería, la cedencia que se presente el fenómeno de agrietamiento. Esta tez sea inferior a 15. Es decir, tuberías de diámetro del material, la micro-estructura, el proceso de tra- condición es la cantidad de hidrógeno presente en grande (> a 7 5/8”). Un segundo comportamiento tamiento térmico durante la fabricación y las alea- el acero. Lo han denominado "hidrógeno crítico". Es del colapso es el elástico. Este es reproducido me- ciones que componen al acero. Incrementando la el límite mínimo de cantidad de hidrógeno conteni- diante la teoría clásica de la elasticidad y se presen- concentración de H2S se puede tener un efecto sig- do en el tubo para que se manifieste la permeación ta en tuberías con esbeltez mayor a 25. Es decir, nificativo en la susceptibilidad al agrietamiento. Sin del hidrógeno en el acero y se probó que la falla por tuberías de diámetro pequeño (< a 7”). Un tercer embargo, se ha observado que un incremento del agrietamiento. En este caso, se deben realizar prue- comportamiento, que el API denominó como co- nivel de pH por arriba de 8 en el medio que rodea a bas a cada tipo de acero de tubería para determinar lapso plástico, es el que se presenta posteriormen- la tubería, disminuye el ritmo de corrosión. Es por el valor de hidrógeno crítico. te a la etapa de colapso plástico, que obedece a la esto, que los lodos de perforación con valores de naturaleza propia de deformación del tubo en la eta- pH mayores de 8 son benéficos para prevenir el ata- Condiciones iniciales de carga pa de plasticidad o posterior a la cedencia. Y final- que del ácido sulfhídrico. mente, existe una zona de transición entre el colap- La distribución de las cargas son el factor clave para so plástico y el colapso elástico. Es un comporta- Un tratamiento a fondo sobre el tema de corrosión dictaminar la selección de materiales. La situación miento que ha sido correlacionado en forma nu- por sulfhídrico se tiene en la referencia 2, que es inicial de carga que se presenta en una tubería de- mérica por el API a fin de tener en forma completa recomendable para su lectura y comprender con penderá en gran medida para optimizar el proceso el modelado del comportamiento del colapso. mas detenimiento el tema. Por el momento nos abo- de selección. Por lo tanto, es obligatorio establecer donde: caremos a considerar las recomendaciones emiti- el perfil de cargas axiales, de presión y de tempera- Teoría de inestabilidad elástica das por la NACE para la selección de los materiales. tura inicial al que se ve sometido una tubería. Pero s Cedencia del tubo Pc = Resistencia al colapso (psi) 2 además, se deberá establecer el momento preciso do = diámetro nominal (pg) Comportamiento real La NACE institución de investigación y normativa ante para esta evaluación. En el caso de las tuberías de d = diámetro (pg) la problemática de la corrosión ha publicado recomen- revestimiento se considera como situación de car- t = espesor nominal (pg) daciones para la selección de materiales que están ga inicial como aquella distribución de presiones, expuestos al H2S, a través de su boletín MR-0175-99, carga axial y temperatura después de cementada la Efecto de imperfecciones en el cual, se listan las condiciones de presión y tem- misma, bajo la consigna de tener movimiento axial peratura bajo las cuales debe ser seleccionada una sólo en la sección de tuberías libre de cemento. Una Dentro de los factores que influyen en la resistencia tubería para que resista la acción de la corrosión por vez realizado esto, se pueden simular, bajo otros Cedencia Plástico Tensión Elástico al colapso de las tuberías. Está el aspecto geométri- SSC. Es una fuente de gran valor que se ha adoptado eventos de carga, la distribución de cargas que ten- +15 - +25 - Delgadez (D/t) co. Las imperfecciones generadas en el proceso de en el ámbito internacional. Por lo que debemos adop- drán lugar, de tal manera que se obtenga la magni- Figura 21. Comportamiento del colapso fabricación dan como resultado el tener un tubo con 70 35
- 71. Tuberías Tuberías La tabla 4 muestra un resumen de los diferentes terial generalmente se efectúan a la temperatura aceros o grados API con sus valores de cedencia. ambiental. Sin embargo, se ha observado que a temperaturas elevadas (> 150 °C) la resistencia de cedencia de un acero empieza a verse dismi- Tabla 4. Relación de grados de tubería API nuida. La figura 20 muestra el comportamiento de Cedencia Ultima Ultima la cedencia vs temperatura para algunos aceros Grado Mínima Resistencia Grado Resistencia propietarios. A este tipo de observaciones se les conoce como pruebas de tensión en caliente, H-40 40000 60000 C-95 105000 mediante lo cual se puede establecer el grado de afectación por temperatura en los diferentes ace- J-55 55000 60000 Q-125 145000 ros para tuberías. K-55 55000 65000 E-75 95000 Ensayos de tensión en caliente N-80 80000 95000 X-95 115000 Grados propietarios TAMSA 200000 L-80 80000 90000 S-135 155000 P-110 110000 125000 C-95 105000 160000 C-75 75000 95000 P-105 120000 Cedencia ( psi ) 120000 T-95 95000 105000 G-105 120000 80000 TRC-95 TRC-95BDC Para fines de diseño, el criterio de mínima resis- 40000 tencia de cedencia es el que debe de adoptarse, a TAC-95 TAC-110 fin de garantizar, con un margen de seguridad, la TAC-140 resistencia del material. La nomenclatura API para 0 los diferentes aceros tiene estipulado en el nú- 0 100 200 300 400 500 mero la mínima resistencia a la cedencia, y es el Temperatura ( oC ) valor nominal de cedencia que debe considerar- se en todos los cálculos de evaluación de resis- Figura 20. Comportamiento térmico de la cedencia Figura 60 Recomendación de selección de materiales de la norma NACE tencia de las tuberías. 10000 Existen aceros que se fabrican con especificacio- Total nes propias de los fabricantes y que no adoptan en Colapso su totalidad las especificaciones estipuladas por el 1000 API. A este tipo de aceros se les conoce común- La falla por colapso de una tubería es una condición PresIón mente como aceros propietarios o grados propieta- mecánica. Se origina por el aplastamiento de una rios, o simplemente grados NO-API. Sin embargo, tubería por una carga de presión. Ésta actúa sobre NACE tratan de seguir la misma nomenclatura adoptada 100 las paredes externas de la misma y es superior a su por el API para especificar la cedencia del material. capacidad de resistencia. pH=5 pH=6 pH=7 pH=8 Tal es el caso de los grados propietarios que produ- ce TAMSA como son: TAC y TRC. La resistencia a la falla por colapso de una tubería 10 ha sido estudiada ampliamente. En primer instan- 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 psi La cedencia de los materiales se ve sensiblemen- cia, es una de las causas más comunes de falla en te afectada por la temperatura a la que estén ex- las tuberías colocadas en un pozo y en segundo Concentración de H 2S puestos dichos materiales. Las pruebas de tensión término es un fenómeno de falla más complejo Figura 61 Recomendación adicional a NACE para H2S que se realizan para medir la cedencia de un ma- de predecir. 34 71
- 72. Tuberías Tuberías tud del cambio de cargas que experimentó la tube- Estado de esfuerzos axiales Cedencia de revestimiento, tuberías de producción y sartas ría, sumando algebraicamente la distribución inicial de perforación que se utilizan en la industria petro- y la distribución para cada evento adicional. Lo an- La distribución de carga axial inicial se debe al peso Para entender el comportamiento de falla iniciare- lera. Como el material de fabricación de las tuberías terior permitirá analizar el impacto que tiene cada propio de las tuberías, considerando la flotación y mos por definir el concepto de cedencia o fluencia, es el acero, a nivel de fabricación se producen dife- escenario de carga por los efectos axiales que se en su caso las carga por flexión presente por efecto que es aquella propiedad o condición del material rentes tipos de acero que están regulados por los manifiestan por la característica elástica del mate- de los cambios de ángulo. La figura 63 muestra el para soportar la deformación elástica, o bien, la re- estándares. Para establecer la cedencia de un ace- rial de los tubulares. comportamiento de las cargas axiales en condicio- sistencia que opone el material a la deformación ante ro, el API recomienda que se realice una prueba de nes iniciales. Este estado de esfuerzos axiales se la exposición de una carga. Se dice que un material tensión sobre un especimen. A partir de ésta se debe Del mismo modo, las tuberías de producción debe- considera para sumar los efectos axiales por pan- alcanza la cedencia o fluencia cuando experimenta medir la deformación generada hasta alcanzar la rán considerarse bajo el criterio de que las tuberías deo, balonamiento y térmico. una carga que le provoca una deformación perma- fractura del mismo. Se establece que la cedencia están sujetas a una condición inicial de carga al nente. Es decir, el material se comporta plásticamen- del material es el esfuerzo de tensión aplicado cuan- momento de terminar la introducción de las misma te o se dice que tiene fluencia. Antes de esta defor- do alcanza el 0.5% de deformación. Este valor de en condiciones estáticas en el interior del pozo. Des- mación, al liberar la carga, el material recupera su deformación es ligeramente superior al límite elás- pués debe realizarse un análisis de pandeo para estado original. Se dice entonces que el material es tico. Este porcentaje es aplicable para los aceros API evaluar el impacto que en el aparejo tendrán los elástico. El punto a partir del cual el material se frac- denominados H-40, J-55, K-55, N-80, C-75, L-80 y cambios de carga derivados de cada evento al que tura o se rompe, se dice que alcanza su ultimo valor C-95. Para aceros P-110, Q-125, el API considera una se someterán. de resistencia a la cedencia. La figura 19 muestra el deformación del 0.65% para establecer la cedencia comportamiento de deformación-carga para deter- de estos materiales. En el caso de las sartas de perforación, la carga minar la fluencia o cedencia de un material (acero). inicial será aquella generada al momento de in- La cedencia se mide en unidades de fuerza por uni- troducir las tuberías e iniciar la perforación. Du- El API como órgano normativo en el ámbito inter- dad de área (psi), que significa la fuerza aplicada en rante las operaciones de perforación los cambiod nacional, ha establecido estándares para medir la el área de exposición del material para hacer ceder de condiciones deberán ser consideradas como cedencia de los aceros con los cuales se fabrican al mismo. Es decir, aquel esfuerzo aplicado para al- eventos de carga. los tubulares denominados OCTG ( Oil Country canzar la deformación establecida. La nomenclatu- Tubular Goods ), que no son más que las tuberías ra recomendada por el API para identificar los dife- Distribucion de temperatura Figura 63 Carga axial inicial rentes tipos de acero se define por una letra seguida por un número. La letra Esfuerzo - Deformación Considerado como condición inicial el perfir de tem- Condiciones de presión simboliza el tipo de acero, y el número y peratura, será aquel que se obtenga en condiciones la magnitud de la cedencia del material estáticas. Como medida conservadora, en muchos El perfil de presión interno o externo actuando sobre 100 expresada en miles de libras por pulga- casos se asume la temperatura original del pozo. Es la tubería es necesario para obtener los efectos axiales da cuadrada (psi). Ejemplificando: un 90 decir, el perfil de temperatura geoestático. Un ejem- (balonamiento y pandeo). Se considera la distribu- acero denominado N-80 tiene una plo del comportamiento de temperatura inicial en ción de presión inicial como la resultante de los pesos 80 cedencia de 80000 psi. un pozo se muestra en la figura 62. La diferencia de de los fluidos contenidos en el pozo. Un caso particu- 70 Esfuerzo ( Kg/mm2 ) temperatura en cada punto de profundidad entre el lar es para las TRs, en el que se considera las presio- Debido a que se presentan significantes perfil inicial y el perfil de temperatura para cada si- nes de la formación como el perfil externo actuante. 60 variaciones en la medición de la cedencia tuación, representa el cambio de temperatura con La figura 64 muestra un ejemplo del perfil de presión de tuberías, el API adoptó el criterio de el cual se obtiene el efecto axial por temperatura. inicial actuando sobre una tubería. 50 “resistencia de cedencia mínima” en lu- gar de un valor promedio. La mínima re- 0 40 sistencia de cedencia se calcula como el 1000 30 80% del promedio de la cedencia obser- vada en una gran cantidad de pruebas 2000 20 realizadas. Adicionalmente a la mínima MD ( f t ) 3000 10 resistencia a la cedencia, el API especifi- ca la máxima resistencia de cedencia y 4000 0 la mínima última resistencia a la tensión. 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 Estas quedan definidas bajo el mismo 5000 Deformación ( % ) enfoque del 80% de pruebas realizadas 6000 para determinar la máxima cedencia y 75.0 100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 225.0 el valor de tensión última con la cual se Temperatura (oF) Figura 19. Comportamiento elástico de un tubo fractura el material. Figura 62 Perfil de temperatura Figura 64 Perfil de presión externa 72 33
- 73. Tuberías Tuberías Actualmente contamos con una gran variedad de han permitido evolucionar en el conocimiento del IV. SELECCIÓN DE TUBULARES Factor de Seguridad programas por computadora que permiten al inge- comportamiento mecánico de las tuberías. Es por niero de diseño efectuar con mayor precisión y ra- ello que diferentes instituciones (API, ASTM, Reconociendo la capacidad de resistencia de los Relación de la Resistencia a la Carga impuesta a una pidez el análisis mecánico de las tuberías. Estos pro- ASME, NACE, etc.) se han abocado a la tarea de tubulares y estableciendo las diferentes condicio- tubería en un punto determinado de profundidad. gramas efectúan los cálculos apropiados para la reconocer y recomendar prácticas para estanda- nes de carga que pueden actuar sobre los mis- Es el parámetro que permite reconocer la condición evaluación de la mayor cantidad de condiciones de rizar tanto el proceso de fabricación como la me- mos, es indispensable seleccionar los materiales o estado en el que trabaja la tubería. Es decir, en carga. También incorporan una fuente de datos para dición de su desempeño mecánico o capacidad mas propicios que cumplan con un objetivo o pre- condiciones de seguridad ( valor > 1) o de inseguri- contar con la información de las especificaciones de resistencia, y hasta las prácticas para el buen misa. En este apartado, se describirán algunos te- dad ( valor <1 ). Esto es: tubulares. manejo de los mismos. mas de interés que sirven de apoyo para cumplir con la finalidad de proceder a la selección de los Fs Resistencia/Carga @h cte Condiciones de falla materiales. II. CAPACIDAD DE RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS Factor de trabajo Para iniciar con la aplicación y explicación de cual- Premisa de selección El advenimiento de la tecnología de la información quier método para diseño, es necesario y recomen- Es la representación gráfica del perfil de factores de y la aplicación sistemática de las computadoras en dable determinar la resistencia de los diferentes ele- El primer compromiso de los elementos tubulares seguridad vs profundidad. temas y procesos como el de diseño de las tuberías mentos tubulares. Esto a la vez conduce a conside- utilizados en un pozo es el de mantener la suficien- de revestimiento, que es parte importante del pro- rar las diferentes situaciones de falla que experimen- te capacidad de respuesta en resistencia ante la FT = FS (h) ceso de diseño de la perforación de pozos, sin lu- tan las tuberías. La resistencia de un tubo se puede imposición de cualquier tipo de carga. Sin embar- gar a dudas los factores y mayor importancia influ- definir como una reacción natural que opone el go, en los tiempos actuales, debemos cumplir con Factor de diseño yente para establecer y aceptar que en la actuali- material ante la imposición de una carga, a fin de una preocupación por demás importante: el costo dad, se cuente con todos los ingredientes técnicos evitar o alcanzar los niveles de una falla. de los materiales seleccionados. Por lo tanto, el as- Es el valor mínimo aceptable que debe cumplir el requeridos para realizar con detalle los análisis más pecto técnico-económico queda en las siguientes factor de seguridad para considerar como acepta- convenientes que permitan justificar la mejor selec- Él término “falla” se entiende como sinónimo de premisas que debemos observar para la selección ble el diseño propuesto de una tubería. ción de tuberías. Esto es, se tiene una extensa in- “fractura”. Sin embargo, en el estudio de la mecáni- apropiada de tubulares dentro del marco del proce- fraestructura, tanto en hardware y software como ca de materiales este no es el significado usual del so de diseño a utilizar: FD =FS (min) en modelos matemáticos. Si los manejamos en for- término. Se dice que ocurre una falla cuando un ma apropiada e integrada conducirán a fortalecer el miembro cesa de realizar satisfactoriamente la fun- "Garantizar el desempeño mecánico de las tuberías Factor de trabajo normalizado proceso de diseño. El aprovechamiento de tal infra- ción para lo cual estaba destinado. En el caso de las para garantizar la seguridad e integridad del pozo, estructura ha servido de medio para establecer el tuberías colocadas en un pozo, si estas alcanzan observando el costo mas bajo." Es el comportamiento gráfico del factor de trabajo di- desarrollo de sistemas expertos en materia de dise- cualquier nivel de deformación se debe entender la vidido por el factor de diseño. De esta forma se sim- ño tubular. Sin embargo, aún con todas estas posi- situación como una condición de falla. "La junta ideal es aquella que es 100% transparen- plifica la representación gráfica de los perfiles de fac- bilidades, pudiéramos estar lejos de propiciar el me- te al cuerpo del tubo" tores de trabajo, debido a que la falla de una tubería joramiento en el proceso de diseño, en tanto no se Por lo tanto, una falla en las tuberías es una condi- se puede interpretar con un solo criterio. Los factores cuente con un conocimiento profundo y detallado ción mecánica que refleja la falta de resistencia del "La junta es gobernada por las propiedades del ma- de trabajo normalizados se pueden analizar a partir sobre la capacidad de resistencia de los elementos material ante la situación y exposición de una car- terial y las leyes mecanicas" del criterio de una línea unitaria( F=1). Los factores tubulares, y ante todo, con suficiente información ga. Con ello propicia la deformación del tubo. Las con valores menores a la unidad, significan que la tu- que permita reconocer la respuesta en resistencia cargas a las que hacemos referencia son nominal- Factores de trabajo bería no cumple con el factor de diseño. que opone el tubo ante la acción combinada de car- mente cargas de presión, cargas axiales, ambienta- gas que experimentan a nivel de pozo. Los datos les y mecánicas. Haremos referencia a la definición de los factores FT FTN = tradicionales y por excelencia que se tienen sobre adimensionales que se utilizan para establecer un FD la resistencia de las tuberías están generalmente ¿ Qué es entonces la capacidad de resistencia ? margen de seguridad en la capacidad de resis- referenciados en condiciones idealizadas. Es decir, La capacidad de resistencia de una tubería se de- tencia de los elementos tubulares. Además, se La figura 50 muestra un ejemplo del comportamiento en condiciones atmosféricas de presión y tempera- fine como aquella aptitud o condición que ofrece presenta la definición de los factores que permi- de los factores de trabajo, diseño y seguridad. Es tura y carga axial cero. En realidad éstos, nos dan una tubería para reaccionar y evitar cualquier tipo ten efectuar con precisión los análisis del desem- necesario recalcar, que los factores de trabajo se una dimensión exacta de la respuesta deseada de de falla o deformación, ante la acción combinada peño mecánico de una tubería ante la imposición presentan para cada una de las medidas de resis- la tubería ante la eventualidad y magnitud de las de cargas. de las cargas actuantes en el pozo. Generalmente tencia de la tubería. Es decir, cuando se trabaja en condiciones esperadas en el interior de un pozo. estamos acostumbrados a tratar con el concepto la resistencia al colapso, llamamos factor de traba- Las principales fallas de las tuberías son básicamente de factor de diseño. Sin embargo, este factor debe jo al colapso. Mientras que la resistencia a la ten- La importancia de reconocer la capacidad de re- COLAPSO, TENSIÓN, ESTALLAMIENTO Y CORRO- ser precedido por la definición formal del concep- sión, se denominará factor de trabajo a la tensión, sistencia de las tuberías ha sido materia de mu- SIÓN. El tratamiento de cada una de las fallas sim- to de seguridad. por mencionar algunos. Por lo tanto, se aplica la chas y fuertes discusiones, de extensos estudios plifica el estudio y análisis del comportamiento de y de diversidad de pruebas de laboratorio, que la resistencia en los materiales. 32 73
- 74. Tuberías Tuberías definición para: colapso, estallamiento, tensión y trabajo normalizado que queden representados a la La evolución de las técnicas o métodos para “dise- fecha, se ha adaptado para todo tipo de tuberías. Éste triaxial. Es importante mencionar que se requiere derecha de la línea unitaria, significará que la tube- ñar tuberías” se ha enfocado a una parte del pro- establece que una tubería debe diseñarse bajo el aná- manejar factores de trabajo tanto para la junta como ría o tuberías están por encima de la carga impues- blema: la estimación de las cargas. Estos métodos, lisis de todas las condiciones de carga que toman lu- para el cuerpo del tubo, sobre todo en el aspecto ta. Este tipo de gráficos son las de mayor valor que caen dentro de la clasificación de métodos gar después de que ha sido cementada. Esto es, una de tensión y compresión. interpretativo en el proceso de diseño, puesto que DETERMINÍSTICOS, han evolucionado desde los tubería nace mecánicamente desde que es introduci- refleja el estado de desempeño de las tuberías en simples nomogramas, muy utilizados en los años da al interior del pozo, con ciertas condiciones de car- A continuación se presenta la definición del factor toda la extensión de uso de las mismas. 50 y 60, hasta los actualmente en uso, como los ga, para después sufrir todas las posibles condiciones de seguridad para cada una de las condiciones de simuladores numéricos. cambiantes por efecto de las operaciones que toman falla presentes en los tubulares: Métodos de selección lugar durante la perforación y terminación del pozo. Uno de los primeros métodos de diseño, se remon- Esto inicialmente estaba enfocado al análisis de los Los factores de diseño que regularmente se utili- El objetivo principal del proceso de diseño de tu- ta al método gráfico de YOUNGSTONE. Éste no era efectos axiales posteriores a la cementación. Por ello zan actualmente en Petróleos Mexicanos son los berías es seleccionar los elementos tubulares que más que un conjunto de gráficos (uno para cada se establece una condición inicial y un conjunto de siguientes: permitan garantizar la seguridad e integridad del diámetro de tubería) en los que se utilizaba como condiciones axiales diferentes, después de la inicial. pozo. Por lo tanto, es necesario acudir a un método carga la presión hidrostática del lodo, y se marcaba Adicionalmente se generaliza la aplicación del méto- Factor de diseño al colapso: 1.15 que, permita elegir aquellas tuberías y juntas que una incipiente revisión por carga axial. El proceso do de carga máxima al aplicarlo para la evaluación de Factor de diseño al estallamiento: 1.1 cumplan con el objetivo. Podemos clasificar en dos de selección de tubulares se enfocaba prácticamente las cargas por presión y axiales. Este método se acom- Factor de diseño a la tensión: 1.6 métodos los procedimientos de selección: los ana- a tuberías de revestimiento y a tuberías de produc- paña con una propuesta de reconsiderar la evalua- Factor de diseño triaxial: 1.25 líticos y los gráficos. ción. La condición era iniciar la selección de los di- ción de la resistencia de los tubulares mediante el uso La línea marcada como criterio de falla en la figura ferentes grados y pesos de tuberías del fondo del de un modelo triaxial. Métodos analíticos Los métodos analíticos han so- pozo, hasta llegar a la superficie. brevivido y están presentes en un sin número de En los años 90, la evolución del diseño de tuberías formas y alternativas de propuestas de selección. Una incipiente evolución del método gráfico se de revestimiento y de tuberías de producción se Los hay desde esquemas simples de selección ba- presenta en los años 60 con la aparición de méto- confronta con la situación de que en todo diseño sados en aspectos geométricos, hasta como en dos analíticos. P para estimar la resistencia de los debe incorporarse un análisis triaxial, tomar en cuen- métodos de programación no-lineal de gran altura. tubulares como para la evaluación de cargas. A ta cualquier condición de carga como: flexión, o Este tipo de métodos han estado presentes y evolu- esta nueva tendencia de diseño se le denominó condiciones variables en presión como la presen- cionado como un intento por automatizar la selec- como métodos CONVENCIONALES. En ellos se cia de una formación plástica, cualquier efecto axial ción de los materiales. Sin embargo, debido a la si- tomaban en cuenta la carga de presión, la carga (choque, fricción, térmico, balonamiento, pistoneo, tuación práctica de operación de las tuberías, se han axial (peso y flotación) y su correspondiente revi- pandeo) y como cargas de presión adicional, las de- relegado desde un punto de vista de ingeniería, sin sión de resistencia al colapso y a la tensión, tiem- bidas al incremento de presión en anulares cerra- ver las bondades que traen consigo. Como por po en que se incorporarón las especificaciones y dos, etc. Es decir, incorporar y generalizar el méto- ejemplo, el caso de un método de selección basado ecuaciones para tuberías API. En el caso de sartas do de SERVICE LIFE y CARGA MÁXIMA para toda en programación no-lineal, que trae implícita la de perforación se usaba el método analítico de situación que propicie una condición de carga de: minimización de los costos asociados al proceso de Lubinski, para el cálculo y análisis de pandeo. presión, axial, flexión, torsión y no axiales. Además, selección de materiales. O también, es el caso de debe de incorporar un fundamento para evaluar la un método para la selección de tuberías combina- A finales de los 60 y principios de los 70, se adoptó resistencia de los tubulares bajo las ecuaciones API do con el costo mínimo y basado en la teoría de una técnica de vanguardia conocido como método (para tuberías API), como la incorporación de datos combinaciones. Actualmente, existen métodos con de carga máxima de Prentice, orientado al diseño de confiables de las tuberías denominadas PREMIUM programación no-lineal, combinando la selección tuberías de revestimiento y tuberías de producción; (NO-API). Por tal razón, proliferan una gran canti- mediante la revisión del criterio de falla del modelo en dicho método se incorporaba un criterio más rea- dad y variedad de métodos y propuestas de diseño triaxial y API, en el cual, se delimitan las condicio- lista de cargas. Se establece la separación del análisis que caen dentro de la propuesta del modelo de nes de falla de una tubería. Es decir, se dictamina de cargas de presión (interna y externa) para cada tipo SERVICE LIFE. Figura 65 Comportamiento de factores de trabajo inicialmente cual es el criterio de falla a seguir, para de tubería de revestimiento (superficial, intermedia y aplicar la técnica no-lineal de optimización. Y como de explotación). Este nuevo concepto mejoró la per- Del mismo modo, para sartas de perforación se ha mejo- 65, representa el límite de resistencia de los estos existen muchos casos más. cepción del modo de evaluar las cargas (sólo presión) rado la forma de evaluar el análisis de pandeo original- tubulares. Por lo que, toda línea o punto que quede frente a la forma como realizaba como con el método mente propuesto por Lubinski. Trabajos de Wu, Juvkam- representada a la izquierda de la línea unitaria, sig- Métodos gráficos Los métodos de aplicación prác- convencional. A la fecha, este concepto aún es válido Wold y Mitchell43 han permitido mejorar el entendimien- nificará que la tubería esta sujeta a cargas excesi- tica nacen de la representación gráfica de los dos y se sigue aplicando en diversas compañías. to del comportamiento del pandeo, mediante la propuesta vas, interpretándose entonces como una condición factores de peso: resistencia y carga. Desde la apli- de modelos y correlaciones mas precisas que pueden de falla. Mientras que las líneas de los factores de cación del método de Youngstone se ha combinado A mediados de los 80 se presenta un nuevo concepto incorporarse para el diseño de sartas. Sin embargo, a para el diseño de tuberías de revestimiento denomi- pesar de lo práctico de diseño de los sartas su uso aún no nado “SERVICE LIFE” propuesto por Klementich33 A la se ha generalizado. 74 31
- 75. Tuberías Tuberías veniente mencionar que durante la etapa de solo hecho, da lugar a lo que llamamos análisis mecá- la selección de las tuberías con métodos y procedi- 0 Carga cementación de la lechada de cemento, las seccio- nico de las tuberías. Este análisis que nos permite me- mientos gráficos. El método gráfico por excelencia es nes de flujo generadas por el diámetro exterior de dir el impacto real de las cargas sobre la capacidad de el denominado "Carga Máxima", que como ya se dijo, Resistencia 2000 la TR y el calibre del agujero de un pozo, juegan un resistencia de una tubería. se usa para evaluar las cargas actuantes en una tube- papel trascendental para optimizar la velocidad de ría. Es sin embargo, un método que propuso el segui- 4000 desplazamiento del cemento. Además, durante las Generalmente, es recomendable considerar como miento a la representación gráfica de la relación carga MD (ft) operaciones de perforación, los diámetros de las TRs cargas aquellas situaciones que den lugar a las con- - resistencia como el único medio para seleccionar 6000 afectan el comportamiento hidráulico del pozo. Por diciones más críticas, con la idea de propiciar car- los materiales. Actualmente, el método de selección tal razón, se pudiera aceptar un análisis hidráulico gas que puedan ser soportadas por la tubería en más práctico y en uso es precisamente un método 8000 para el proceso de cementación y/o perforación que todo momento. Esto produce que en algunos ca- gráfico, cuyas bases son la selección de las tuberías sirva de base y respaldo para la selección apropia- sos, por la misma situación de definir condiciones en base a la representación simultánea de las cargas. 10000 da del diámetro de tubería de revestimiento. Gene- críticas, las tuberías queden holgadas en cuanto a Inician por presión y eligen las tuberías en forma ralmente, los diámetros nominales de tuberías de resistencia, debido a que nunca se presenten las intuitiva para revisar las cargas axiales. Una vez reali- 12000 revestimiento son seleccionados bajo la condición condiciones críticas. zado lo anterior, se procede a mejorar la calidad del 0 5000 10000 15000 geométrica del mínimo diámetro aceptable que per- diseño, modificando la profundidad de colocación o Presión de Estallamiento(psig) mita mantener al aparejo de producción impuesto Por lo tanto, dichas condiciones críticas deben con- seleccionando o modificando otro tubular. Lo anterior Figura 67 Gráfica de diseño por estalamiento por el análisis nodal. siderarse lo más realista posible. Así se evitarán gas- obedece a un procedimiento interactivo que hace ne- tos excesivos al seleccionar tuberías relativamente cesario el uso de un programa de computadora. La 2) Diseño mecánico holgadas. figura 66 a 67 muestra un ensayo del diseño de tube- 0 rías de revestimiento de un pozo. Diferentes variantes Definiremos por diseño mecánico al proceso que Al aplicar como factor de decisión la relación RE- en modo y forma de seleccionar los tubulares están 2000 permite determinar o definir los tubulares (tubería SISTENCIA / CARGA (R/C), se utilizan diferentes presentes en los diferentes programas de cómputo y junta) que conforman una sarta, bajo la premisa metodologías para definir o seleccionar la sarta de que existen comercialmente. Sin embargo, las bases 4000 principal de mantener una capacidad de resistencia tuberías óptimas. Actualmente, podemos clasificar son observar en todo momento la relación resisten- superior a cualquier condición de carga que se le estas metodologías en dos corrientes importantes: cia-carga. Por un lado, existen programas que cuen- MD (ft) 6000 imponga, dentro de las consideraciones de opera- la DETERMINISTICA y la PROBABILÍSTICA25. Las ba- tan con una basta base de datos en la que mantienen ción en la cual se utilizará, y seleccionar bajo una ses y tratado de este capítulo concierne exclusiva- la mayor parte de las especificaciones tubulares, so- estricta revisión de costos, la sarta de tuberías que mente a la metodología determinística, dado que bre todo para tuberías API. Esto sirve para el ingenie- 8000 resulte ser la mas rentable. se fundamenta la selección de tubulares exclusiva- ro de perforación al evitar la aplicación de la mente observando la relación (R/C). Es decir, deter- formulaciones API para determinar la capacidad de 10000 Carga Básicamente en el diseño mecánico se aplica el cri- minar en todo punto de la tubería la relación R/C. resistencia tubular. Mientras que otros, permiten la Resistencia terio de RESISTENCIA / CARGA > 1 como el factor Mientras que en la metodología probabilística se actualización de las especificaciones tubulares para 12000 de decisión para la selección de los tubulares. Esto realiza una revisión estadística y una estimación de dar libertad de utilizar las especificaciones de tube- 0 750000 1500000 2250000 implica reconocer ampliamente el desempeño me- la probabilidad de la ocurrencia de falla de la tube- rías propietarias. Carga Axial (lbf) cánico de las tuberías y la predicción más realista ría, con la premisa de que la relación R/C sea mayor 0 de las condiciones de carga a las cuales la tubería de uno. En los últimos años esta metodología ha Carga trabajará. ganado muchos adeptos, su aplicación se ha exten- Figura 68 Gráfica de diseño axial dido (desde 1990), a las principales compañías ope- 2000 Resistencia Cuando hablamos de diseño, implícitamente se radoras de perforación. Selección de juntas sobreentiende que se trata de una condición idea- 4000 lizada en un futuro cercano, sobre todo para la Retrospectiva de métodos Los métodos de selección mencionados, se funda- MD (ft) cuantificación de las cargas. Por tal razón, el tér- 6000 menten en la selección de tuberías. Relegan a un mino “predicción de cargas”, está correctamente Metodologías de diseño mecánico segundo plano de revisión la selección de las jun- aplicado. Entonces se establece como el medio 8000 tas. Dada la naturaleza más heterogénea de las jun- propicio para estimar o extrapolar las condiciones de En el diseño mecánico de tuberías, siempre han tas y prácticamente por la imposibilidad actual de trabajo de una tubería. Es de gran importancia reco- existido métodos que auxilian al ingeniero para 10000 contar con una basta información de las especifica- nocer esta observación, porque al llevar a cabo la co- obtener la mejor selección de una sarta de un ciones de las mismas, el proceso de selección de locación de las tuberías en el pozo, las condiciones de pozo. Sin embargo, las condiciones técnicas y la 12000 juntas se traduce básicamente en dos aspectos: trabajo serán significativamente diferentes a las plan- aplicación de dichos métodos, obedecen más bien 0 5000 10000 15000 revisión por carga axial, y revisión por costo. Es teadas. En este caso, para valorar el desempeño me- a los dos aspectos importantes que hay que ob- decir, se establece el grado de carga axial actuante cánico de la tubería se deberán considerar las cargas servar: el desempeño mecánico de una tubería y Presión de Estallamiento(psig) en las tuberías, y después se selecciona la junta cuya reales a las que se ve sometido. Y básicamente, este la predicción de las cargas. Figura 66 Gráfica de diseño por estallamiento 30 75
- 76. Tuberías Tuberías 0 forma más clara de entender y aplicar la norma. Esta Dentro del contexto de diseño, una tubería debe in- dinámica de flujo en los estranguladores y en los Carga variablemente seleccionarse bajo dos esquemas de consideración debería aplicarse dentro del mismo disparos, y hasta las propiedades PVT (presión, Cedencia proceso de selección de tuberías, puesto que se re- ingeniería diferente: por un lado, las tuberías de- volúmen temperatura) de los fluidos. La figura 18 2000 visa la carga por presión y la acción de temperatura ben estar condicionadas a su capacidad de flujo y a muestra una gráfica típica del comportamiento gas- sobre los tubulares. las condiciones de operación de un fluido circulan- to contra presión, resultante de un análisis nodal. El 4000 do a través de ella. Para ello, se debe realizar un resultado de aplicar esta técnica permite a los inge- MD (f t ) Ante el ataque simultáneo de gases de H2S y CO2 se análisis de flujo (Ej. análisis nodal para tuberías de nieros de diseño obtener los diámetros de tubería 6000 recomiendan aceros denominados "especiales", dada producción) para determinar la mejor opción en de producción más propicios para la extracción de la naturaleza anticorrosiva para lo cual fueron diseña- cuanto a diámetro de tubería, que garantice y man- los hidrocarburos. También, esta técnica se puede 8000 dos. La fabricación de las tuberías especiales cuentan tenga un desempeño eficiente en condiciones de utilizar para identificar la condición de flujo más des- con aleaciones que evitan la propagación de la corro- flujo. Por otro lado, y materia de este apartado, está favorable dentro del sistema de producción, con el 10000 sión en la superficie metálica. Generalmente se les lo correspondiente al diseño “mecánico”, que sig- fin de mejorarla o corregirla. conoce como CRA (Corrosion Resistant Alloys). Estas nifica analizar el desempeño mecánico de una tu- tuberías tienen un costo por demás elevado y su ma- bería ante la imposición de diferentes cargas. P 12000 Pws nejo debe ser cuidadosamente revisado. Las tuberías 40.0 80.0 120.0 160.0 denominadas cromadas ( 13%cromo y níquel ) son A continuación se detallan las dos clases de diseño Pwf Esfuerzo VME (ksi) en materia de tuberías: A de este tipo especial de acero, y existen en el merca- Figura 69 Gráfica de diseño triaxial do internacional (compañías japonesas como NKK y Sumitomo ). Un procedimiento de selección de este 1) Diseño hidráulico Pwh magnitud de resistencia a la carga axial resulte la tipo de tuberías de acuerdo a las condiciones de pre- más económica. Esta práctica es común hoy en día. sión y temperatura y CO2 presentes en un pozo puede Al ser conductos que permiten el flujo de fluidos en Sin embargo, partiendo de la selección de juntas, ser aplicado siguiendo el diagrama de flujo mostrado el interior de un pozo, las tuberías están sujetas a P e debemos establecer un análisis mecánico para eva- en la figura 72. las condiciones de operación prevalecientes duran- luar el desempeño de una junta para definir su se- te la circulación de los diferentes fluidos que las ocu- Ps lección en un diseño tubular. Este tipo de análisis se Debido a lo costoso de este tipo de tubería (aproxi- pan. Estas condiciones deben regularse, contro- realiza mediante métodos denominados FEA ( Finit madamente de 3 a 8 veces el costo de una tubería larse y manejarse apropiadamente para satisfacer q óptimo q máximo q element analisys ) que son complicados de aplicar convencional), en Petróleos Mexicanos no se usan los requerimientos óptimos, desde un punto de vis- Figura 18 Análisis nodal en aparejos de producción para fines prácticos, pero que en la actualidad son hoy en día. Sin embargo, su aplicabilidad es cada ta de ingeniería. el único medio para medir el desempeño mecánico vez más propicia por efecto de las grandes cantida- Pws = Presión estática del yacimiento de una junta cuando esta sujeta a diferentes situa- des de sulfhídrico y CO2 que se produce en algunos Lo anterior significa que debemos recurrir al aná- Pwf = Presión de fondo fluyendo ciones de carga. Una alternativa por demás incipien- Campos del territorio Nacional. lisis del comportamiento de flujo de fluidos para me- Pwh = Presión en la cabeza del pozo te para iniciar el proceso de selección de juntas se dir el impacto que tiene el aspecto geométrico de Pe = Presión en la línea de descarga muestra en la figura 55, en la cual se presenta un Selección hidráulica de tubería de producción los tubulares. El diámetro de los tubulares es el fac- Ps = Presión en el separador diagrama de flujo para elegir, de acuerdo a la nueva tor de mayor influencia en el comportamiento diná- qmax = gasto máximo nomenclatura en uso de juntas, el tipo de junta más La definición del diámetro o diámetros nominales, mico de los fluidos, y su estudio. Ello permitirá de- qópt = gasto óptimo recomendable. por donde fluirá la producción de un pozo se realiza terminar el diámetro de tubería que proporcione las mediante el uso de la técnica de análisis nodal. Sin condiciones más favorables para una aplicación en En lo que respecta a sartas de perforación el análi- Revisión por corrosión importar la condición de flujo (natural o artificial), el particular. Por lo tanto, lo podemos definir el térmi- sis del CÁLCULO HIDRÁULICO se utiliza como téc- análisis nodal permite obtener las mejores condi- no diseño huidráulico, como el resultado de aplicar nica para estudiar y cuantificar las variables que tie- Ante la problemática de las tuberías por el efecto ciones de flujo tanto en producción como en aho- una técnica específica para el análisis del compor- nen impacto en el comportamiento de flujo durante corrosivo de contaminantes como el H2S y el CO2 rro de energía. Así se alarga la vida productiva de tamiento de flujo en una tubería que permita selec- las operaciones de perforación, en el que se toma es requerible que las tuberías seleccionadas dentro un pozo. La selección del diámetro de la tubería de cionar el diámetro óptimo de operación (interno o en cuenta, la interacción reológica de los fluidos de del proceso de diseño se revisen por la acción de producción consiste en de efectuar un análisis hi- externo). perforación y su capacidad de transporte de recor- dichos contaminantes. El criterio de selección que dráulico para una basta variedad de condiciones de tes, a fin de seleccionar apropiadamente el diáme- debemos aplicar y que está vigente, es el recomen- producción (cambios de tamaños de tubería, gas- Una de las técnicas más utilizadas para optimizar la tro de la sarta. En este análisis se considera tam- dado por la NACE. Bajo este criterio se determina tos de producción, presiones de separación, etc). selección geométrica de los aparejos de producción bién la influencia del comportamiento hidráulico qué grado de tubería es más recomendable ante la Bajo un criterio de xplotación predeterminado esto es el ANALISIS NODAL, técnica que considera to- en la barrena y el aparejo de fondo. acción o carga corrosiva del H2S, a las diferentes permite obtener bajo un criterio de explotación pre- dos los aspectos de flujo que toman lugar en el pozo, condiciones de presión y temperatura La figura 71 determinado, el tamaño del aparejo de producción, tales como: el comportamiento a nivel de yacimien- En el caso de tuberías de revestimiento, donde re- representa un diagrama de flujo de la recomenda- Mediante el cual éste genera la máxima producción to-pozo (IPR), los diferentes patrones de flujo en con- lativamente no se aplica una técnica específica, para ción emitida por la norma NACE MR-0175-99. Es una posible, con el mayor ahorro de presión en cada diciones multifásicas, tanto en las tuberías de pro- medir el impacto por efectos hidráulicos que pudie- ducción, como en la línea de descarga, la condición ra servir para definir el diámetro apropiado, es con- 76 29
- 77. Tuberías Tuberías Dry Film Thickness-Item No. 21218 Edition Based on API Bulletin 5C3, Fifth Edition, 1989. TM0193-93 Laboratory Corrosion Testing of Metals in Static Chemical Cleaning Solutions at Tempera- ISO 11960:1996 , Petroleum and Natural Gas tures below 93°C (200°F)-Item No. 21223 Industries—Steel Pipes for Use As Casing or Tubing INICIO TM0274-95 Dynamic Corrosion Testing of Metals in for Wells , 1st Edition High-Temperature Water-Item No. 21207 Based on API Specification 5CT, Fourth Edition, 1992. TM0284-96 Evaluation of Pipeline and Pressure DISEÑO DE TUBERIAS (#Selecciones, Longitud, Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced ISO 11961:1996 , Petroleum and Natural Gas Cargas, Barrenas) Cracking-Item No. 21215 Industries—Steel Pipes for Use As Drill Pipe— Specification , 1st Edition, November 1996 TM0398-98 Laboratory Corrosion Testing of Metals Based on API Specification 5D, Third Edition, 1992. SELECCION DE TUBERIAS in Static Chemical Cleaning Solutions at Tempera- tures Above 100°C (212°F)-Item No. 21234 ISO 3183-1:1996 , Petroleum and Natural Gas Industries—Steel Pipe for Pipelines—Technical ISO Delivery Conditions—Part 1: Pipes of Requirement PARAMETROS CRITICOS: Claro radial Dfe Class A , 2nd Edition, September 1996. Longitud crítica Lc A nivel mundial, dentro del marco de globalización Based on API Specification 5L, Fortieth Edition, Presión crítica Pc de las economías, la International Standard 1992. Organization (ISO), organización enfocada a estan- darizar procesos con calidad ha avalado o certifica- ISO 3183-3:1999 , Petroleum and Natural Gas No Si do algunos de las recomendaciones y boletines del Industries—Steel Pipe for Pipelines—Technical Si Df>Dfe API, a fin de generalizar su uso en cualquier país. Delivery Conditions—Part 3: Pipes of Requirement Cabe aclarar que el API es únicamente válido en el Class C, 1st Edition, March 1996 No Si No Si interior de los Estados Unidos. Algunos países y Based on API Specification 5L, Fortieth Edition, Li>Lc P>Pc empresas como Petróleos Mexicanos lo adoptan 1992. como su estándar. SLH, MIJ No Si SLH, MIJ, IFJ, SLH ft>fe Diseño de sartas de tuberías MTC A contnuación se enlista una serie de referencias del API que tienen certificación ISO: El término “diseño” significa definir o establecer LTC,BCN BCN, SLH, las especificaciones particulares para realizar MTC ISO 9000 Quality Systems Specification for Quality una obra o producto. Es decir, definir las dimensio- Programs nes específicas de los insumos que se ocupan en la creación o construcción para lograr el objetivo. ISO 10422:1993, Petroleum and Natural Gas Por otro lado, el término “sartas de tuberías” Revisión por H2S Industries—Threading, Gauging, and significa un conjunto de tubos unidos en forma Thread Inspection of Casing, Tubing and Line Pipe continua mediante conexiones. Este término se hace Revisión de Indices de Costos Threads—Specification , 1st Edition extensivo para las tuberías de revestimiento, Based on API Specification 5B, Thirteenth Edition, producción y perforación. Por lo tanto, el término 1988. “diseño de sartas de tuberías” debe entenderse como un proceso para determinar las especificacio- ISO 10405:1993, Petroleum and Natural Gas nes que deben tener los materiales utilizados como Otra No Elaborar Reporte FIN Industries—Care and Use of Casing and Tubing , 1st sarta de tuberías (tubos y conexiones), con la pre- sección ? del Diseño Edition misa de seleccionar la(s) que más convenga(n) a Based on API Recommended Practice 5C1, Sixteenth partir de especificaciones preestablecidas, para una Edition, 1988. aplicación en particular en un pozo. ISO 10400:1993 , Petroleum and Natural Gas En el ámbito de la ingeniería de perforación, el Figura 70 Procedimiento de la selección de juntas Industries—Formulae and Calculations for Casing, término “diseño de tuberías” generalmente es Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties , 1st aplicado como sinónimo del termino “diseño de sartas de tuberías”. 28 77
- 78. Tuberías Tuberías CONTENIDO: RP 5C6 efectos de la corrosión sobre una diversidad de mate- Recommended Practice for Welding Connections to riales, la National Association of Corrosion CONTENIDO DE C 2O EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) Pipe, Engeneering (NACE). Esta institución ha generado una CONTENIDO DE H 2 S EN EL GAS POR FRACCION MOLAR (%) FIRST EDITION, DECEMBER 1996 serie de recomendaciones y boletines de pruebas de PRESENCIA DE CLORUROS O CONTENIDO DE NaCl EN EL AGUA EN PORCIENTO EN PESO materiales que se aplican sobre los elementos PRESION TOTAL DEL SISTEMA (PT) (PSI) RP 5C7 tubulares. Generalmente esta institución emite cada TEMPERATURA DEL AGUA EN EL POZO (°C) Recommended Practice for Coiled Tubing Operations año una revisión actualizada de sus referencias. La si- in Oil and Gas Well Services , guiente lista de referencias presenta los boletines y FIRST EDITION, DECEMBER 1996 recomendaciones más aplicables a los elementos tubulares utilizados en la ingeniería de perforación: CALCULAR: RP 5L1 Recommended Practice for Railroad Transportation MR0175-99 Sulfide Stress Cracking Resistant PRESION PARCIAL DEL C2O : of Line Pipe, Metallic Materials for Oilfield Equipment-Item No. FIFTH EDITION, DECEMBER 1996 21302 PCO2 = PT [ CONTENIDO DE C 2 O (%MOL) / 100 ] PRESION PARCIAL DEL H 2 S: RP 5L2 MR0176-94 Metallic Materials for Sucker-Rod Recommended Practice for Internal Coating of Line Pumps for Corrosive Oilfield Environments-Item PH2S = PT [ CONTENIDO DE H 2S (%MOL) / 100 ] Pipe for Non-Corrosive Gas Transmission Service No. 21303 THIRD EDITION, MAY 1987 RP0169-96 Control of External Corrosion on RP 5L3 Underground or submerged Metallic Piping System- Recommended Practice for Conducting Drop-Weight Item No. 21001. Tear Tests on Line Pipe ACEROS AL Cr 12%Cr Si PCO2 > 30 PSI THIRD EDITION, JANUARY 1996 RP0191-96 The Application of Internal Plastic Coatings for Oilfield Tubular Goods and Accessories- RP 5L7 Item No. 21048 Recommended Practice Unprimed Internal Fusion No Bonded Epoxy Coating of Line Pipe, RP0192-98 Monitoring Corrosion in Oil and Gas SECOND EDITION, JUNE 1988, Production with Iron Counts-Item No. 21053 AMBIENTE CO2+H2S+CL SE PUEDE USAR RP 5L8 TM0169-95 Laboratory Corrosion Testing of Metals- ALEACIONES Cr - PH2S < 0.05 PSI Si CUALQUIER GRADO DE Ni ACERO HASTA TAC -140 Recommended Practice Field Inspection of New Item No. 21200 Line Pipe, SECOND EDITION, DECEMBER 1996 TM0171-95 Autoclave Corrosion Testing of Metals No in High-Temperature Water-Item No. 21203 RP 5LW Recommended Practice Transportation of Line Pipe TM0177-96 Laboratory Testing of Metals for ACEROS API N-80, P-110 TEMP> 79°C on Barges and Marine Vessels , Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Si ACEROS TAMSA TAC - 95, TAC -110 SECOND EDITION, DECEMBER 1996 Corrosion Cracking in H2S Environments-Item No. 21212 No Std 5T1 , Imperfection Terminology , 10th Edition, November 1996 TM0183-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings for Corrosion Control of Tubular Goods in an ACEROS API N-80, C - 95 Provides definitions in English, French, German, Aqueous Flowing Environment-Item No. 21213 TEMP > 65°C Si ACEROS TAMSA TAC- 80 Italian, Japanese, and Spanish for a number of defects which commonly occur in steel pipe. TM0185-93 Evaluation of Internal Plastic Coatings for Corrosion Control of Tubular Goods by Autocla- No NACE ve Testing-Item No. 21217 ACEROS API: J-55, K-55, L-80 TIPO -1, C-95, T-95 Del mismo modo, existe otra institución que se ha TM0186-94 Holiday Detection of Internal Tubular ACEROS TAMSA TRC-80, TRC-85, TRC-90, TRC-95 enfocado desde 1943 al estudio e investigación de los Coatings of 250 to 760 micrometers (10 to 30 mils) Figura 71 Diagrama de flujo de la recomendación emitida por la norma NACE MR-0175-99 78 27
- 79. Tuberías Tuberías tuberías. Es decir, primeramente los fabricantes pro- BULL 5C3-S1 ducen las tuberías requeridas acorde a las especifi- Bulletin on Formulas and Calculations for Casing, PRESIÓN PARCIAL CO2: caciones de fabricación y pruebas recomendadas Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties PRESIÓN PARCIAL H2S: por el API. Además, desde un punto de vista de di- SIXTH EDITION, NOVEMBER 1994 seño, se utilizan las condiciones de desempeño es- tipuladas en los boletines y finalmente, se aplican BULL 5C2 también las recomendaciones para el uso adecua- Bulletin on Performance Properties of Casing, do de las tuberías. Tubing, and Drill Pipe TWENTIETH EDITION, MAY 1987 A continuación se listan las especificaciones, bole- tines y recomendaciones prácticas emitidas por el BULL 5C3 API en relación con el tipo de tubería y conexión. Bulletin on Formulas and Calculations for Casing, Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties SPEC 7 SIXTH EDITION, NOVEMBER 1994 Specification for Rotary Drill Stem Elements RP 7G THIRTY-NINTH EDITION, DECEMBER 1997 Recommended Practice for Drill Stem Desing and Operating Limits SPEC 5L SIXTEENTH EDITION; AUGUST 1998 Specification for Line Pipe FORTY-FIRST EDITION, APRIL 1995 RP 5A5-S1 Recommended Practice for Supplement 1 to Field SPEC 5LC Inspection of New Casing, Tubing, and Plain Specification for CRA Line Pipe End Drill Pipe THIRD EDITION, JULY 1998 SIXTH EDITION, DECEMBER 1997 SPEC 5LD RP 5B1 Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe, Recommended Practice for Threading, Gauging, and SECOND EDITION, JULY 1998 Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Figura 72 Aplicación de la Norma NACE con la influencia de CO2 en tuberías especiales Threads SPEC 5D FIFTH EDITION, AUGUST 1999 una de las etapas de flujo por el que incurren los Una vez cumplido lo anterior, la determinación del Specification for Drill Pipe hidrocarburos. Este tipo de estudios se realizan diámetro adecuado de la tubería de producción pue- THIRD EDITION, AUGUST 1999 RP 5C1 con programas específicos que contienen todas de obtenerse aplicando secuencialmente los siguien- Recommended Practice for Care and Use of Casing las herramientas de cálculo para evaluar las con- tes pasos: SPEC 5CT and Tubing , diciones de flujo en la vecindad del pozo ( IPRs ), Specification for Casing and Tubing (U.S. Customary EIGHTEENTH EDITION, MAY 1999 el flujo multifásico en las tuberías, tanto en el in- 1. Determinación de los diámetros factibles de se- Units) terior del pozo, como en la línea de descarga, la lección SIXTH EDITION, OCTOBER 1998 RP 5A3 predicción del comportamiento PVT de los flui- 2. Determinación de las sartas máximas para cada Recommended Practice for Thread Compounds dos producidos y hasta el comportamiento del tubería o arreglo de tuberías seleccionadas. SPEC 5B for Casing, Tubing, and Line Pipe (Supersedes abatimiento de presión en los estranguladores. Su 3. Determinación del diámetro con el máximo gasto Specification for Threading, Gauging, and Thread Bull 5A2), uso es de gran interés por la integración de los 4. Determinación del gasto óptimo, considerando Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads 1st Edition, June 1996 diferentes elementos del pozo. todo el sistema de producción FOURTEEN EDITION, AUGUST 1996 RP 5A5 Detrás de la aplicación de esta técnica, existe todo Determinación de diámetros factibles de selección SPEC 5CTM Recommended Practice for Field Inspection of New un trabajo previo de investigación para determi- Specification for Casing and Tubing (Metric Units) Casing, Tubing, and Plain End Drill Pipe nar qué modelo matemático es el más apropiado Como base, se determina la curva de comportamien- FIFTH EDITION, APRIL 1995 SIXTH EDITION, DECEMBER 1997 para caracterizar el flujo de fluidos a través del to de afluencia al pozo (IPR). yacimiento, así como la correlación del flujo BULL 5A2 RP 5C5 multifásico que mejor representa el flujo en la tu- Posteriormente, las curvas del comportamiento de Bulletin on Thread Compounds for Casing, Tubing, Recommended Practice for Evaluation Procedures bería de producción, el estrangulador y la línea flujo de las diferentes tuberías de producción o di- and Line Pipe for Casing and Tubing Connections , de descarga. ferentes arreglos de tuberías de producción. SIXTH EDITION, MAY 1988. SECOND EDITION, NOVEMBER 1996 26 79
- 80. Tuberías Tuberías Graficando cada curva en la gráfica IPR previamente Obsérvese que la disminución del gasto en algunos Purgado Finalización del proceso. Una vez realizada la ins- obtenida, se genera una gráfica como la figura 73. diámetros, se debe principalmente a efectos de pección electromagnética, se procede a eliminar colgamiento de las fases. El purgado es un proceso que consiste en la elimi- toda cantidad de polvo en los extremos de la pieza, nación del aire del interior del tubo. rosca y sello. Se engrasan perfectamente la rosca y Determinación del diámetro con el máximo gasto el sello en ambos extremos y se colocan los protec- Condiciones de operación tores, primero manualmente y posteriormente, se Se grafican los diámetros de tubería contra los aprieta con la llave. gastos máximos. Se tiene una gráfica similar a la La presión a la que se prueba el tubo, es acorde al figura 75. grado de acero, diámetro y libraje. Se aplica la norma Colocación del sello VAMPVC. Este sello se coloca 5CT API. en los extremos de la pieza, aproximadamente a l El tiempo mínimo de duración de la prueba es de 5 pulgada después de la salida de la rosca. segundos. La inspección se realiza al 100 % Graficado de la prueba. Especificación de referencia API 5A5 Se hará un registro en el reporte de inspección de Embarque prueba hidrostática. Las tuberías inspeccionadas se estiban en el patio Estensilado de la tubería e inspección final de ex- según su diámetro. Se cargan los trailers con dicha Figura 73 Gráfica de selección de diámetros tremos tubería colocando separadores de madera entre estibas, se flejan y se amarran con cadenas. De estas gráfica se seleccionan los diámetros de flujo La tubería deberá tener los siguientes datos: que estén por debajo de la curva de IPR, para los Diámetro exterior nominal en mm. Se realizan los trámites correspondientes para per- cuales la energía del yacimiento es la suficiente para Espesor nominal. mitir la salida del producto. que los fluidos lleguen a la superficie Metraje. Tipo de rosca. Estándares sobre tuberías Gastos máximos para cada tubería seleccionada Figura 75 Gráfica para obtener diámetro Prueba no destructiva opcional cuando el cliente A nivel mundial existen varias organizaciones e Se debe graficar el gasto contra la presión a la ca- lo solicite instituciones que estudian e investigan, todo lo beza del pozo (Pwh). Se considerando constantes En la gráfica, el diámetro con mayor gasto es el F4. concerniente al tema de tuberías utilizadas para el diámetro de la línea de descarga y se obtiene una Sin embargo, si la diferencia con F3 no es significa- Esta prueba consiste en una inspección por partí- la industria petrolera. Dichas instituciones se en- gráfica como la mostrada en la figura 74. tiva, es recomendable seleccionar F3, debido a que culas magnéticas en los extremos de la tubería para focan principalmente al establecimiento de puede proporcionar una mayor vida fluyente. verificar la ausencia de defectos.Antes de ser ins- estándares para la fabricación, uso y prueba de peccionada la pieza, se verifica su identificación y materiales, como un medio de coadyuvar a los Gasto óptimo se le quitan los protectores de los extremos. ingenieros en la mejor toma de decisiones y a establecer condiciones y recomendaciones para Finalmente, para determinar el gasto óptimo de Limpieza. Los extremos se limpian con aserrín y es- el adecuado aprovechamiento de las tuberías. la tubería seleccionada, considerando todos los topa (en caso de tubería almacenada se emplea sol- elementos del sistema, se aplica el análisis nodal. vente ecológico para aflojar la grasa) en roscas, se- API Se toman como nodo de solución la cabeza del llos y parte interna del piñón abarcando una longi- pozo y se evalúan para distintos gastos. Se calcu- tud de 18". Una de las instituciones más serias y de mayor lan las caídas de presión en el sistema. Los valo- presitigio a nivel internacional y que ha trabajado para la industria petrolera desde 1919, es el res de Pwf, Pwh, Pe, se grafican contra los gastos Verificación. Inspección visual y al tacto en rosca y American Petroleum Institute ( API ). En el seno de considerados. Generan el clásico juego de curvas sello por posibles golpes, desgarramientos, escalo- dicha institución se han forjado una serie de estu- que matemáticamente representan al sistema para nes, hilos negros, rebabas y otros defectos que se dios e investigaciones que dieron lugar a lo que ac- un tiempo dado en la vida productiva del pozo y puedan presentar desde el proceso de roscado hasta tualmente se conoce como boletines o recomenda- del yacimiento. la inspección. ciones API. En la figura 76 Ps es constante. La presión del ya- Inspección con el polvo ferromagnético para detec- Los estudios sobre tuberías y conexiones que el API cimiento Pws es casi constante para un cierto pe- tar sobre el área de 18" en los extremos, defectos ha realizado, ha generado una gran cantidad de re- ríodo. La presión de fondo fluyendo Pwf varía con tales como fisuras, grietas, escamas, falta de mate- ferencias, que en muchos de los casos, aplicamos Figura 74 Gráfica para obtener gastos máximos el gasto. rial, marcaduras de mordazas. en cada una de las etapas en las que se utilizan las 80 25
- 81. Tuberías Tuberías Porcentaje del contenido de fierro en la solución Inspección con cobra, que es un dispositivo cilíndri La presión en la línea de descarga (Pe) aumenta raciones de perforación en un pozo son de gran La acidez total de la solución co metálico que recorre toda la tubería para linealmente con el gasto. Pwh indica las caídas de auxilio para la selección apropiada de los elemen- La acidez libre de la solución verificar que él diámetro interior del tubo sea uni- presión en las tuberías de producción. tos tubulares. En particular, se pone énfasis en un forme estudio del torque y arrastre para la selección óp- Inspección del fosfatizado La curva Pwh indica la caída de presión en la tube- tima de la sarta de perforación. Sin embargo, tam- Inspección del ovalamiento que pudiese existir debi ría de producción. bién es útil para las tuberías de revestimiento, en Verificar la uniformidad del fosfatizado. do a la presión ejercida por las mordazas al momen particular para los "liners" o tuberías de revesti- La inspección se realiza un mínimo de tres veces to de aplicar el par de apriete La distancia entre una curva y otra indica la caída de miento cortas. por turno. El registro se realiza en el reporte de ins- presión en los elementos que representan. Así la pección en tinas de fosfatizado (piñones). Inspección de marcaduras producidas por las mor distancia mínima entre Pwh y Pwf significa la mis- La evaluación o modelación del torque y arrastre en dazas. ma caída de presión entre el fondo y la cabeza del las tuberías se realiza con varios propósitos: Los parámetros de control están dados con base en pozo. El gasto correspondiente es el gasto óptimo las especificaciones del fabricante, prácticas operativas Medición del escalón entre DI y D2. (diámetro inte buscado. · Para seleccionar la tubería con suficiente resis- de PRINVER y especificaciones técnicas de VAM rior de cople y piñón). tencia al torque y a la carga axial. Cuando Pwh es igual a Pe, se tiene el gasto máximo · Determinar los requerimientos del equipo. Colocación y apriete de coples El operador realiza estas inspecciones al 100%. El correspondiente al flujo franco, sin estrangulador. · Optimizar la trayectoria en pozos desviados. inspector de control de calidad las realiza tres ve- · Analizar el efecto de desgaste en tuberías. Este proceso consiste en la unión de la rosca macho ces por turno Todo este proceso requiere de un estudio más pro- (piñón) con la rosca hembra (cople). Para esta unión fundo y siempre respaldado por programas de cóm- El modelo de torque y arrastre más utilizado para se requiere un par de apriete, según el diámetro exte- Los registros se asientan en el reporte de inspec- puto especializados. Los cuales permitirán desarro- evaluar la magnitud de las cargas actuantes en una rior, el libraje, el espesor y el grado de acero. ción en ensamblado de coples llar este y otros procesos relacionados de manera tubería es el presentado por Johancsik et al. Con- eficaz. El analista podrá invertir el mayor de su tiem- siste de un modelo que representa a la sarta de tu- Las piezas a unir se identifican y se limpian (que La tubería nueva se recibe previamente probada, po en el ensayo, análisis e interpretación de todas o berías como un cable que es capaz de transmitir la exista correspondencia entre el cople y el piñón). cuando el cliente lo solicite. La prueba hidrostática cada una de las variables que intervienen. carga axial resultante, sin considerar los momentos consiste en la aplicación de agua a alta presión por de flexión generados. La fricción es el producto de Se introducen los parámetros de apriete a la com el interior del tubo durante un tiempo determinado. la fuerzas normales y un coeficiente de fricción. Las putadora del sistema torque-vuelta y se verifica la Así se verifica la ausencia de fugas en la junta VAM, fuerzas normales tienen dos componentes: el peso celda de carga. la cual se observa a través de un monitor flotado de la sarta y la fuerza de reacción lateral de una sarta en tensión en una sección curva en un Se engrasan adecuadamente tanto el piñón como Prueba hidrostática (opcional cuando el cliente lo pozo desviado. Las siguientes ecuaciones permiten el cople a ensamblar. solicite) cuantificar la magnitud de la fuerza normal y de fric- ción, que actúan en la tubería. Se coloca el cople en el piñón. Para realizar esta prueba es necesario colocar a los extremos del tubo, los dispositivos tapones que Se aplica el par de apriete necesario y se obtiene la consisten en un capuchón y un cabezal gráfica de apriete. La gráfica debe mostrar: El torque de hombro El capuchón tiene por un extremo una rosca hem- El torque final bra VAM y por el otro extremo una válvula de alta Los torques recomendados presión. Se coloca en el piñón VAM del tubo a pro- Figura 76 Resultado del análisis nodal La curva de apriete (número de vueltas vs bar y tiene por finalidad permitir el purgado del aire torque) en el tubo; así como también, servir de tapón Pws= Presión estática del yacimiento durante la prueba. Pwf= Presión de fondo fluyendo Inspección de la junta Pwh = Presión en la cabeza del pozo (lbf) Colocación de los dispositivos tapones Pe = Presión en la línea de descarga (lbf) Inspección de la unión cople - tubo (sellado) Ps = Presión en el separador El cabezal consta de una rosca macho VAM por utilzando la laina (hoja metálica con máximo de es- q máx = gasto máximo (lbf / ft) un extremo y de una válvula de alta presión por el pesor de 0.003”). q ópt = gasto óptimo (lbf) otro. Se coloca en el extremo libre del cople ensamblado. La finalidad de este dispositivo es Inspección con conejo, que es un disposit vo cilín- Análisis de torque y arrastre (lbf - ft) permitir el llenado de agua del tubo a probar; así drico metálico para verificar la concentricidad de la Ángulo promedio de severidad (grados) como para servir de tapón durante la ejecución junta con respecto al tubo El estudio de la magnitud de las cargas torsionales de la prueba. f: Ángulo máximo de inclinación (grados) y friccionales (arrastre) presentes durante las ope- 24 81
- 82. Tuberías Tuberías R = Radio de curvatura (pg) barra cilíndrica de acero tratado térmicamente (man Maquinado de la rosca macho (piñón) f = Factor de fricción (adimensional) dril), cuyo rango habrá sido determinado previamen te. Se introduce en el interior del tubo a una longi El maquinado de piñón se realiza empleando tor- El resultado de la ecuación anterior pue- tud aproximada a la longitud de la rosca. Con este nos CNC con las cuatro operaciones básicas de de ser positivo o negativo. Depende de proceso se evitan los hilos negros. maquinado: Desbaste interior, desbaste exterior si la sarta corre en el interior del pozo, o acabado de sello y el roscado. si es jalada para sacarla. Suajado, este proceso consiste en disminuir el diá- metro interior de los extremos introduciéndolos en Inspección visual del maquinado La práctica en el campo, muestra que un dispositivo metálico cónico conocido como dado si una sarta se rota, su arrastre axial de suaje, para poder maquinar el sello. Limpieza de la pieza con aire comprimido. es menor. Para considerar esto en los modelos matemáticos, se utiliza un Relevado de esfuerzo, consiste en calentar los Verificar la presencia de filos vivos, cortes, fisuras e vector de velocidad como resultado de extremos de la tubería a 1000°F. con el fin de eli- interrupciones (rayaduras, vibraciones). la aplicación de rotación en la tubería. minar las tensiones (esfuerzos residuales) que Esta velocidad tiene dos componen- quedan en la retícula cristalina del acero. Con ello Inspección dimensional del maquinado tes: la velocidad circunferencial debi- disminuye la tendencia a que el material se haga da a la rotación de la tubería y la velo- frágil. Fosfatizado de piñones cidad axial, que es relacionada a la ve- locidad del viaje y ritmo de perforación Inspección del calentamiento Es un recubrimiento de fosfato (Zn ó Mn) que tiene en el caso de sartas de perforación. La por objetivo: Figura 77 Análisis de cargas torsionales y axiales por efecto de dirección de la fuerza friccional se asu- la fricción en un pozo Verificar las condiciones que rigen el calentamiento.- me que actúe en la dirección opuesta Evitar el amarre durante el apriete a la de la velocidad resultante. Por lo Concentricidad del tubo con respecto a la bobina Proteger de intemperismo que al incrementar la rotación de una tubería, incrementará la velocidad circunferencial. miento, se considera el esfuerzo axial que tendrá al Posicionamiento longitudinal del tubo para el correc Este recubrimiento se realiza por inmersión del ex- A la vez esta decrementará la velocidad axial. Esto anclarse en la cabeza del pozo. Obviamente, en la to calentamiento de los extremos de la tubería tremo roscado que no va acoplado (piñón) en una trae consigo una disminución en la fuerza practica el esfuerzo axial debe considerse en el di- solución de fosfato de zinc. friccional. seño de las tuberías de revestimiento. Correcto posicionamiento del pirómetro Se identifica la pieza que se va a fosfatizar Para fines de diseño, el cálculo de torque y arrastre El API estudió cuatro procedimientos para anclar Emisividad de 0.7 debe incluirse con factores de fricción críticos, en tuberías de revestimiento que se presentan a conti- Se desengrasa la rosca con una solución alcalina todos los casos de cargo así se asegura la respues- nuación: Ajuste de las temperaturas (750°F y 1000ºF) ta en resistencia a la torsión y a la carga axial de los Se enjuaga con agua a temperatura ambiente tubulares. De esta manera se garantiza que la tube- 1. Anclar TR con la misma tensión que está pre- Esta inspección se realiza al inicio de cada turno ría sea introducida, rotada, deslizada y jalada. sente cuando el desplazamiento del cemento Se realiza el fosfatizado por inmersión a tempe- haya terminado. El registro se realiza en el reporte de suajeadoras ratura durante 10 minutos La representación del modelo de torque y arrastre, 2. Anclar TR en tensión en el punto libre, que es como análisis de cargas, es generalmente mostra- generalmente considerado en la cima del ce- Inspección dimensional Se realiza otro enjuage con agua do en un gráfico de carga axial y torsional vs pro- mento. fundidad. La figura 76 muestra un ejemplo del aná- 3. Anclar TR con el punto neutral en esfuerzo axial Características: Se sopletea la rosca (secado) lisis de cargas torsionales y axiales por efecto de la (s z = 0), en el punto libre. fricción en un pozo desviado. 4. Anclar TR en compresión en el punto libre. Diámetro exterior Se aceita la rosca y se le coloca el protector Longitud de suaje Anclado de TR El primer procedimiento puede utilizarse en to- Diámetro interior Inspección de las tinas de fosfatizado dos los pozos donde la densidad del lodo no ex- Longitud de calentamiento Anclar una tubería es sentar o colgar la tubería de ceda de 12.5 lbm/gal. Los factores de diseño utili- Longitud de mandrilado La inspección se realiza al inicio de cada turno, revestimiento en el nido dentro de un cabezal, con zados sean estándar y donde el equipo de la ca- Rectitud de los extremos se verifica: el objetivo de continuar o de pasar a otra etapa de beza del pozo y fuera de la sarta de revestimiento perforación del pozo. En la figura 63 se muestra el tenga la resistencia suficiente para aguantar las La inspección se realiza tres veces por turno Tipo de acero nido del cabezal donde se ancla o cuelga la tubería( cargas del anclaje. El segundo procedimiento es El pH del desengrasante casing hanger). recomendado para pozos que excedan la densidad El registro se realiza en el reporte de suajeadora Nivel de la tina En algunos casos, al anclarse la tubería de revesti- del lodo de 12.5 lbm/gal, donde la tensión ejercida La temperatura de la solución 82 23
- 83. Tuberías Tuberías Ejemplo de juntas Proceso de maquinado vestimiento en el fondo y la cima de cada sección y hacer una gráfica de la fuerza axial contra la pro- En el mercado nacional, se manejan las juntas o A continuación se presenta el procedimiento de fundidad. conexiones para tubería de revestimiento TR y de maquinado de una junta aplicada en la planta de la producción TP que producen las compañías Prinver, compañía Prinver, uno de los principales proveedo- 2. Determinar la fuerza estabilizadora en la cima y el Hydril y Tamsa. Sin embargo, a nivel internacional res de juntas de Petróleos Mexicanos. fondo de cada sección y hacer la gráfica de fuerza existe una gran diversidad de fabricantes. Ejemplo estabilizadora contra profundidad. de las conexiones de mayor uso actualmente se pre- Recepción de tubería sentan en la tabla 3 y en la figura 17: p1(Ai)1 - p1(Ae)1 = -p1As La tubería se descarga de los trailers en el patio de Tabla 3 Conexiones de mayor uso materiales y se corrobora de acuerdo con la docu- donde: mentación de recepción. API Acopladas R.R 8h, BCN p1 = p2 fuerza estabilizadora (psi) Preparación de extremos As = Area de sección transversal (pg2) Integrales Extrem Line Ai = Area interna del tubo (pg2) Se mandrila marcando con pintura blanca el rango Ae = Area externa del tubo (pg2) PREMIUM Acopladas VAM-ACE,VAM- correspondiente. TOP,HD-563,MVAM 3. Localizar la intersección de la línea de carga y fuer- Lisas VAM-FJL Precalentamiento. Los extremos de la tubería que se za estabilizadora para determinar el punto neutro y van a procesar se colocan dentro de la bobina de la el punto de pandeo. Este punto es, donde la fuerza suajadora y se les da un pre-calentamiento a 750°F , axial es igual al promedio de la fuerza tangencial y NJO,VAM-SLIJ,HD- con el fin de aumentar ligeramente la ductibilidad del radial. Formadas 521,HD-SLX material y disminuir la fragilidad. HD-533,HD-CS,VAM- La tendencia al pandeo se presenta debajo del pun- Recalcada ACE-XS Mandrilado, se efectúa para aumentar el diámetro to neutro. exterior en los extremos de los tubos usando una A continuación en la figura 79 se muestra una grá- fica de fuerza axial, fuerza estabilizadora contra la profundidad para ejemplificar el procedimiento de CONEXIONES Goins. Centradores de tuberías de revestimiento Los centradores son accesorios opcionales dentro de una sarta de tuberías de revestimiento. Son im- INTEGRALES ACOPLADAS portantes para garantizar una buena cementación. Mediante ellos se logra un espacio concéntrico que permite el flujo continuo de la lechada de cemento, reduciendo la resistencia al flujo uniformemente al- Figura 78 Sistema de cabezales rededor de la tubería. FORMADAS LISAS RECALCADAS API PREMIUM ( SEMILISAS ) ( FLUSH ) La colocación de los centradores es importante en en el punto libre este seleccionada para prevenir todos los pozos, especialmente en los pozos pro- cualquier tendencia de la tubería de revestimiento a fundos y altamente desviados. pandearse abajo del punto libre La selección y distribución de centradores para una API Extreme line HD-521 Vam-FJL* 8 Hilos Multi Vam* HD-SLX HD-511 10 Hilos Con el procedimiento gráfico de Goins se puede aplicación en particular de TR requiere básicamen- API Tubing Vam ACE* Vam-Ace-XS MAC II HD-513* Buttress Vam SL* determinar a partir de dónde la sarta de revestimien- te de un balance de fuerzas entre la carga de arras- Vam Fit Vam Top* to tiende a pandearse. A continuación se presentan tre o friccional impuesta por la acción del tubo so- HD-533 HD-563* los pasos del procedimiento: bre el agujero o sobre otra tubería y la resistencia que opone el material flejado del centrador. 1. Determinar la fuerza axial en la tubería de re- Las bases de diseño para estudiar la colocación de Figura 17. Juntas para TRs y TPs de mayor uso en Petróleos Mexicanos 22 83
- 84. Tuberías Tuberías Premium Grasa para roscas Ventaja: Enrosque fácil, sello hermético, De acuerdo con el API (Bul 5A2), se debe utilizar un apriete controlado, mayor resistencia a los elemento graso para generar una buena conexión esfuerzos triaxiales. entre los elementos piñón y caja. Por lo que es ne- cesario agregar un componente graso al piñón de Desventaja: costo elevado. una junta para mejorar el apriete y garantizar la hermeticidad. Las características que debe tener este Eficiencia de juntas elemento graso son las siguientes: Una forma directa de dimensionar la capacidad 1. Cualidades de lubricación adecuada para pre- de resistencia de una junta se ha establecido me- venir el desgarre de las roscas. diante el concepto de eficiencia de la junta. Se 2. Ninguna tendencia a desintegrarse ni observar define como un número expresado en porcentaje cambios radicales de volumen a temperaturas de resistencia, generalmente a la tensión, respec- de hasta 300° F. to a la resistencia a la tensión del cuerpo del tubo. 3. No comportarse excesivamente fluida a tem- Esto quiere decir que una junta con 100% de efi- peraturas de hasta 300° F . ciencia tiene una resistencia similar o mayor a la 4. Propiedades de sello suficientes para prevenir tubería. De otra forma: fugas a temperaturas de hasta 300° F. 5. No secarse, endurecerse, evaporarse u oxidar- Eficiencia =Tensión en Junta / Tensión en Tubo*100 se cambiando sus propiedades físicas . 6. Resistencia a la absorción de agua. La resistencia a la tensión debe ser expresada a la 7. Suficiente capacidad para rellenar micro- mínima cedencia en ambos casos. huecos y prevenir fugas en roscas redondas API para casing y tubing bajo presiones tan Juntas para tubería de perforación. altas como 10000 psi. 8. Debe ser fácilmente aplicable con brocha a las Las conexiones en tuberías de perforación gene- roscas en clima frío. ralmente son del tipo recalcado, debido a que son sometidas como sartas de trabajo, a grandes es- Las grasas se identifican como “Thread Compound” fuerzos durante las operaciones de perforación. y se clasifican por sus componentes básicos: Por esto deben observar una mayor resistencia ante las cargas impuestas. A continuación se men- SILICONE THREAD COMPOUND cionan las juntas para tuberías de perforación más comunes: Sólidos 64% En peso Figura 79 Método de Goins Grasa 20% “ Silicones sólidos 03% “ IEU (Internal-Extremal Upset): Este tipo de juntas centradores en una sarta de TRs es el aspecto me- Silicones fluidos 03% “ El procedimiento de cálculo para obtener la distribu- tiene un diámetro mayor que el del cuerpo del cánico de la relación tubo-centrador y su resisten- ción óptima de centradores se realiza mediante un tubo y un diámetro interno menor que el cuerpo MODIFIED THREAD COMPOUND cia a las cargas impuestas por el contacto entre tubo- proceso iterativo. El cálculo por ensayo y error con- del tubo. Sólidos 64% En peso tubo o tubo-agujero. Y no obedece a un aspecto siste en suponer un determinado espaciamiento de Grasa 36% “ hidráulico como aparentemente se piensa, debido los centradores (comprendiendo entre dos puntos del IF (Internal Flush): Este tipo de junta tiene un diá- al objetivo que tienen los centradores. registro giroscópico). Después se calcula la carga la- metro interno aproximadamente igual al del tubo y El 64% en peso de sólidos en ambos casos debe teral ejercida sobre el centrador. Esta carga se compa- el diámetro externo mayor que el tubo, ya que es ser un compuesto de las siguientes proporciones: Para diseñar el espaciamiento óptimo de centradores ra con la fuerza restauradora del centrador. Si el resul- en este diámetro donde está el esfuerzo. Polvo de grafito 18% en las tuberías, es necesario calcular la carga lateral tado no es satisfactorio deberá suponerse otro Polvo de plomo 31% o de arrastre efectiva (ver análisis de torque y arras- espaciamientode repetir el procedimiento. IU (Internal Upset): Este tipo de junta tiene un Polvo de zinc 12% tre) utilizando el criterio de la severidad de la pata diámetro interno menor que el del tubo y un diá- Hojuelas de cobre 03% de perro de Lubinski y considerando los cambios Para mantener a la tubería alejada de la pared del metro externo casi igual al del tubo. de curvatura en el agujero, así como el efecto de pozo, la fuerza ejercida por un centrador contra el flotación sobre el peso de la tubería. agujero es la fuerza restauradora. Estas juntas están diseñadas para trabajar en tensión. 84 21
- 85. Tuberías Tuberías MTC: Acopladas Tipos de roscas La evaluación del diseño de centradores para tube- Procedimiento de diseño rías de revestimiento no es recomendable para lle- MIJ: Recalcadas A continuación se presentan los diferentes tipos varlo a cabo en pozos con problemas de estabi- 1. Definir los eventos de producción a los que se geométricos de roscas existentes en diseño, tanto lidad por efecto de la acción lodo. Esta formación someterá la tubería. SLH: Semilisas o formadas para JUNTAS API como para PREMIUM: propicia un mal manejo operativo de los centra- dores. Así mismo, no es recomendable en pozos · Introducción IFJ: Integrales lisas a) Redonda de hilos denominados "slim-hole" o de diámetro reducido, - Inducción debido al fuerte incremento de las fuerzas de arras- · Cambio de fluidos Recalcadas: Se incrementa el espesor y diámetro tre para introducir las tuberías o por efecto de los · Jalón a la TP exterior de la tubería en uno o en ambos extremos problemas operativos para correr la tubería. · Fuga en tubería en un proceso de forja en caliente, a los que poste- · Producción riormente se les aplica un relevado de esfuerzos. V. METODOLOGIA PARA EL DISEÑO MECANICO · Transitorios · Permanente Resistencia a la tensión 100% b) Buttres La metodología empleada actualmente para el di- · Inyección 10° 3° seño mecánico de las tuberías de revestimiento, tu- · Pruebas berías de producción y sartas de perforación tiene · Estimulaciones sus raíces en el concepto determinístico, cuyas ba- Figura 12 Conexión del tipo recalcada ses consisten básicamente en la obtención de las 2. Definir condiciones de diseño. cargas y la valoración de la capacidad de resisten- cia de la tubería. Este planteamiento quedó expre- · Factores de diseño Formadas: El extremo piñón es suajeado (cerrado) sado en los temas tratados anteriormente. Sin em- · Criterio de falla c) Enganchada bargo, es necesario recapitular los temas para sin- y el extremo caja es expandido en frío sin rebasar el FA FC 5% en diámetro y el 2% en espesor, aplicando un tetizar la forma en la que un ingeniero de perfora- 3. Determinar las condiciones de carga para cada relevado de esfuerzos posterior. 10° ción debe realizar el trabajo de diseño, que hemos evento establecido. 3° venido mencionando como proceso de diseño. Des- Resistencia a la tensión 70-85% de un punto de vista mecánico, las tuberías pueden · Presión Interna diseñarse bajo un mismo esquema de selección. Es · Presión Externa decir, se debe revisar la resistencia ante la imposi- · Carga axial d) Doble enganchada ción de las cargas. Sin embargo, la aplicabilidad de · Flotación Figura 13 Conexión formada (suajeada) FA FC cada una de ellas (TR,TP y sarta) ha hecho posible · Fricción imaginar una diferencia en el diseño. La única con- · Flexión Lisas: Se maquilan las roscas directamente sobre sideración importante en el diseño de sartas es la · Fuerzas de choque los extremos del tubo sin aumentar el diámetro ex- estimación de la FATIGA, que no es mas que sinóni- · Térmicas terior del mismo. mo de degradación de la capacidad de resistencia · Peso al aire de la tubería, y que debe ser considerada en el pro- Resistencia a la tensión 55-65% Figura 16 Esquemas de tipos de roscas pósito de revisión. A continuación se presentan los 4. Aplicar el concepto de carga máxima. procedimientos de diseño para las tuberías utiliza- das en un pozo: · Determinar los diferenciales de presión en cada Para seleccionar las juntas propicias a utilizar en caso de carga Figura 14 Conexión del tipo lisa un pozo hay que analizar las ventajas y desventa- Tubería de producción · Definir los puntos máximos de carga jas de cada tipo de conexión: · Presión de Estallamiento Acopladas: Se maquila un piñón en cada extremo Información requerida · Presión de Colapso del tubo y se le enrosca un cople o una doble caja, API · Carga axial quedando el tubo con piñón de un extremo y caja el · Trayectoria real del pozo. · Afectar las cargas máximas por los factores de diseño otro extremo. Ventajas: Económica. · Estado mecánico del pozo. Resistencia a la tensión 85-94% Desventajas: Enrosque complicado, aprie- · Fluido empacador. 5. Selección de tuberías. te geométrico, sello no hermético, escalo- · Especificaciones tubulares nes internos, menor resistencia a los es- · Delimitar materiales por efectos ambientales · Pozos correlación. fuerzos triaxiales. · Determinar grado y peso de tuberías para cumplir · Condiciones ambientales las cargas máximas Figura 15 Conexión acoplada · Esquemas de producción esperados. · Optimizar longitud y costo de las secciones 20 85
- 86. Tuberías Tuberías 6. Evaluar las tuberías seleccionadas. Factores de diseño: × Evitar el «brinco de roscas» (jump out) en pozos con alto ángulo de desviación. · Determinar factores de trabajos normalizados Axial:1.6 × Mejorar la resistencia a presión interna y externa. · Verificar : factores normalizados > 1 Estallamiento:1.25 × Disminuir esfuerzos tangenciales en coples. Colapso:1.1 × Facilitar la introducción en agujeros reducidos. 7.Selección de juntas Triaxial:1.25 × Evitar la turbulencia del flujo por cambio de diá- metro interior. · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de Desviación: × Múltiples conexiones y desconexiones en po- limitar el número de juntas zos de prueba. · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de H Inc Azim × Sellos mejorados. cada tipo de junta 0.0 0.00 0.00 · Determinar factores de trabajo normalizados en 640.1 0.00 0.00 La diferencia más significativa entre las roscas API la junta 1021.1 25.00 0.00 y las roscas Premium es el tipo de sello: · Verificar: Factor normalizado > 1 4419.6 25.00 0.00 · Seleccionar la junta considerando su costo 4572.0 15.00 0.00 En las roscas API el sello puede ser: 5334.0 15.00 0.00 8.Revisión final del diseño Sello Resilente: Mediante un anillo u O Ring de VSection Ref Plane: through wellhead origin on azimuth 0.0 deg teflón o materiales similares (utilizadas para pre- · Determinar condiciones de carga dinámica 0.0 siones excesivamente bajas), a veces sólo fun- · Determinar el efecto de cambios axiales en las tu cionan como barreras contra la corrosión. Figura 10 Junta acoplada berías (pandeo, balonamiento, pistoneo, térmico) 1000.0 · Determinar longitud de sellos (empacador). Sello de interferencia: Es el sello entre roscas Prof. Vertical(m) · Determinar paso de herramientas. originado por la interferencia entre los hilos de · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1 2000.0 la rosca al momento de conectarse mediante la conicidad del cuerpo de la junta y la aplicación 9.Preparación del reporte final 3000.0 de torsión. El sellado propiamente dicho es cau- sado por la grasa aplicada, la cual rellena los · Llenar formato pre-establecido microhuecos entre los hilos de la rosca. · Anexar soportes del diseño 4000.0 · Factores normalizados vs profundidad En las roscas Premium el sello es: · Líneas de diseño vs profundidad 5000.0 · Envolvente triaxial por sección Metal-Metal: Se origina por la presión de con- 0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 tacto entre planos deslizantes adyacentes. Es Ejemplo de Diseño de una Tubería de producción Desplazamiento (m) decir, existe un contacto metal metal entre el pi- (ver figuras 80 - 86): ñón y la caja de la junta. Datos Figura 80 Trayectoria, pozo prueba 1 Tipos de juntas Pozo: Prueba 2 Diámetro de TP: 3 1/2" Las conexiones pueden definirse de acuerdo con el Profundidad: 5334 m Eventos de carga maquilado de los extremos de la tubería como: Costa afuera: 91 m de tirante de agua Producción estabilizada Recalcadas Estado mecánico: Prueba de presión Figura 11 Junta integral Formadas (Semiflush) Cierre de pozo Lisas (Flush) 30" Conductor Casing 0-183 Fuga en el tubing bios en la rosca y/o a la integración de elementos Acopladas 20" Superficial Casing 0-609 Evacuación total adicionales como sellos y hombros que le propor- Producción por un año cionan a la junta características y dimensiones es- 13 3/8" Intermedia Casing 0.0-2956.6 En una nueva nomenclatura a nivel internacional, peciales para cubrir requerimientos específicos para 9 5/8" Intermedia 0.0-4572 Jalón durante corrida se identifican los anteriores tipos de juntas con las la actividad petrolera, tales como: Tratamiento con ácido siguientes siglas : 7" Producción 0.0-5334 3½ Tubing 0.0-5182 Después del tratamiento 86 19
- 87. Tuberías Tuberías fectuoso. Elimina tensiones internas y se uniforma también cuenta con un elemento de sello y un ele- el tamaño del grano del acero. Se emplea para ace- mento hombro de paro, elementos que represen- ros al carbono o de baja aleación. tan o simbolizan parte de los esfuerzos realizados por alcanzar lo ideal en una conexión. Esferoidización Las microestructuras esferoidizadas son las El miembro roscado externamente es llamado el microestructuras más estables encontradas en ace- de tubería o piñón. El miembro roscado interna- ros. Se forman en cualquier estructura previamente mente es llamado caja ( en algunos casos cople ). calentada a altas temperaturas y tiempos suficien- Un cople funciona uniendo dos piñones, el cual temente largos para permitir el desarrollo y difusión es un pequeño tramo de diámetro ligeramente ma- de las partículas de carburo esféricas. yor, pero roscado internamente desde cada ex- tremo. Los piñones pueden ser del mismo espe- Conexiones o juntas sor del cuerpo del tubo (Non Upset) o de mayor espesor (Upset). Top of Cement Debido a que las tuberías que se utilizan en los po- (cima del cemento) zos tienen un límite en longitud (básicamente entre Clases de juntas 9 y 13 metros) es necesario que estas tuberías que- den unidas al introducirse en el pozo, con la premi- Existen dos clases de juntas, de acuerdo con su sa de que la unión entre ellas sea hermética y capaz forma de unión con la tubería. de soportar cualquier esfuerzo al que se someterá la tubería. A esta unión o conexión efectuada entre 1. Acopladas: Son las que integran un tercer ele- dos tuberías se le conoce como JUNTA o CONEXION mento denominado cople, pequeño tramo de de tuberías. Actualmente, en la industria petrolera, tubería de diámetro ligeramente mayor y y en especial en el ámbito de perforación, se utili- roscado internamente, el cual, une dos tramos zan diferentes tipos de conexiones, por lo que hay de tubería roscados exteriormente en sus ex- que estudiar y comprender los conceptos básicos tremos, como lo muestra la figura 10. sobre estos dispositivos mecánicos, y seleccionar de acuerdo a su uso, la conexión más apropiada. La 2. Integrales: Son las que unen un extremo de la conexión ideal es aquella que es idéntica al cuerpo tubería roscado exteriormente como piñón y del tubo. Es decir, que geométricamente y en térmi- conectándolo en el otro extremo de la tubería nos de su desempeño mecánico sea igual al cuerpo roscado internamente como caja, ver figura 11. del tubo. Esto significa que la junta ideal debería tener tanto sus diámetros exterior e interior exacta- Clasificacion mente iguales al de la tubería, y su capacidad de resistencia (mecánicamente) igual o superior a la re- Las juntas pueden clasificarse de acuerdo con el tipo sistencia de la tubería. Para lograr lo anterior, se han de rosca como: API y Premium. realizado y diversificado los esfuerzos por parte de las compañías fabricantes de juntas, pero con la par- ticularidad de no lograr el diseño ideal de junta. Por API un lado se han diseñado juntas que cumplen geométricamente, pero a expensas de sacrificar la De acuerdo con las especificaciones API de elemen- capacidad de resistencia a valores incluso del or- tos tubulares, existen únicamente cuatro tipos de den del 55% de la resistencia (en tensión) del cuer- roscas: po del tubo. En otros casos, se logra diseñar juntas × Tubería de líneal con un desempeño mecánico igual o superior al × Redondas cuerpo del tubo, pero a expensas de sacrificar su × Butress aspecto geométrico, con dimensiones superiores a × Extreme line las del tubo. Premium o propietarias Básicamente una junta o conexión está constituida Son juntas mejoradas a las API y maquinadas por Figura 81 Estado mecánico, pozo prueba 2 por dos o tres elementos principales. Estos son: un piñón, una caja y la rosca. Se dice que una junta fabricantes que patentan el diseño en cuanto a cam- 18 87
- 88. Tuberías Tuberías Diseño: Diseño de sartas de perforación carbono. Pero sólo se puede lograr si se evita la trans- y enfriarlo en condiciones convenientes. De esta for- formación de la austenita en mezclas de ferrita y ma, se modifica la estructura microscópica de los Cima-base Diam. Grado Peso El diseño de sartas de perforación se dividirá en dos cementita. La dureza es la resistencia a la deforma- aceros, se verifican transformaciones físicas y a ve- 0.0-5182 3½ C-75 12.70 partes principales: ción permanente por un penetrador de tamaño y for- ces también hay cambios en la composición. 1. El diseño de aparejos de fondo y ma específicos, bajo una carga estática. Todos los tratamientos térmicos consisten en so- Soporte: 2. El diseño de la tubería de perforación y conexio- Para determinar si una pieza de acero ha sido o no meter un metal a un ciclo definido de tiempo-tem- nes endurecida, depende del contenido de martensita peratura. Se divide en tres etapas: en la microestructura. Si existe menos del 50% de El diseño de aparejos de fondo de una sarta de per- 1. Calentamiento martensita, se dice que el material no tiene condi- foración en un pozo debe asegurar suficiente peso ciones de endurecimiento. La máxima dureza de 2. Mantenimiento de la temperatura así se previene la tendencia al pandeo en la tubería cualquier acero está asociada con la estructura com- de perforación y se reducen las posibilidades de 3. Enfriamiento pletamente martensítica. pegaduras por presión diferencial. El ritmo de calentamiento es importante cuando el Esta estructura se puede lograr si las difusiones y acero se encuentra en condiciones de grandes esfuer- Un aparejo de fondo típico se compone de las si- transformaciones dependientes de la austenita son zos, tales como los producidos por un severo trabajo guientes herramientas mostradas en la figura 73: anuladas debido a un enfriamiento rápido. en frío o por un endurecimiento previo. En tales con- Cuando es enfriado bajo ciertas condiciones, la capa- diciones el ritmo de calentamiento debe ser lento. Existen varios métodos para realizar el diseño de cidad de un acero para transformarse parcial o total- aparejos de fondo para sartas de perforación. El El objetivo de mantener la temperatura de tratamien- mente de austenita a martensita en una profundidad método de flotación de Lubinski permite calcular la to es para asegurar la uniformidad de la temperatu- dada, es el proceso físico para definir el endurecimiento. longitud mínima de lastrabarrenas que pueden usar- ra a través de todo su volumen. se para prevenir la tendencia al pandeo de la tube- Efecto del carbono Figura 82 Factores de trabajo, pozo prueba 1 La estructura y las propiedades del acero dependen ría de perforación. Este método establece que el La capacidad de temple del acero aumenta con el de su ritmo de enfriamiento y éste a su vez, es con- 25000 contenido de carbono, desempeñando dos papeles trolado por factores tales como la masa, el medio en el templado del acero: para templar, etcétera. 20000 1. 0.6% de Carbono, facilita el sobreenfriamiento Los tratamientos térmicos más importantes son: de la austenita a 93.3°C, facilitando el templado Templado: Tiene por objetivo endurecer y aumen- del acero. El carbono actúa como retardador, 15000 Tri-axial 1.250 tar la resistencia de los aceros. Burst 1.100 Tension 1.300 disminuyendo la velocidad de transformación. Revenido: Es un tratamiento que se aplica después 2. El carbono presente en la martensita recien for- 10000 de que una pieza de acero ha sido previamente tem- mada aumenta la dureza, el carbono disuelto o plada. El objetivo de hacerlo es disminuir la dureza y parcialmente precipitado en forma de cementita, Presión (psig) resistencia de los aceros templados. Así se eliminan 5000 es probablemente el factor más importante que las tensiones internas creadas en el templado y se hace a la martensita dura. Condiciones iniciales mejora la tenacidad, se estabiliza la estructura, se 0 Ensayo de dureza cambia el volumen. Al final, el acero queda con la Producción estabilizada dureza deseada. Cierre Los ensayos de dureza Brinell y Rockwell se basan -5000 Prueba de presión en la resistencia a la penetración que opone la su- Recocido: El objetivo principal es ablandar al acero, Evacuación total perficie del cuerpo en exámen a una esfera durísi- regenerar su estructura o eliminar tensiones inter- ma o a una punta de diamante que trata de penetrar nas. Es decir, desarrolla una estructura no marten- -10000 Jalón mientras se corre bajo una carga preestablecida. La dureza máxima sítica de baja dureza y alta ductilidad. Fuga en TP obtenida en el acero martensítico nunca excede una Producción por 1 año Normalizado: Consiste en un calentamiento a una -15000 Collapse 1.000 dureza Rockwell C68 y una Brinell de 745. temperatura ligeramente más elevada que la crítica Tratamiento con ácido Tratamientos térmicos de los aceros superior, seguido de un enfriamiento en aire. De esta Note: Limits are approximate Después del tratamiento -20000 forma el acero obtiene una estructura y propieda- Los tratamientos térmicos de los aceros tienen por -300000 -225000 -150000 -75000 0 75000 150000 225000 300000 375000 des que arbitrariamente se consideran como nor- objetivo mejorar las propiedades y características males y características de su composición. Tension (lbf) de los aceros, para obtener propiedades deseadas Figura 83 Envolvente triaxial o criterio de falla para diseño de TP en pozo prueba 1 de éstos. Consiste en calentar y mantener al acero a Se utiliza para piezas irregulares y también sirve para temperaturas adecuadas durante un cierto tiempo destruir los efectos de un tratamiento anterior de- 88 17
- 89. Tuberías Tuberías × Estructura metalográfica. Se refiere a la morfo- gunas, describen el comportamiento del material logía y la repartición de constituyentes de alea- cuando se somete a cargas. Estas propiedades afec- ciones. Es modificable por tratamientos mecá- tan las características de funcionamiento de los nicos irreversibles y modificable por tratamien- miembros de los sistemas estructurales. A continua- tos térmicos de modo reversible o irreversible. ción, se mencionan algunas de las propiedades me- cánicas más importantes: Tamaño de grano Resistencia: Es el esfuerzo máximo que un material Para que pueda producirse una cristalización, ade- puede soportar antes de que ocurra la falla. más de las condiciones de presión y temperatura, se consideran los núcleos y el efecto que tiene so- Rigidez: Se dice que una parte estructural es rígida bre la formación de cristales (nucleación). si soporta un gran esfuerzo con una deformación relativamente pequeña. El módulo de elasticidad de El tamaño de los cristales de un material cristalino un material es una medida de su rigidez. completamente solidificado, depende del número de núcleos activos y de la velocidad de crecimiento Ductilidad: Es la capacidad de un material para so- en la cristalización. Se llaman granos cristalinos a portar grandes deformaciones inelásticas (plásticas) los cristales que no pueden crecer libremente hasta antes de la fractura. Está asociada con los esfuerzos la cristalización total del líquido por interferir con de tensión y además, redistribuye los esfuerzos en cristales vecinos. El tamaño de la cristalización, es lugares de concentraciones altas de esfuerzos. decir el tamaño del grano, tiene gran influencia so- bre las características mecánicas de los metales. Maleabilidad: Es la capacidad de soportar gran- des deformaciones inelásticas (plásticas) antes de La generalización es que una parte superficialmen- la fractura. Se asocia con los esfuerzos de com- te endurecida debe tener una superficie dura so- presión. portada por una blanda, debido a que un núcleo duro Figura 84 Comportamiento axial del pozo prueba 1 es amenazado cuando el tamaño del grano del ma- Fragilidad: Es la propiedad opuesta a la ductilidad. terial es grande. Conforme el tamaño del material Un material frágil se fracturará a deformaciones uni- se vuelve grueso, decrecen las propiedades tales tarias relativamente bajas (5%). como la elongación, reducción del área, resistencia a la fatiga y la temperatura de transición de impac- Resiliencia: Es la capacidad de absorber energía en to. Se cree que es debido en parte a fracturas de el intervalo elástico de esfuerzos. dislocación, resultantes de la unión de las dislocaciones. éstas crecen en tamaño conforme el Tenacidad: Es la capacidad de absorber energía en tamaño del grano se incrementa. Así que la prolon- el intervalo inelástico de esfuerzos. gación de las fracturas, al menos, es favorecida por el incremento del tamaño de grano. Dureza: Es una medida de la capacidad del mate- rial para resistir rayaduras. Puede modificarse Se dice que los componentes de grano grueso son mediante procesos de manufactura tales como tra- más propensos a la dislocación que los de grano tamientos térmicos, trabajo en frío, templado y fino. También son más aptos para fracturarse o revenido. microfracturarse durante el templado. Los aceros de grano grueso endurecidos superficialmente tien- Maquinabilidad: Es la facilidad con la que un ma- den a la oxidación interna a lo largo de los límites terial puede maquinarse mediante operaciones ta- de grano, mientras que los aceros de grano fino pa- les como el barrenado,fresado, roscado, etc. Pue- recen favorecer la precipitación de partículas de de modificarse con las aleaciones del material con óxido dentro de los granos. otros elementos, tratamientos térmicos y el esti- rado en frío. Propiedades mecánicas del acero Dureza y endurecimiento del acero Las propiedades mecánicas tales como rigidez, duc- Una microestructura martensítica es la microestructura tilidad, fragilidad y maquinabilidad, por nombrar al- más dura que puede producirse en cualquier acero al Figura 85 Comportamiento de la temperatura en pozo prueba 1 16 89
- 90. Tuberías Tuberías obtener la gran variedad de microestructuras y pro- tre la troostita y martensita. El ritmo de difusión es piedades del acero. muy lento para permitir el movimiento del carbono en distancias largas. La bainita tiene diferentes formas El hierro es un elemento alotrópico. A presión at- microestructurales que dependen de la temperatura mosférica puede existir en mas de una forma de de formación. La bainita inferior tiene forma lenticular cristal, dependiendo de la temperatura: y está compuesta de ferrita y cementita. La bainita su- perior esta compuesta de gruesas laminas de ferrita y × Hierro alfa (a ferrita) existe hasta 912°C una fina capa de cementita (dureza 350-450 HB). × Hierro gama (g austenita) entre 912 y 1394°C y × Hierro delta (d ferrita) de 1394°C al punto de Martensita. La martensita es una ferrita sobresaturada fusión de hierro puro 1538°C en carbono. Son placas con forma de lentes, origina- da por un cambio brusco en la masa sin posibilidad Constituyentes del acero de desarrollarse interiormente. La transformación martensítica se caracteriza por que la relación es no Austenita. Es una solución sólida de carbono en isotérmica, desplazante, sin difusión, exhibe histéresis, el hierro gama. La austenita tiene la facilidad de es isotérmica en algún grado y es autocatalítica. La disolver mucho carbono (la cantidad de carbono martensita es un constituyente muy duro y frágil (du- disuelta es del 1.7% al 2.11% a una temperatura reza 450-650 HB). de 1145°C). El carbono es un elemento que estabiliza la austenita e incrementa el rango de su Sorbita. Es un constituyente extremadamente fino formación en el acero. La austenita es muy dúctil se forma después de recalentar una estructura tem- (dureza 250-300 HB). plada martensítica. Está constituido de Fe3C en una Figura 86 Comportamiento de la carga de presión en la TP en pozo prueba 1 matriz ferrítica. La martensita revenida, presenta una Ferrita. Es una solución sólida de carbono en el buena resistencia (dureza 250- 400 HB). peso del aparejo de fondo flotando en lodo, debe Aparejo empacado: está constituido de tres o más hierro.Tiene una capacidad muy baja para disolver ser cuando, menos igual al máximo peso sobre la estabilizadores, con un lastrabarrena corto de diá- carbono. La solubilidad disminuye continuamente Composición del acero barrena. El método de Paslay y Dawson, permite que metro grande. desde un máximo de sólo 0.02% a una temperatura parte de la tubería de perforación se usa como peso de 727°C. La solubilidad a temperatura ambiente es Los aceros contienen elementos aleantes e impu- sobre la barrena en pozos con altos ángulos, sin Antes de describir la metodología de diseño, defini- despreciable (0.005%). La ferrita es un constituyen- rezas que deberán ser incorporadas a las estruc- pandearse la tubería de perforación. remos algunos conceptos aplicables en el diseño te dúctil y maleable(dureza 80-100 HB). turas austenítica, ferrita y cementita. Algunos ele- de sartas de perforación: mentos actúan como estabilizadores (mangane- La selección del aparejo de fondo se realiza con Cementita o carbono de hierro. Está compuesta de so, níquel, silicio, cromo y niobio) y algunos son la premisa de obtener la mejor conjunción de ele- Punto neutro: Para definir este concepto, iniciaremos fierro y carbono Fe3C. Es un constituyente muy duro fuertes formadores de carburo (titanio, niobio, mentos para lograr la tendencia a la desviación por establecer que existen dos formas de considerar y frágil. La cementita contiene 6.67% de carbono y molibdeno y cromo si se encuentran en grandes en las formaciones que van a ser perforadas, con- el punto neutro: el de pandeo y el punto neutro de es magnética hasta 210°C en promedio (dureza cantidades). siderando los datos de echados, fallas, fracturas tensión-compresión. El punto neutro de pandeo es el ~700HB). Factores que rigen las características mecánicas del y grado de compacidad de las formaciones (du- punto en la sarta de perforación, donde los esfuerzos acero: ras, semiduras y suaves; así como abrasivas o no axiales, tangenciales y radiales son iguales. El punto Perlita. Es un constituyente que se origina de la abrasivas). neutro de tensión-compresión es el punto de la sarta austenita y del rearreglo y redistribución del car- de perforación donde los esfuerzos axiales de tensión bono en la cementita en hojuelas de ferrita. Se da × Composición química elemental. Es el resul- Los aparejos de fondo convencionales y compresión son iguales a cero. La figura 88 muestra en un proceso de difusión debido a la actividad tado del análisis químico. La composición quí- esquematicamente estos conceptos. térmica. Contiene 0.85% de carbono y no disuel- mica condiciona la constitución fisico-quími- Aparejo de péndulo: esta técnica aplica el efecto ve el carbono. Es magnética y dúctil (dureza 200- ca y propiedades de los mismos constituyen- gravitacional para ayudar a controlar la desviación Método de flotación de Lubinski 250 HB). tes. No es modificable por tratamientos me- del pozo. Está compuesto de la barrena y varios cánicos o térmicos. lastrabarrenas de diámetro grande, un conjunto liso. Establece que el peso mínimo de lastrabarrenas en Troostita. Es similar a la perlita pero de dimensio- Puede tener estabilizadores en la sarta de lastra- el lodo, debe ser mayor que el peso aplicado sobre nes ultra-microscópicas y de dureza más eleva- × Constitución fisico-química. Caracteriza la na- barrena en una posición predeterminada arriba de la barrena. De ésta manera se asegura que la ten- da. Es un constituyente fuera de equilibrio de turaleza y la proporción de diversas fases, don- la barrena, con el objetivo de colocar el punto de dencia al pandeo permanezca en los lastrabarrenas. suave temple, se encuentra normalmente con la de la aleación fue formada. Es modificable por apoyo tan alto como sea posible, así se evita que Lubinski define al punto neutro en una sarta de per- martensita (dureza 250-350 HB). tratamientos térmicos reversibles en condicio- los lastrabarrena tengan contacto con la pared del foración cuando "el peso flotado de la porción de nes del diagrama de equilibrio Fe-C, pero no es pozo, entre el estabilizador y la barrena. una sarta de perforación debajo del punto neutro, Bainita. Es un constituyente de temple intermedio en- modificable por tratamientos mecánicos. 90 15
- 91. Tuberías Tuberías Propiedades del acero es de interés primario para el análisis de tratamientos térmicos. Las aleaciones con más del 2% de carbono Metalurgia se clasifican como fundiciones. El acero puede tratarse térmicamente para produ- Las líneas continuas muestran el equilibrio entre cir una gran variedad de microestructuras y propie- Fe3C y varias fases del hierro, mientras las líneas dades. Existen dos diagramas de equilibrio que le discontinuas muestran el equilibrio entre el grafito dan forma y naturaleza al acero. y otras fases. El diagrama se emplea solo a presio- nes de una atmósfera. Las aleaciones fierro-carbono, que contienen car- bono libre (grafito) correspon- den a un estado estable. El otro tipo de aleación contiene el car- bono bajo una combinación de Fe3C o cementita y que corres- ponde a un estado metaestable. × Diagrama Fe-Fe3C × Diagrama Fe-C En el diagrama de equilibrio se definen las regiones de compo- sición-temperatura, donde las distintas fases de acero son es- Figura 88 Punto neutro en una sarta Temperatura °C tables, así como, los límites de equilibrio entre las regiones de es igual al peso sobre la barrena". Este punto neu- las fases. tro, no es el mismo que el punto en el cual no exis- ten ni tensión ni compresión. Este punto no es afec- Para las aleaciones formadas ex- tado por la presión hidrostática. clusivamente de Fe-C, el diagra- ´ ma de equilibrio debe conside- En el estudio de pandeo de sartas de perforación, rarse como una guía. Cualquier se derivan niveles críticos de pandeo para varios proporción de algún otro ele- diámetros de lastrabarrenas y tuberías de perfo- mento en el acero, modifica los ración. El análisis de Lubinski demuestra que los límites de las fases. lastrabarrenas se pandean y que bajo condicio- nes normales de perforación se pandean cuando Para que el diagrama de equili- menos una vez y en algunas ocasiones hasta dos brio sea valido, las aleaciones y tres veces. deben estar en estado de equi- librio. Es decir, la velocidad de Se asume que para altos niveles de pandeo, el punto calentamiento y de enfriamien- tangencial ocurre en el punto neutro y que el punto to debe ser lo suficientemente inicial de pandeo no se altera significativamente. Esta lenta para permitir que el fenó- Porciento peso del carbono característica de niveles altos de pandeo, igualando el meno de difusión (carbono) se punto neutro es la base del diseño de aparejos de fon- efectúe. do de este método. Figura 9 Diagrama de equilibrio Fe-C hasta 7% de Carbono: Fe-Fe3C (Líneas continuas) Método de Paslay y Dawson La figura 9 muestra el diagrama Fe-Grafito (líneas discontinuas) de equilibrio Fe-C (para aleacio- nes con un contenido de carbo- Este análisis demuestra que la tubería de perfora- no de hasta 7%) y el diagrama de equilibrio Fe3C. ción pandeable bajo las condiciones establecidas El tratamiento térmico del acero se basa en la exis- Los aceros son aleaciones de hierro, carbono y otros por Lubinski, de hecho no se pandea cuando se tencia de la región de la fase austenita en el sistema elementos. El acero con un porcentaje menor al 2% Figura 87 Componentes básicos de una sarta opera en agujeros con grandes ángulos de inclina- Fe-C. El control de la austenita a otra fase permite 14 91
- 92. Tuberías Tuberías ción o desviación. Tampoco se pandea en pozos Margen para jalar la tubería: 81 ton. donde existen pequeños claros entre la tubería y Tuberías de revestimiento: las paredes del pozo. Información Requerida La base de este análisis parte del hecho de que la fuerza de gravedad atrae a la sarta de perforación · Trayectoria del pozo. hacia el lado inferior del pozo estabilizándola. Esto · Perfiles de geopresiones permite que la tubería de perforación sea usada · Geometría del agujero y diámetros de TR. como peso sobre la barrena, sin que llegue a · Programa de lodos pandearse. Además, cuando existen claros peque- · Especificaciones tubulares ños entre la tubería y las paredes del pozo, se pue- · Pozos correlación. a) Prueba de inspección Funciones: den aplicar cargas de compresión a ésta, sin lle- Rango: 2 3/8’’ a 18 5/8’’ Protección de defecto longitudinales gar a crear esfuerzos de flexión que causen fallas Procedimiento de diseño Detección de defectos transversales Comprobación del grado de acero por fatiga. Medición de espesor (ultrasonido) 1. Definir los eventos a los que se someterá la tube- Este método combina los dos análisis para predecir ría. la estabilidad de la sarta de perforación. Se ha de- sarrollado tomando como variables las cargas críti- · Perforación cas de compresión contra diámetro del pozo y án- Pérdida de circulación gulos, para varios tamaños de tuberías de perfora- Brote ción. El método permite que la tubería de perfora- Desplazamiento con gas ción se usa como peso sobre la barrena en pozos Migración de gas fuertemente desviados. Pruebas Cementación Para el diseño de la TP se realiza un análisis de la , Corrida de Tubería carga axial vs profundidad. Se establece que la re- sistencia a la tensión del cuerpo del tubo sea supe- · Producción b) Corte de extremos y biselado c) Prueba hidrostática rior a la carga axial. Esto proporciona la magnitud Inducción Rango: 4 1/2’’ a 13 3/8’’ Máxima presión de prueba del margen de trabajo para jalar la tubería en caso Cambio de fluidos Taylor Wilson de cabezal 15,000 psi necesario. Fuga en tubería giratorio Rango: 4 1/2’’ a 13 3/8’’ Producción Herramienta de carburo de Registro de presión y tiempo Ejemplo de Diseño de una sarta de perforación Inyección tugsteno (ver figuras 89 a 91) Pruebas Estimulaciones DATOS: 2. Definir condiciones de diseño. Pozo: Prueba 3 Etapa No. 4 · Factores de diseño Agujero: 6" · Criterio de falla Profundidad: 3500m Diámetro de TP: 5" x 4 ½" x 3 ½" 3. Determinar las condiciones de carga para cada Densidad lodo: 2.15 gr/cc evento establecido. PSB: 4 ton. Perforar vertical. · Presión interna · Presión externa d) Inspección de extremos por e) Pesado, medición, estarcido y DISEÑO: · Carga axial partículas magnéticas vía estampado · Flotación húmeda Rango: 4 1/2’’ a 13 3/8’’ · Fricción Longitud máxima: 14.5 m. Aparejo de fondo: 283 m Pendular Registro de peso y longitud · Flexión TP: 3222m Identificación de norma · Fuerzas de choque Grados de Tubería: S-135,G-105,X-95 · Térmicas Punto neutro: 2200m · Peso al aire Figura 8 Flujo del proceso de acabado del tubo 92 13
- 93. Tuberías Tuberías Diseño de Sarta de Perforación Carga axial ( kg ) -50000 0 50000 100000 150000 200000 0 500 1000 Profundidad ( m ) Horno de Revenido 1500 Horno de Austenización 62 toneladas por hora 62 toneladas por hora 22 zonas de calentamiento 2000 9 zonas de calentamiento 3 zonas de homogeneización 3 zonas de homogeneización vigas móviles de 55 espacios 2500 Flotada vigas móviles de 45 espacios pirometros ircon con registro 3000 Aire 60 quemadores a gas natural precisión de temperatura horno +/- 5°C S-135 sistema de computación y regulación computarizados 3500 microestructura uniforme de martensita revenida G-105 4000 Figura 7 Horno de revenido X-95 Control final y embarque: Finalmente, el tubo se CUARTA ETAPA pesa y se mide. Así se tiene toda la información com- INTERVALO DE 2800 a 3500 m. pleta de rastreabilidad del tubo, para ser estarcido, DENSIDAD DE LODO = 2.15 gr/cc. estampado, barnizado y embarcado. TRAM. SECC DIAM LONG GRADO P.AJUST P.AIRE P.FLOT P.ACUM APRIETE RESIST.TENS. pg m kg/m kg kg kg pie/lbs ton En el estarcido se indican los datos del tubo como: 3 1 4 3/4 35 DC 73,8 2584 1844 1844 54000 el diámetro exterior, peso unitario, mandril, lon- 3 2 4 3/4 5,0 ESTAB 73,8 369 263 2107 54000 gitud, pruebas de inspección, manufacturado, nú- 27 3 3.5 243 HW 40,0 9720 6934 9041 21800 238 4 3 1/2 922 T P S135 21,9 20154 14377 23418 12600 161 mero de colada, orden de producción y número 18 4 4 1/2 162 T P G105 28,1 4551 3247 26665 16546 149 de tubo. 102 4 5 2138 T P X95 31,9 68208 48658 75323 19919 156 TOTAL 3505 105586 75323 75323 En la figura 8 se muestra el flujo del proceso de aca- Tina de temple por Inmersión bado del tubo (proceso de pesado, medición, Templado externo e interno estarcido y estampado). PESO SARTA EN EL AIRE = 105586 Kg Máxima longitud del tubo 14.5m PESO SARTA EN EL LODO = 75323 Kg MARGEN PARA JALAR = 81 ton 99% de transformación martensítica El control final es la última inspección detallada del Dureza homogénea a través del espesor tubo, este control puede ser: Control de presión y temperatura de agua Figura 89 Comportamiento axial, pozo prueba 2 × Inspección electromagnética (EMI); consiste en Figura 6 Tratamiento de temple medición longitudinal, rayos gama, inspección transversal y comparador de grado de acero. presión interna del 80% de su capacidad durante × Prueba ultrasónica (UT); consiste en espesor de cinco segundos, de acuerdo con la norma del pared y detección de posibles defectos longitu- API 5CT. dinales, transversales y oblicuos. 12 93
- 94. Tuberías Tuberías Factor de Trabajo Normalizado 4. Aplicar el concepto de carga máxima. Vaciado con boquilla refractaria 0 2 4 6 8 10 Control automático de velocidad 0 · Determinar los diferenciales de presión en cada y nivel en distribuidor y molde caso de carga Control computarizado en enfriamiento Fd=1.6 · Definir los puntos máximos de carga 500 Laboratorio Baumann · Presión de estallamiento Barras redondas 215, 270, 310 y 1000 · Presión de colapso 371 mm · Carga axial Profundidad ( m ) 1500 · Triaxial · Afectar las cargas máximas por los factores de 2000 diseño 2500 5. Selección de tuberías. 3000 · Delimitar materiales por efectos ambien- tales(H2S,CO2), aplicando NACE. 3500 · Determinar grado y peso de tuberías para cum- 7 pases, 15100Kw, 11 motores de C.D. plir las cargas máximas Laminador extractor de 4 pases. 4000 Controlado por MPR, conectados al sistema computarizado de regulación. · Optimizar longitud y costo de las secciones Figura 4 Máquina de colada continua de barras redondas 2 desescamadores en línea. Figura 90Factores de trabajo en sarta del pozo prueba 2 6. Evaluar las tuberías seleccionadas. Desoxidación interior del perforado. Uniformidad del espesor. Tratamiento térmico: Existen tres tipos de tratamien- Baja excentricidad. · Determinar factores de trabajos normalizados tos térmicos: temple, revenido y normalizado. El tra- TP 3 ½” · Verificar : factores normalizados > 1 tamiento térmico de temple y revenido es utilizado Figura 5 Laminado continuo a mandril retenido. Tipo para tuberías de acero C75, L80, N80, TRC95, P110, M.P.M. (Multitand Pipe Mill) 7. Selección de juntas TAC 110, Q125 y TAC140. Prueba de Inspección electromagnética. Se hace con · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de- Temple: El tubo es llevado a un horno. Ahí se au- el equipo AMALOG IV, donde se detectan defectos menta gradualmente la temperatura hasta 860°C, longitudinales y transversales, internos y externos. limitar el número de juntas esto modifica la estructura molecular del acero a Asimismo, se mide el espesor de la pared del cuerpo HW 3 ½” · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de una austenita. Posteriormente, el tubo se sumerge del tubo y se compara el grado de acero. cada tipo de junta súbitamente en agua a temperatura de 40°C, alte- · Determinar factores de trabajo normalizados rando la estructura molecular a una martensita, la Posteriormente se cortan los extremos del tubo y cual es dura y poco dúctil. En la figura 6 se muestra se les maquinan los biseles. Para eliminar la rebaba · Verificar: Factor normalizado > 1 el tratamiento térmico de temple. se sopletea el interior del tubo y se introduce el · Seleccionar la junta considerando su costo calibrador (mandril o drift) a todo lo largo del tubo. Revenido: La tubería es introducida a un horno que DC 4 ¾” 3 8. Revisión final del diseño aumenta gradualmente su temperatura hasta 550°C. Inspección electromagnética método de vía húme- 2 El calor convierte la estructura molecular en una da: Debido a que en los extremos la tubería llevará · Determinar condiciones de carga dinámicas martensita revenida, que es dura y dúctil. Posterior- la mayor carga, ambos extremos del tubo son ins- agc 1 · Determinar el efecto de cambios axiales en las mente es recalibrado y enderezado en caliente. Se peccionados por el método de partículas magnéti- obtiene un producto con bajos esfuerzos residuales. cas para determinar posibles defectos longitudinales tuberías(pandeo, térmico) En la figura 7 se muestra el horno de revenido. y transversales. · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1 agc Normalizado: Es usado para los otros grados de tu- Roscado: Se realiza de acuerdo con las normas 9. Preparación del reporte final bería como: H40, J55, K55, etc. En este tratamiento del API, las cuales son verificadas con calibres es- Dob.C Est 4 ¾” x 6” el tubo es calentado sin llegar a la austenización de trictos. · Diseño de centradores la estructura molecular del acero. Barrena 6 “ · Revisión de la corrida Prueba hidrostática: El tubo se sumerge en una · Diseño del anclaje de TR Acabado del tubo: Se realiza bajo la siguiente se- tina que contiene fluido y se colocan elastómeros · Llenar formato preestablecido cuencia: en ambos extremos del tubo, donde se aplica una Figura 91 Esquema de sarta del pozo prueba 2 · Anexar soportes del diseño 94 11
- 95. Tuberías Tuberías Ejemplo de Diseño de Tubería de Revestimiento. Fuga en el tubing Pérdida de circulación Datos: Jalón de 10000lbf Vel. De Introducción: 3 ft/s Pozo: Prueba 1 Domo salino a 2133-2286, Gs=19.22ppg Diámetro de TR: 9 5/8" Profundidad: 3962.4 m Desviación el pozo: Costa afuera: 137 m de tirante de agua H Inc Azim Estado mecánico: 0.0 0.00 0.00 18 5/8" Conductor Casing 0-609.6 762.0 0.00 0.00 13 3/8" Superficial Casing 0-1645.9 1447.8 45.00 0.00 9 5/8" Producción Casing 0.0-2956.6 3962.4 45.00 0.00 7" Producción Liner 2804-3962.4 Diseño: Factores de diseño: Cima base Diám Peso Grado Axial:1.6 (m) (m) (pg) (lb/p) Estallamiento:1.25 0.0 944.9 9 5/8" 47.00 N-80 Colapso:1.1 944.9 2468.9 9 5/8" 53.50 N-80 Triaxial:1.25Geopresiones 2468.9 2956.6 9 5/8" 58.40 P-110 Eventos de carga: Soporte: Figura 2 Proceso de fabricación de una tubería atmósfera y se procede al perforado. Se obtiene un esbozo cilíndrico. Este proceso es fundamental en la fabri- cación de tuberías sin costura y es lla- mado “Proceso Mannessmann”. Este esbozo se envía al mandril que con- tiene un lubricante (bórax), el cual es introducido al laminador continuo, que pasa a través de siete jaulas y calibradores. Ahí es donde se hace el tubo. Se obtienen longitudes de hasta 30 metros, con diámetro inte- Horno eléctrico de fusión Horno de afinación Vaciado de acero rior y exterior precisos, cumplien- Figura 3 Flujo del proceso de acería do con las tolerancias permitidas API. A la salida del calibrador, el diá- metro y la ovalidad son verificados Laminado: El tocho entra al horno giratorio, que con- por medio de rayo láser y posteriormente el tubo tiene nueve zonas de calentamiento, donde se al- es enviado a las cortadoras para dar el rango so- canzan temperaturas de 1200°C en forma gradual. licitado. Por último, se envía al piso de enfriamien- Al salir del horno, se envía al desescamador para to. En la figura 5 se muestra el proceso de lamina- Figura 93 Trayectoria del pozo prueba 3 Figura 92 Geopresiones del pozo prueba 3 eliminar la oxidación que sufre al contacto con la do continuo a mandril retenido. 10 95
- 96. Tuberías Tuberías nación en el momento del vaciado al distribuidor. El partículas magnéticas húmedas antes de maquinarse distribuidor ha sido diseñado con deflectores espe- las roscas, de acuerdo con las normas API. En el cuar- ciales para evitar turbulencias y la mezcla de la es- to de patrones y calibres, la calibración se programa coria con el acero. para verificar los instrumentos y calibradores de tra- bajo contra los patrones, así como todo el equipo de El laminador continuo a mandril retenido permite inspección, medición y prueba. obtener una precisión dimensional en la tubería que cumple con tolerancias extremadamente estrictas. Para la certificación de cada tubo fabricado dentro En laminación y en la línea de tratamiento térmico de las normas API se realiza un monitoreo de todas los hornos han sido equipados con computadoras las etapas del proceso de fabricación, con la ayuda que con los modelos de cálculo, controlan la de los laboratorios, que son: químico (acería), físi- rastreabilidad y el calentamiento. Para protección co (tensión), metalográfico (estructura del acero) y durante el embarque, manejo y transporte, los tu- prueba de colapso (valor real de colapso). También bos se barnizan y se les instalan sus protectores en TAMSA cuenta con la Norma Internacional ISO 9000. las roscas. En la figura 2 se muestra el proceso de fabricación. Durante el laminado a mandril retenido, se produ- A continuación se detallan los pasos del proceso de cen espesores de pared extremadamente uniformes, la fabricación de tubería sin costura. ésta es una variable ideal para tuberías resistentes al alto colapso, que es verificado a través de un equi- Materia prima: La materia prima usada en la fabri- po de rayos láser que proporciona mediciones rápi- cación de tubería es, básicamente, un 30% de fie- das y precisas. Así se obtiene un producto con tole- rro esponja (fierro natural) y un 70% chatarra. Figura 94 Factores de trabajo para TR en pozo prueba 3 rancias estrictas en el diámetro exterior y baja ovalidad. Acería: Es un proceso que consta de 3 etapas: fu- sión, afinación y vaciado. En la figura 3 se muestra Durante el tratamiento térmico de temple y revenido el flujo de proceso de la acería. se obtienen propiedades mecánicas óptimas en las tuberías resistentes al alto colapso. El temple por Fusión: La materia y ferroaleaciones se calientan inmersión se realiza tanto de modo interno como hasta alcanzar una temperatura cercana a los 1620°C. externo. Esto produce una completa transformación En ese punto, el acero se encuentra en estado líqui- martensítica a través de todo el espesor del cuerpo do, la inyección de argón se realiza por la parte in- del tubo. Durante el revenido se consiguen propie- ferior de la olla de fusión, con la finalidad de homo- dades mecánicas homogéneas y en el enderezado geneizar la composición química del acero. en caliente, se obtienen productos con bajos esfuer- zos residuales. Pruebas de laboratorio han demos- Afinación: Después de realizar el vaciado de la olla de trado que en tuberías con espesores delgados, su fusión a la olla de afinación, con precisión, se realiza resistencia al colapso excede los requerimientos del la afinación del acero mediante la adición de aleacio- API de aceros equivalentes, en aproximadamente nes Así se obtiene el grado de acero requerido. un 30 por ciento. Vaciado: Posteriormente, el acero de la olla de afi- Después del tratamiento térmico, se prueba en lí- nación es llevado y vaciado al distribuidor para ob- nea la dureza de la tubería. El equipo de inspección tener la colada continua. electromagnético verifica cada tubo a través de cua- tro funciones, buscando posibles defectos longitu- Colada continua: El distribuidor de la colada continua dinales y transversales, así como el espesor y gra- ha sido diseñado con deflectores especiales que evi- do de acero. tan la turbulencia, con el propósito de obtener barras de sección redonda, que finalmente son cortadas en Todos los productos tubulares se verifican con el paso secciones de longitud conocida, dependiendo del diá- Figura 95 Diseño de TR al colapso, pozo prueba 3 del mandril (drift) y se prueban hidráulicamente. Tam- metro de la tubería que se fabricará. Esta sección de bién se cuenta con equipo de verificación de ultraso- acero es comúnmente llamada “tocho”. En la figura 4 nido. Los extremos se inspeccionan por el método de se muestran las barras redondas. 96 9
- 97. Tuberías Tuberías 9 5/8 32.30 H-40 8.845 9.001 1370 365 36.00 K-55 8.765 8.921 2020 564 53.50 P-110 8.379 8.535 7950 1710 10 ¾ 32.75 H-40 10.036 10.192 840 367 51.00 C-90 9.694 9.850 3400 1310 65.70 P-110 9.404 9.560 7500 2088 11 ¾ 60.00 C-75 10.616 10.772 3070 1298 60.00 L-80 10.616 10.772 3180 1384 60.00 C-90 10.616 10.772 3180 1384 13 3/8 72.00 G-90 12.191 12.347 2780 1869 72.00 C-95 12.191 12.347 2820 1973 72.00 P-110 12.191 12.347 2890 2284 16 65.00 H-40 15.062 15.250 630 736 75.00 J-55 14.936 15.124 1020 1178 84.00 K-55 14.822 15.010 1410 1326 18 5/8 87.50 H-40 17.567 17.775 630 994 87.50 J-55 17.567 17.775 630 1367 87.50 K-55 17.567 17.775 630 1367 20 94.00 H-40 18.936 19.124 520 1077 94.00 J-55 18.936 19.124 520 1480 133.00 K-55 18.542 18.730 1490 2125 TAMSA es la compañía mexicana productora de tu- cuenta con el sistema EBT y consiste en el vaciado Figura 96 Diseño de TR por carga axial, pozo prueba 3 berías sin costura que satisface la demanda de excéntrico en el fondo de la olla. Así se ayuda a evi- tubulares para Petróleos Mexicanos. Todos sus pro- tar la oxidación del acero durante el vaciado, por lo cesos de fabricación están totalmente automatiza- que en la olla de fusión quedarán 20 toneladas de dos. Su programa de aseguramiento de calidad pro- acero con escoria, para obtener acero de alta cali- vee rastreabilidad completa desde el número de co- dad. En los hornos, la composición química se lada original, de tal manera, que un cliente puede monitorea por computadoras para ajustar automáti- obtener información actualizada de su pedido en camente la carga de ferroaleaciones. cualquier momento. El proceso que a continuación se describe es aplicado en esta compañía. En el horno de afinación, la computadora calcula la adición de ferroaleaciones y por medio de micropro- En 1987 esta empresa construyó una nueva acería, cesadores, se controla automáticamente la tempe- en la cual se producen 700,000 toneladas métricas ratura y otras variables. Al mismo tiempo, es inyec- de acero anualmente. Fabrica tubos sin costura de tado gas argón para homogeneizar la composición hasta 14 pulgadas de diámetro exterior en el química del acero. El tratamiento con calcio silicio laminador continuo. La acería cuenta con sistemas se utiliza para controlar la forma de las inclusiones. que permiten un alto control de los procesos de fu- Los elementos microaleantes son dosificados por la sión, afinación y colada continua de barras de sec- adición de alambre. Esto permite una gran preci- ción redonda. Produce acero limpio en una amplia sión en la composición química del acero; la cual es variedad de composiciones químicas. analizada a través del espectómetro. Durante la afi- nación del acero, la computadora calcula en función La producción de tubería se realiza mediante acero de los nuevos análisis, y proporciona la información de calidad por fusión de fierro esponja y chatarra para adicionar la cantidad de ferroaleaciones reque- seleccionada en un horno eléctrico de 170 tonela- ridas y obtener la composición química deseada. das por colada, capaz de fundir a un tiempo prome- dio de 105 minutos. El fierro esponja (casi fierro Durante el proceso de la colada continua, se evita Figura 97 Diseño de TR por estallamiento, pozo prueba 3 puro), resulta limpio con bajos contenidos de ele- que la olla del acero deseado tenga contacto con la mentos residuales en el acero. En este horno se atmósfera. Así se evitan la oxidación y la contami- 8 97
- 98. Tuberías Tuberías Tabla 1 Características geométricas y mecánicas de la tubería de perforación Diámetro Peso Clase Grado Tensión Torsión Resistencia nominal nominal *( lbf) (ft-lbf) al Colapso (pg) (lb/pie) (psi) 2 3/8 4.85 I E75 98000 4760 10500 II G105 151000 5810 11763 Premium X95 136000 6090 12155 3½ 13.30 I G105 452000 29520 13344 II S135 382000 22160 13721 Premium E75 153000 11090 8703 4 14.00 I X95 361000 29500 13721 II S135 404000 27740 15592 Premium G105 314000 25420 13866 4½ 20.00 I E75 412000 36900 12546 II S135 581000 44030 18058 Premium G105 452000 40160 16042 5 19.50 I X95 501000 52140 12039 II X95 395000 34460 9631 Premium S135 561000 58110 15636 5½ 24.70 I S135 895000 101830 17626 II G105 548000 52370 11096 Premium E75 391000 44320 9051 Figura 98 Comportamiento de esfuerzo triaxial en diseño de TR del pozo prueba 3 6 5/8 25.20 I E75 489000 70580 6542 * lbf = libras fuerza Tabla 2 Características geométricas y mecánicas de la tubería de revestimiento y tubería de producción Diámetro Peso Grado Diámetro Diámetro Resistencia Tensión nominal nominal Drift Interior al Colapso (1000 lbf) (pg) (lbf/ ft) (pg) (pg) (psi) 4½ 9.50 H-40 3.965 4.090 2760 111 11.60 K-55 3.875 4.052 4010 165 15.10 P-110 3.701 3.826 14350 485 5 11.50 J-55 4.435 4.560 3060 182 15.00 N-80 4.283 4.408 7250 350 24.10 P-110 3.875 4.000 19800 778 5½ 14.00 J-55 4.887 5.012 3120 222 17.00 K-55 4.767 4.892 4910 273 20.00 P-110 4.653 4.778 11100 641 6 5/8 20.00 H-40 5.924 6.049 2520 229 24.00 C-90 5.796 5.921 6140 624 24.00 P-110 5.796 5.921 6730 763 7 17.00 H-40 6.413 6.538 1420 196 23.00 L-80 6.241 6.366 3830 532 35.00 P-110 5.879 6.004 13020 1119 7 5/8 47.10 N-80 6.250 6.375 12040 1100 26.40 C-95 6.844 6.969 3710 714 29.70 P-110 6.750 6.875 5350 940 Figura 99 Comportamiento axial en diseño de TR para el pozo prueba 3 8 5/8 24.00 K-55 7.972 8.097 1370 381 36.00 L-80 7.700 7.825 4100 827 49.00 P-110 7.386 7.511 10750 1553 98 7
- 99. Tuberías Tuberías Complemento (TIE-BACK): Es una sarta de tubería A continuación, se presentan algunos datos ca- VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO La tabla 6 muestra las características de algunos que proporciona integridad al pozo desde la cima racterísticos de las tuberías utilizadas para la per- DE TUBERÍAS programas de cómputo que se utilizan para reali- de la tubería corta hasta la superficie. Es un refuer- foración de un pozo. zar el diseño de tubulares. Básicamente consis- zo para la tubería de explotación. Si se tienen altas Los grandes avances tecnológicos alcanzados en los ten en aplicaciones de software que se utilizan en presiones protege de los fluidos corrosivos y Tubería de perforación últimos 15 años por la tecnología en materia infor- los equipos denominados PC, y que tienen un ob- refuerza la tubería de explotación en caso de que se Los datos principales que deben conocerse sobre mática (hardware y software), ha hecho posible la jetivo específico cada uno de ellos. Sus ventajas presenten daños. Puede cementarse parcialmente. las tuberías de perforación son los siguientes: diá- generación de herramientas de cálculo orientadas y desventajas mostradas permite diagnosticar el metro nominal, peso nominal, clase, grado, resis- para el diseño y análisis de las diferentes aplicacio- potencial de uso de cada uno de ellos para fines Complemento corto (STUB): Es una sarta de tu- tencia a la tensión, colapso y torsión. nes que nos ocupan en el ámbito de la ingeniería de diseño de tuberías. bería que funciona igual que el complemento. Pro- La clase de tubo, se refiere al grado de usabilidad de perforación. Canalizadas en forma apropiada es- porciona integridad por presión para extender la que ha tenido el tubo. El API divide las tuberías en tas herramientas de cálculo, deben ser una fuente cima de la tubería corta. Puede cementarse par- clase I (tubería nueva), II, III y Premium. Un ejemplo inmejorable de entendimiento y mejoría constante cialmente. de estas características se muestra en la tabla 1. de la práctica de la ingeniería de perforación. Sin embargo, son un arma de dos filos: en la carrera Sin tubería de produccion (TUBINGLESS): Es una Tuberías de revestimiento (TRs) y producción (TPs) por automatizar los cálculos y finalmente los dise- tubería de explotación que se extiende hasta la su- Las características principales a observar en las tu- ños, se cae en la situación de desligarnos del cono- perficie y se utiliza como tubería de producción para berías de revestimiento y tuberías de producción cimiento básico de las cosas. Pero por otro lado, y explotar los hidrocarburos. son: diámetro nominal, peso nominal, grado, drift, benéfico, contamos con la "panacea" que nos re- resistencia a la tensión, resistencia al colapso y re- suelve los problemas de diseño. La figura 1 muestra un esquema que representa la sistencia al estallamiento. Un ejemplo de estos da- forma como se colocan las tuberías de revestimien- tos se muestra en la tabla 2. Dentro del desarrollo de tecnología de software y to en el interior de un pozo. con aplicación al diseño de tuberías, existe una Para obtener datos más gran variedad de programas de cómputo de dife- TUBERÍA COMPLEMENTO SIN APAREJO completos sobre las con- rentes casas fabricantes. Los hay desde simples TUBERÍA DE TUBERÍA COMPLEMENTO CORTO DE PRODUCCIÓN diciones geométricas y propuestas de cálculo para evaluar la resistencia REVESTIMIENTO CORTA ( LINER ) ( TIE-BACK ) ( STUB ) ( TUBINGLESS ) de las tuberías, pasando por incipientes progra- mecánicas y con mayor detalle de las tuberías con- mas de diseño, que cuentan con toda una meto- sultar las referencias 1, 2, dología y grandes simuladores para evaluar cual- 3, y 4. quier condición de carga de presión y temperatu- ra. Hasta llegan tener sistemas expertos, que aho- Proceso de fabricación ra se comercializan para el diseño de tuberías de revestimiento. Debido a la importancia de la tubería de acero en la Aun cuando se ha alcanzado un grado de madurez en perforación de pozos pe- materia de diseño tubular y logrado un avance acele- troleros, la fabricación rado en materia de software, los programas de cálcu- debe contar con caracte- lo actuales realmente NO están preparados para reali- rísticas de calidad extre- zar un diseño. Son realmente excelentes herramien- ma, acordes a los riesgos tas de cálculo que nos permiten efectuar con mayor y necesidades manejados rapidez y precisión los cálculos y presentaciones grá- en la Industria Petrolera. ficas para analizar los mejores resultados. Carecen de ese sentido común que debe aplicarse con criterio y Existen tres procesos de decisión, y que finalmente, hace la diferencia respec- fabricación de tuberías: el to a un verdadero programa de diseño. Por tal razón, Figura 1 Esquemas representativos del uso de las tuberías de revestimiento proceso sin costura, el debemos ser precavidos con el uso de los programas proceso con soldadura de cómputo o herramientas de software, porque no eléctrica-resistencia y el debemos esperar que estos resuelvan el problema de Datos de tuberías proceso de soldadura eléctrica instantánea (flash). diseño tubular. El problema de diseño en sí, todavía El proceso más utilizado para suministrar la deman- mantiene muchas situaciones de criterio, y el único Los tubos utilizados en la industria petrolera de- da de tuberías dentro del ámbito de perforación (diá- que puede replantearlas es precisamente, el ingenie- ben cumplir con ciertas características metros desde 20” o menores) es sin lugar a dudas ro de perforación, nadie más. geométricas y mecánicas dependiendo de su uso. la fabricación de tubería sin costura. 6 99
- 100. Tuberías Tuberías Otros tubulares de circulación del lodo de perforación. Es la de ma- yor diámetro que se utiliza en el pozo, pues a través Los elementos tubulares utilizados en las diferentes de ella pasan todas las tuberías de revestimiento funciones mencionadas anteriormente pueden pre- que se utilizan. En el mar, es la primera tubería que sentar variaciones catalogadas como otros elemen- se extiende desde la plataforma hasta abajo del le- tos tubulares muy específicos. En su mayoría, se cho marino (mudline). Tabla 6 Software utilizado para diseño de tuberías presentan para la actividad de perforación. Sin em- bargo, su muy particular aplicación los hace de in- Superficial: Es la tubería que sirve para aislar los Software Compañía terés para mencionarlos: acuíferos subsuperficiales o someros, así como StressCheck Enertech-Landmark manifestaciones de gas someros. Provee equipo WellCat Enertech-Landmark Tuberías flexibles de flotación, que permita realizar una buena DistrW Instituto Mexicano del Petróleo cementación para continuar la perforación den- Casing2 Maurer Engineering Inc. Son conductos tubulares de gran longitud y flexibi- tro de una zona de transición de alta presión. En Camax Pemex División Sur lidad que no requieren utilizar conexión o junta para pozos desviados, la superficie de la tubería debe conformar todo un tren o sarta de tuberías. Es decir, cubrir toda la sección construida para prevenir de- la tubería es continua, a diferencia de las tuberías rrumbes de la formación durante la perforación CARACTERISTICA StressCheck WellCat DistrW Casing2 Camax convencionales que requieren un elemento conector profunda. Esta sarta es cementada típicamente Modelo API para unir tubo por tubo y lograr contar con una lon- hasta la superficie o lecho marino (mudline) y sos- Modelo Biaxial gitud apropiada para el trabajo a realizar. La tubería tiene las conexiones superficiales de control defi- Modelo Triaxial flexible es de dimensiones geométricas esbeltas nitivas. (< 3 ½” de diámetro), aunque actualmente existen Pozos desviados de grandes dimensiones (7” de diámetro) y la ma- Intermedia: Es la tubería que aísla zonas inesta- Flexión yoría de las veces se utiliza como tubería de trabajo bles del agujero, zonas con pérdida de circulación Domo Salinos en procesos de recuperación avanzada durante la de baja presión y zonas de producción. Se utiliza Temperatura/cedencia vida productiva del pozo. en la zona de transición de presión normal a pre- Slección gráfica sión anormal. La cima del cemento de esta tube- Selección matemática Lastrabarrenas (drill collars) ría debe aislar cualquier zona de hidrocarburo. Selección por usuario Algunos pozos requieren de múltiples sartas in- Datos de Juntas Los elementos tubulares denominados lastrabarrenas termedias. Datos de Tuberías son tuberías utilizadas para auxiliar a la tubería de per- Modelo API de Juntas foración a dar peso a la barrena durante las operacio- De explotación: Es la tubería que aísla zonas de Juntas premium nes de perforación. producción y debe soportar la máxima presión de Efectos axiales fondo de la formación productora, tener resisten- Carga máxima Tubería pesada (heavy weigth) cia a la corrosión así como resistir las presiones Service life que se manejarán en caso de que el pozo se frac- Análisis de pandeo La tubería pesada (“heavy-weigth”) se compone de ture para aumentar su productividad, el bombeo Diseño de centradores elementos tubulares de grandes dimensiones mecánico (gas lift), la inyección de inhibidores Diseño de anclaje geométricas (espesor) que se utilizan como auxiliar de aceite. El buen trabajo de cementación prima- entre la tubería de perforación y los lastrabarrenas. ria es crítico para esta sarta. Diseño de corrida Con esto se evita la fatiga de los tubos durante la Análisis axial perforación. Existen tuberías de revestimiento que por su condi- Modelos de flujo hidráulico ción y objetivo de colocación pueden definirse Modelos de flujo multifásico Clasificación por función como: Modelos de Temperatura Modelo de Torque y arrastre Las tuberías de revestimiento se clasifican por la fun- Tubería corta (liners): Es una sarta de tubería que Modelo de Corrosión ción que desempeñan al colocarse en el interior de no se extiende a la cabeza del pozo. En cambio, se un pozo, esto es: sostiene por otra sarta. La tubería corta se usa para reducir costos y mejorar la hidráulica durante per- Conductora: Es la primera tubería de revestimiento foraciones profundas. La tubería corta puede ser que puede ser hincada o cementada; sirve para sen- usada tanto en la sarta intermedia como en la de tar el primer cabezal en el cual se instalan las co- explotación. La tubería corta es cementada típica- nexiones superficiales de control y las conexiones mente a lo largo de toda su longitud. 100 5
- 101. Tuberías Tuberías Acero tubería. Es decir, la función de operación que Referencias debe cumplir, para ello, las tuberías se clasifi- 11. J.J. Maney y c.a. Strozier, "High-Temperature El acero es un metal refinado. Se obtiene a partir de can como: 1. "Halliburton Cementing Tables", Printed in USA Performance of Rotary-Shoyldered Connections", la fundición de un lingote de hierro combinado al 2XJ, Little's- Duncan, Okla, 1999. documento SPE 19554 presentado en 1989 en el 64º mismo tiempo con otros elementos químicos. Tuberías de revestimiento Annual Technical Confererence y Exhibition of the 2. "Productos Tubulares de Acero sin Costura", Tu- SPE, en San antonio, Tx, Octubre 8-11, 1989. Los aceros se dividen en ordinarios y especiales. Son tuberías que constituyen el medio con el cual bos de Acero de México, S.A. 1998. Los aceros ordinarios contienen tres elementos prin- se reviste el agujero que se va perforando. Con 12. Y. W Know y E.F. Klementich, "An Efficent and cipales: hierro, carbono y manganeso. El carbono y ello se asegura el éxito de las operaciones lleva- 3. "Formulaire du Foreur" Gilles Gabolde, Jean Paul Accurate Model for the Structural Analysis of el manganeso reunidos no representan más del das a cabo durante las etapas de perforación y Nguyen, Sexta Edición IFP Editorial Technip 1989. , Threaded Tubular Connections", documento SPE 1.5% del metal. Los aceros ordinarios con el 0.1 a terminación del pozo. 18057 presentado en 1988 en el 63º Annual Technical 1.5% de carbono se clasifican como aceros de bajo 4. "Applied Drilling Engineering", Bourgoyne, Millheim, Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, contenido de carbono. Los aceros especiales se El objetivo de las tuberías de revestimiento es pro- Chenevert, Young., Second Printing, Society of Octubre 2-5, 1998. hacen como los ordinarios, pero se les agregan otros teger las zonas perforadas y aislar las zonas proble- Petroleum Engineers, Richardson, TX; 1991. elementos tales como: níquel, cromo, molibdeno, máticas que se presentan durante la perforación. Tal 13. M. F. Hainey, "Makeup Torques for API-Type cobre, vanadio y tungsteno. es el caso de revestir el agujero para mantener la 5. J.A. Bednarski y E.F. Flementich; "Focused Round Thread Casing Connections With Non-API estabilidad del mismo, prevenir contaminaciones, Acceptance Testing: A Logical Approach for Qualifying Weights, Grades, and Coupling Diameters", docu- Tanto los aceros al carbono como los especiales aislar los fluidos de las formaciones productoras, Critical Service Conections", documento IADC/SPE mento SPE 15517 presentado en 1986 en el 61º (aceros inoxidables, aceros resistentes a la corro- controlar las presiones durante la perforación y en 14728 presentado en 1986 IADC/SPE Drilling Annual Technical Conference y Exhibition of the SPE, sión y a las altas temperaturas), se producen en la vida productiva del pozo. Conference en Dallas, Tx, Febrero 10-12, 1986. en New Orlans, LA, Octubre 5-8, 1986. hornos eléctricos. Además, las tuberías de revestimiento proporcio- 6. Rick Johnson, Michael J. Jellison y Erich F. 14. G.M. Armstrong, and T.M. Wadworth; "Failure Otros materiales tubulares nan el medio para instalar las conexiones superfi- Klementich; "Triaxial-Load-capacity Diagrams Prevention by Selection and Analysis of Drillstem ciales de control (cabezales, BOPs), los empacadores provide a New Approach to Casing and Tubing Connections", documento SPE/IADC 16075 presen- La fabricación de tuberías se ha diversificado y extendi- y la tubería de producción. desing Analysis", artículo de la SPE drilling tado en 1987 SPE/IADC Drilling Conference en do para satisfacer la demanda de las diferentes in- Engineering, (Septiembre 1987) páginas 268-274. New Orlans, LA, Marzo 15-18, 1987. dustrias que las utilizan como insumo. Es por ello que Tuberías de producción en la actualidad obtenemos tuberías con diferentes 7. K.K. Biegler, Exxon Co. USA y C.W. Petersen, "Rating 15. Mac Thomas y J.E. Smith; "Box OD Stability of calidades en los materiales que la componen. Tal es el Las tuberías de producción son el elemento Tubular connections for Today?s service Double Shoulder Tool Joints at Catastrophic Failure", caso de: tuberías de aluminio, tuberías de fibra de vi- tubular a través del cual se conducen hasta la su- Requirements", documento SPE 12205 presentado en documento SPE/IADC 35035 presentado en 1996 drio, tuberías de plástico, etc. Cada una de ellas tie- perficie los fluidos producidos de un pozo, o bien, el 58º Annual Technical Conference and Exhibition of SPE/IADC Drilling Conference en New Orlans, ne aplicaciones específicas y limitadas por las condi- los fluidos inyectados de la superficie hasta el ya- the SPE, en San Francisco, Octubre 5-8, 1983. Louisiana, Marzo 12-15, 1996. ciones del material y de su respuesta en su manejo. cimiento. 8. L.B. Hilbert Jr. Y I.A. Kalil, "Evaluation of 16. Eiji Tsuru, Kazushi Maruyama, Ryuichi Inowaki Tipos de tuberías Tuberías de perforación Premium threaded Connections Using Finite- y Tetsuro Tochikawa; "Allowable Torque of Tubular element Anaylis and Full-Scale Testing", Documen- Connection Under Simulated Running and Working El uso de tuberías en un pozo es de vital importan- Las tuberías de perforación son los elementos to IADC/SPE 23904 presentado en 1992 IADC/SPE Conditions", documento SPE/IADC29353 presenta- cia. Constituyen el medio por el cual garantizan el tubulares utilizados para llevar a cabo los trabajos Drilling Conference en New Orlans, Louisiana, do en 1995 SPE/IADC Drilling Conference en control del mismo y se aseguran las instalaciones durante la operación de la perforación. Generalmente Febrero 19-21, 1992.9. M.L. Paynes, H.L. Davis y Amsterdam, Febrero 28, Marzo2, 1995. para el mejor aprovechamiento y mantenimiento del se les conoce como tuberías de trabajo, porque es- P Pattillo, "Joint Industry Qualification Test program .d. pozo. Con el fin de entrar en materia, es importante tán expuestas a múltiples esfuerzos durante las ope- for High-Clearance Casing Connections", docu- 17. Bruce D. Craig; "Evaluation and Application Of mencionar que dentro de la ingeniería de perfora- raciones de perforación del pozo. mento IADC/SPE 21908 presentado en 1991 IADC/ Highly Alloyed Materials for Corrosive Oil Production", ción las tuberías juegan un papel fundamental y SPE Drilling Conference en Amsterdam, Marzo 11- artículo de american Society for Metals (Junio 1983) cumplen diversas funciones. Por ello, se ha mane- Ductos (tubería de línea) 14, 1991. páginas 351-362. jado una clasificación tanto por su objetivo como por la función que deben cumplir al ser utilizadas Se le conoce como ducto al elemento tubular (co- 10. G.F. Reynolds y P.d. Summurfield, "A New 18. Hart's petroleum Engineer International; "1995 en el interior de un pozo. nocido como tubería de línea) utilizado para condu- approach to the Desing of Threaded connections", Tubing Guide" Junio 1995 Hart's Publications Inc. cir los fluidos producidos del pozo hacia los centros documento SPE 21739 presentado en 1991 en la Clasificación por objetivo de recolección, separadores, compresores o tan- Production Operations Symposium en la Ciudad de 19. Grand Duncan; "Enhanced recovery enginering", ques de almacenamiento. Son conductos que se co- Oklahoma, Abril 7-9, 1991. World Oil, (Mayo 1995), Páginas 77-87. Una clasificación preliminar, pero importante, es nectan en la superficie a partir del cabezal o árbol la que permite definir en qué se va a utilizar la de válvulas del pozo. 4 101
- 102. Tuberías Tuberías 20. T. Xu, R.G. Bea, R. Ramos, O. Valle y V. Valdes; "Uncertainties in the Fatigue Lives of tubular Joints", With a Finite-Element Method", SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), páginas 103-106. Tuberías documento OTC 10848 presentado en 1999 por el. Offshore Technology Conference en Houston, Texas, 29. K.K. Biegler, "Concluions Based on Laboratory Mayo 3-6 1999. Tests of Tubing and Casing Connections", documen- to SPE 13067 presentado en 1984 SPE 50º Annual 21. H. Ramos y D. Hernández; "Colapso en Tuberías Technical Conference and Exhibition en Houson, de Revestimiento y de Producción", Horizonte Tec- Texas, Septiembre 16-19, 1984. nológico, Octubre-Diciembre 1998. 30. R:M: Hackney, ¡A New Approach to Casing 22. R.A. Sukup y V.C. Estes; "How new tools were Desing for Salt Formations", documento SPE/IADC INTRODUCCIÓN used to repair HPHT sour gas producer", World Oil, 13431 presentado en 1985 en la SPE/IADC Drilling Básicamente el diseño de tuberías se fundamenta Julio 1994, páginas 37-42. Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 6-8, Este capítulo presenta los elementos conceptuales re- en dos factores principales: el conocimiento del ma- 1985. lacionados con las tuberías utilizadas en los pozos pe- terial (capacidad de resistencia) y el conocimiento 23. Yukihisa Kuriyama y Toshitaro Mimaki; "A New troleros, a fin de propiciar el mejor aprovechamiento de las condiciones de esfuerzos (cargas) a los que Formula for Elosto-Plastic Collapse Strength of Thick- 31. J.A. Issa y D.S. Crawford, "An Improved Desing sobre las mismas y fortalecer la práctica de la ingenie- van a estar sujetas las tuberías. El primer factor abar- Walled Casing", documento SPE 28327 presentado Equiation for Tubular collapse", documento SPE ría de perforación. Fundamenta técnicamente el dise- ca desde su fabricación hasta el desempeño mecá- en 1994 en la SPE 69º Annual Technical Conference 26317 presentado en 1993 en el 68º Annual technical ño (o selección) de las diferentes tuberías utilizadas. nico. Es la base para reconocer la capacidad de una and Exhibition en New Orleans, LA, Septiembre 25- Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, tubería. El segundo factor significa el conocimiento 28, 1994. Octubre 3-6, 1993. Como parte de los insumos que demanda un pozo, teórico y experimental necesario para ser capaces las tuberías representan un alto porcentaje en el cos- de predecir las condiciones de trabajo o de carga 24. A.S. Halal y R.F Mitchell, "Casing Desing for Trapped . 32. W.T. Jones y N. Dharma; "Standarisation of to del mismo. Se tienen estimaciones generales de que se presentarán en un pozo y en consecuencia, Annular Pressure Buildup", documento SPE Drilling Tubuluar Goods for Wowldwide Application", docu- que varía del 15 al 30% de la inversión total. Por lo que soporte una tubería. and Completion, Junio 1994. Páginas 107-114. mento SPE 25328, presentado en la SPE Asian Pacific tanto, es importante considerar el costo de las tu- Oil and Gas Conference, en Singapore, Febrero 8- berías. El tema merece atención especial. Por lo anterior, el material se ha dividido en tres A. MacEachran, y A.J. Adams; "Impact on Casing 10, 1993. partes: en la primera se presenta todo lo relacio- Desing of Thermal Expansion of Fluids in Confined Las bases de todo proceso de ingeniería recaen en nado con el material “tubo”. Es decir, su proceso Annuli" documento SPE/IADC 21911, presentado en 33. F Klementich y Michael J.Jellison; "Service-Life . los fundamentos técnicos. Sin embargo, se requie- de fabricación, las propiedades mecánicas, y la 1991 SPE/IADC Drilling Conference en Amsterdam, Model for Casing Strings", SPE, Abril 1986, páginas re observar sistemáticamente la disminución de los forma de evaluar su capacidad de resistencia. En Marzo 11-14, 1991. 141-152. costos asociados en cada proceso. Por lo que en la una segunda parte se presentan las diferentes al- práctica de la ingeniería de perforación, se deben ternativas para determinar las distintas condicio- 25. L.D. Keilty y H. Rabia, "Applying Quantitative Risk 34. J.F. Greenip Jr. "How to Desing Casing Strings definir y optimizar los materiales tubulares que de- nes de carga. Se inicia por la definición de las Assessment to Casing Desing", documento IADC/ For Horizontal Wells" 1989 petroleum Engineer ben utilizarse en un pozo. cargas y se termina por definir la forma de eva- SPE 35038 presentado en 1996 IADC/SPE Drilling International, Houston, Texas, Diciembre 1989, pá- luarlas. En una tercera parte, se presentan las téc- Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 12- ginas 34-38. El diseño de un pozo requiere la aplicación y cono- nicas de selección de los materiales, criterios y 15, 1996. cimiento de una diversidad de técnicas y procedi- metodologías de diseño. 35. I.S. Meghani; "Calculating leak performance for mientos. Éstos, bien aplicados y orientados con la 26. Marshall, H. Asahi y M. Ueno; "Revised Casing- API casing connections" 1984 String Desing premisa de minimizar costos, conducen a definir las I. CONCEPTOS GENERALES Desing Crieteria for Exploration Wells Containing Seminary-by-Mail, Hydriil; World Oil, Junio 1984. especificaciones de los materiales y parámetros de H2S" SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), operación óptimos para aplicar en un pozo. Como ¿ Qué es una tubería? páginas 115-118. 36. API Spec 5AX, "High-Strength, Casing, Tubing parte de este proceso, el diseño de las tuberías es Una tubería es un elemento cilíndrico hueco com- and Drill Pipe", american Petroleum Institute, Was- una actividad que debe ser recurrente en la práctica puesto generalmente de acero, con una geometría 27. Yukihisa Kuriyama, T. Mimaki y Tetsuo hington, D.C- Tenth Edition, Marzo 1976. de ingeniería de perforación. Cada pozo presenta definida por el diámetro y el espesor del cuerpo que Yonezawa; "Effect of Wear and Bending on Casing un comportamiento diferente para su operación y lo conforma. Para fines prácticos, se define median- Collapse Strength", documento SPE 24597 presen- A. Baryshnikov, A. Caderoni, A. Ligrone y P Ferrara, . construcción. te una geometría homogénea e idealizada. Es decir, tado en 1992 SPE 67º Annual Technical "A New Approach to the Analysis of Drillstring Fati- un diámetro nominal y un espesor nominal cons- Conference and Exhibition en Washington, DC, gue Behavior", documento SPE Drilling and El material expuesto en este libro incluye los tec- tante en toda su longitud. Sin embargo, la realidad Octubre 4-7, 1992. completion, Junio 1997. Páginas 77-84. nicismos más usuales que deben incorporarse es que no existe una tubería perfecta geomé- en el proceso de diseño de tuberías. La idea es tricamente. Adolecen de ciertas imperfecciones que 28. Freda Akgun, Bill J. Mitchell y H-Peter Huttelmaire; 37. A.P Vorenkamp; "A Theory of Resultant Burst .A. mejorar y consolidar la práctica de ingeniería de serán tratadas más adelante, como la ovalidad y la "API Tubular Ovality and Stresses in Horizontal Wells Loads for Designing Production Casing: Principally perforación entre los estudiantes. excentricidad. 102 3
- 103. Tuberías Tuberías in Agnormally Pressured Wells", documento IADC/ SPE 17178 presentado en 1988 IADC/SPE Drilling III. CONDICIONES DE CARGA 55 Conference en Dallas, Tx, Febrero 28, Marzo 2, 1988. Eventos de carga 56 38. H. Ramos y D. Hernández; "Investigación del fe- Cargas de presión 57 nómeno de colapso en tuberías de revestimiento y de producción", Villahermosa, Tab, Agosto 1999. Perfiles de presión externa 58 Perfiles de presión interna 59 39. Sandvik Stell; "Sandvik Steel Corrosion Handbook Cargas axiales 61 Stainless Steels", Suiza 1994. Cargas no axiales (formaciones plásticas) 64 40. H. Kinsel, T. Koithan y B. Lirette; "A new Approach Cargas triaxiales 64 to Calculate the Optimum Placement of Centralizers, Efectos axiales 64 includes toque and Drag Predicions", documento Corrosión 69 IADC/SPE 36382, presentado 1996 IADC/SPE Asia Condiciones iniciales de carga 70 Pacific Drilling Technology Conference en Kaula Malasia, Septiembre 9-11, 1996. IV. SELECCIÓN DE TUBULARES 73 41. Applied Drilling Enginering, SPE Text Book Series, Vol 2.0, Bourgoyne, Adam T, 1991. Métodos de selección 74 42. Beggs; "Production Optimization", Using NODAL Selección de juntas 75 Analysis, H.D. 1991. Selección hidráulica de tubería de producción 76 Análisis de torque y arrastre 81 43. Effect of wear and Bending on Casing Collapse Ancalado de TR 82 Strength, Kuriyama, Y.T., 1992. Centradores de tuberías de revestimiento 83 44. Minimum Cost Casing Design, Halal, A.S. SPE 36448, 1994. V. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO MECÁNICO 85 45. Economides, Watters, dunn Norman "Petroleum Well Construction", John Wiley, 1998. Tubería de producción 85 Procedimiento de diseño 85 46. Benito Ortiz Sánchez, "Diseño de aparejos de Eventos de carga 86 Producción por Metalurgia", División de Estudios de Diseño de sartas de perforación 88 Posgrado, Facultad de Ingeniería UNAM. Octubre 1991. Los aparejos de fondo convencionales 90 Método de flotación de Lubinski 90 47. Fitzgerald; "Mecánica de Materiales", Edición Método de Paslay y Dawson 91 revisada, Editorial Alfaomega. Ejemplo de diseño de una sarta de perforación 92 48. Bruce D. Craig "Saour-Gas Design Considerations", VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO DE TUBERÍAS 99 Monograph Volume 15, SPE, Henry L. Doherty Memo- rial Fund of AIME Series, Richardson Texas, Primera Edi- ción 1993. REFERENCIAS 101 2 103