6. DISEÑO DE SARTA DE PERFORACIÓN
6.3 ANÁLISIS DE ESFUERZOS A QUE SOMETEN LAS TUBERÍAS
El Instituto Americano del Petróleo (API) tiene establecido que para el diseño de sartas de trabajo sean considerados los tres esfuerzos principales a que son sometidas:
a. Por Tensión b. Por Colapso c. Por Torsión
Es importante señalar que para el diseño se aplicará el método gráfico, el cual está basado en ecuaciones matemáticas que serán expuestas en el tema 6.4. A continuación se detallan cada uno de los esfuerzos, exponiéndose
inicialmente algunos conceptos generales. a. Tensión
Una sarta de trabajo al estar suspendida verticalmente, sufrirá un esfuerzo axial llamado tensión, producto de su propio peso. Cada junta debe soportar el peso de la sarta suspendida en ella.
El valor de este esfuerzo varía de cero en el punto neutro hasta un máximo en el punto de apoyo, es decir en la superficie.
Si la tubería estuviera suspendida en el aire soportaría todo su peso muerto. Si está sumergida en el fluido, disminuye su peso por efecto del empuje del empuje en función de la densidad del fluido; cambiando los esfuerzos de tensión a compresión a partir del punto neutro, como se aprecia en la figura 6.3
6. Diseño de sarta de perforación 6.3 Análisis de esfuerzos a que se someten las tuberías por tensión, colapso y torsión
Figura 6.3 esfuerzos a la tensión
b. Colapso
Este esfuerzo se debe principalmente al afecto de la presión exterior que ejerce la columna hidrostática de los fluidos de perforación o de control en los pozos. La magnitud de la presión depende de la densidad del fluido. El colapso o aplastamiento también puede ocurrir al aplicar una presión externa que sumada con la presión hidrostática, incrementa la presión externa.
El valor de la presión exterior aumenta en función de la profundidad y su valor máximo estará en el extremo inferior de la sarta de tubería, como se aprecia en la figura 6.4.
6. Diseño de sarta de perforación 6.3 Análisis de esfuerzos a que se someten las tuberías por tensión, colapso y torsión
Figura 6.4 Esfuerzos al colapso
Cuando un tubo está sometido a una presión exterior uniforme, el metal está sujeto a esfuerzos de compresión, al aumentar la presión en condiciones de equilibrio, se contraerá uniformemente como cualquier cuerpo elástico, hasta una presión crítica donde el tubo es inestable y ocurre la falla plástica o colapso.
El diseño de colapso por tensión consiste en determinar la reducción en la capacidad de la tubería para resistir presión externa como resultado de la tensión aplicada. Esto debe efectuarse en los extremos de cada sección de tubería diseñada previamente por tensión, de acuerdo a las siguientes deducciones:
• Al tensionar una tubería se incrementa la capacidad a la presión interna. • Al tensionar una tubería, disminuye la capacidad de resistencia al colapso.
6. Diseño de sarta de perforación 6.3 Análisis de esfuerzos a que se someten las tuberías por tensión, colapso y torsión
• Al comprimir una tubería, disminuye la capacidad de resistencia a la presión interna.
• Al comprimir una tubería, aumenta la capacidad de resistencia al colapso. Con estos conceptos fue elaborada la gráfica de Elipse de esfuerzos biaxiales. (Gráfica 6.1)
El procedimiento para calcular el colapso por tensión es el siguiente:
1. Contando con el peso en los extremos de cada una de las secciones diseñadas, se procede a calcular la constante adimensional (r) en los extremos de cada sección, definida con la siguiente expresión.
PCP x A x M K aplicada tensión r t op b 454 . 0 + × = Donde: r = Constante adimensional
Tensión aplicada = Tensión originada por el peso de la tubería en el aire. En Kg. Mop = Margen para tensionar, en Kg.
At = Área transversal del tubo, en pg2
Kb = Factor de flotación
___
PCP = Punto de cedencia promedio, en lb/pg2 (Tabla 6.2)
El punto de cedencia promedio (PCP , es la media aritmética de la mínima ) y máxima resistencia cedente, para cada calidad de acero, como se aprecia en la siguiente tabla: Tabla 6.2 RESISTENCIA A LA CEDENCIA GRADO PCP lb./pg2 PC min. lb./pg2 PC máx. lb./pg2 E 85000 75000 95000 X 11000 95000 125000 G 120000 105000 135000 S-135 145000 135000 155000
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2. Con el valor de r se entra a la Elipse de Esfuerzos sobre el eje de tensión encontrando un punto. Se baja una vertical hasta intersectar la curva, obteniendo el por ciento de resistencias al colapso (Z) que tiene la tubería cuando se tiene sometida a una cierta tensión.
Este valor encontrado se multiplica por al valor del colapso dado en tablas y se obtiene el valor al colapso en el punto deseado (Rcbt)
3. Este valor se compara con la presión que ejerce el fluido en ese punto. Si es menor, la tubería de trabajo no es recomendable por presión externa. Por lo tanto, se tendrá que acudir al siguiente grado de tubería y volver a hacer el diseño por colapso.
Hasta que los valores de presión sean cercanos o iguales, nuestra sarta estará en condiciones favorables por colapso.
c. Torsión
La cantidad de esfuerzo por torsión que resiste una tubería bajo tensión debe calcularse en cada cambio de grado, diámetro y peso de tubería. El valor mínimo que resulte en cualquiera de los puntos analizados será la condición de frontera en operaciones reales de campo.
En el caso de herramientas que se operan con torsión como es el de algunas herramientas de percusión, el valor de torsión obtenido por diseño deberá ser superior a la torsión necesaria, de lo contrario deberá cambiarse el diseño de la sarta.
Se debe de tomar en cuenta, al trabajar con las tuberías, que a medida que aumente la tensión el esfuerzo de torsión disminuye.
6. Diseño de sarta de perforación 6.4 Diseño de una sarta de perforación por tensión y por esfuerzo biaxial
6.4 DISEÑO DE UNA SARTA DE PERFORACIÓN POR TENSIÓN Y POR