Etapa 8 3 /

Para realizar el diseño de las tuberías necesarias se realizó un análisis de cargas sobre la sarta de perforación y de revestimiento en base a la geometría definida, esperando que se cumplan los factores de seguridad para cada efecto sobre las tuberías.

Dentro de las cargas a considerar en base a lo establecido en el capítulo 2, se analizará por etapa el efecto del estallido, colapso, flexión, pandeo y las cargas axiales. Pensando en las situaciones críticas como la perforación y la fractura, estas cargas generan los máximos esfuerzos de las tuberías, tanto por las presiones que soportan como por los impactos y fuerza ejercida por el equipo de perforación. También consideraremos la variación en la resistencia producida por las diferencias de temperatura. Para complementar el estudio, se desarrolló la ecuación de Von Mises para cargas biaxiales, situación comparable con lo real para el estado de cargas. Los otros efectos de cargas o de influencia para ambientes corrosivos, no se tomaron en cuenta, pues son despreciables por su efecto en este tipo de pozos. Considerando las ecuaciones desarrolladas en 2.2.8, se entregan los resultados y factores de seguridad obtenidos a lo largo de la profundidad.

4.2.1.1 Etapa 8 3_/ 4”

Tal como se expresa en las ecuaciones (29), (30), (31) y (32), se calcularon las presiones interna y externa, en base a la densidad ideal del fluido de perforación y el perfil de presiones porales existente. Así se determinó la presión de estallido y colapso de la tubería, de manera que comparando de acuerdo a la presión nominal del casing K-55 de 20 lb/ft con diámetro de 7”, calcularon los factores de seguridad cada 50 metros de profundidad.

Para el análisis de fuerzas axiales, se consideró el efecto de la tensión, compresión y de las temperaturas. Por medio del método de Lamé, donde se simplifican las fuerzas axiales en una tubería realizando un desarrollo de cargas en dos sentidos, se obtiene una presión equivalente, a la cual se le suma el efecto producido por el perfil de temperaturas para obtener así una fuerza axial neta, con la que se obtiene el factor de seguridad.

Finalmente, la flexión no se analiza a nivel estructural por lo indicado en el ítem 2.2.8.6, donde se ratifica su irrelevancia en el diseño. En lo que respecta a pandeo, con las presiones ya determinadas

se debe determinar el punto neutro, que es la profundidad hasta donde se manifiesta la flexión de la sarta, la cual debiese estar dentro de la profundidad del pozo.

Según lo explicado, se obtienen las máximas presiones de estallido en la superficie de la perforación y de colapso en el fondo del pozo, además de los siguientes resultados en condiciones normales:

P estallido = 2704 (psi) P colapso = 1009 (psi) P tensión/compresión = 30711 (psi) Cargas FS Estallido 1,38 Colapso 2,25 Tensión 2,59

Tabla 4-2: Factores de seguridad para propuesta en etapa 1. Fuente: Elaboración propia

Si se compara la Tabla 2-6 con la Tabla 4-2, no se aprecian problemas en torno a lo establecido por los factores mínimos de diseño, y no se puede disminuir el libraje del casing debido a que en su tipo es el menor de todos. Con el análisis biaxial se alcanza apenas el 55% de la fluencia establecida, además para el pandeo se encuentra el punto neutro crítico a 777 (ft), equivalente a 237 metros, de manera que este fenómeno no presenta mayores complicaciones en esta etapa.

Figura 4-2: Análisis de cargas de estallido y colapso en etapa 1. Fuente: Elaboración propia

El detalle del cálculo de presiones, fuerzas y factores de seguridad en cada punto de esta etapa de perforación se puede encontrar en las planillas del Anexo A.

4.2.1.2 Etapa 6 1_/ 8”

En esta etapa se presentan todas las situaciones críticas con las que se debe diseñar, considerando además que por el casing se produce, por lo que deben respetarse los factores establecidos. Para esta etapa se utiliza una tubería P-110 de 13,5 lb/ft con un diámetro de 4,5”. De igual manera como se explicó en el ítem anterior, las presiones y fuerzas sobre el casing se calculan con las mismas ecuaciones y supuestos, solo se modifica la profundidad de la etapa y la geometría de la tubería por lo que las cargas aumentan.

Como se quiere diseñar la tubería para el peor caso, que es la fractura hidráulica, la presión interna se calcula de acuerdo a las condiciones de fractura, esto quiere decir, la presión medida en la cabeza de fractura (explicado en el punto 4.2.5) y la presión de fractura del suelo, obtenida por el gradiente de fractura conocido para el bloque Arenal. Es así como se obtienen las máximas presiones de estallido, de colapso y de cargas axiales, en condiciones críticas del pozo:

0 100 200 300 400 500 600 700 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pro fu n d id ad (m ) Presiones (psi)

Tubería superficial K-55

P fractura = 4750 (psi) Gradiente fractura = 0,73 (psi/ft)

P estallido = 6.828 (psi) P colapso = 3.928 (psi) P tensión/compresión = 71.869 (psi)

Teniendo presente el modelo escogido, se determinan los factores de seguridad para la peor situación durante la perforación.

Cargas FS

Estallido 1,57

Colapso 1,93

Tensión 1,86

Tabla 4-3: Factores de seguridad para propuesta en etapa 2. Fuente: Elaboración propia

Al igual que en la primera etapa no existen problemas en torno a lo definido para los factores mínimos de diseño, y se utiliza una tubería de bajo libraje para este menor diámetro, pero con mayor resistencia a la fluencia y presiones. De todos modos, se realizó el análisis biaxial y se obtuvo una presión equivalente en el fondo de esta etapa de 71869 (psi), alcanzando el 65% del límite de fluencia. A diferencia de la primera etapa, la operación crítica es la fractura, de manera que las máximas presiones de estallido y de colapso se encuentran en el fondo, de hecho, la presión interna máxima alcanza los 10373 (psi), siendo amortiguado su efecto por las presiones de poros.

Figura 4-3: Análisis de cargas de estallido y colapso en etapa 2. Fuente: Elaboración propia

Por otro lado, en lo referido al pandeo, la mayor diferencia de presiones se da en el fondo y al calcular el punto neutro, este llega a los 536 metros, dentro del tramo con topes de cemento, evitando desplazamientos o giros de la tubería.

El detalle del cálculo depresiones, fuerzas y factores de seguridad en cada punto de esta etapa de perforación se puede encontrar en las planillas del Anexo A.

Por el lado de la temperatura, está variación entre la superficie y el fondo de pozo se amortigua por el efecto del fluido de perforación, sin embargo, igual se traduce en un esfuerzo axial que se aplica al peso de la sarta y altera considerablemente la resistencia a la fluencia. Para analizar esto, es necesario determinar la deformación inicial (peso flotante de la sarta) y la deformación de acuerdo al gradiente de temperatura, con lo que se obtiene la deformación total y se puede usar la ecuación (39) para saber cómo se comporta el material.

ε peso 0,00089

ε temp 0,001056

ε total 0,001949

Tensión(lbs) 195235

FS 1,88

Tabla 4-4: Efectos térmicos en etapa 2.

0 500 1000 1500 2000 2500 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Pro fu n d id ad (m ) Presiones (psi)

Tubería de producción P-110

Asumiendo que el límite elástico para la deformación de acero es de 0,002, se observa que la temperatura genera una alteración en el material, llegando casi al límite del estado elástico. Esta diferencia puede variar si es que se ajustan las temperaturas a un perfil real y no una aproximación basada en las diferencias entre la superficie y el fondo, sin considerar el efecto regulador del lodo que circula. Es importante mencionar que, si llegase a haber deformación plástica, se agrega como variable el tiempo, y con ello hablamos de la curva de termofluencia. Para definir la degradación de resistencia en este caso, se deben hacer ensayos por material, a diferentes temperaturas y esfuerzos, por lo que se complica la comprobación del diseño, sin embargo, como la deformación está dentro del límite elástico, asumiremos que cumple este rango de comportamiento. De esta forma, se sumaron linealmente las deformaciones, obteniendo la tensión sobre el casing y un factor que cumple con el diseño mínimo en tensión como aparece en la Tabla 4-4.