Para el Asentamiento y Diseño de T
uberías de
Revestimiento
GUÍA DE DISEÑO
CONTENIDO
1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. CONCEPTOS GENERALES 4. M E T O D O L O G Í A P A R A E L ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO 5. D I S E Ñ O D E T U B E R Í A S D E REVESTIMIENTO 6. CONSIDERACIONES ADICIO-NALES Nomenclatura. ReferenciasLas tuberías de revestimiento tienen un
papel muy importante en la perforación
de pozos, ya que representan una
porción muy significativa del costo total
del pozo, entre el 15 y 35%. Por lo
anterior, una selección óptima de los
tubulares puede generar un ahorro
importante en el costo total del pozo.
En esta guía se muestran los conceptos
que se deben considerar para el
asentamiento y diseño de las tuberías de
revestimiento, para que éstas puedan
resistir las cargas impuestas durante la
Perforación, Terminación y Reparación
de Pozos, al mínimo costo.
GUIA DE DISEÑO PARA
EL ASENTAMIENTO Y
DISEÑO DE TUBERIAS
DE REVESTIMIENTO
1. OBJETIVO
2. INTRODUCCIÓN
El objetivo de esta guía es establecer l o s c r i t e r i o s b á s i c o s p a r a e l Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimiento, que nos permitan usar TR's con características suficientes para resistir las cargas impuestas durante la Perforación, Terminación y Reparación de Pozos, al mínimo costo.
En la construcción y durante la vida útil de un pozo petrolero, las tuberías de revestimiento son preponderantes, para lograr el objetivo del pozo. Por lo tanto la determinación de la profundidad de asentamiento y la selección de cada sarta de TR's, forman parte importante del diseño de la perforación. Además, las TR's representan una considerable porción del costo total del pozo, que varía entre el 15 y 35%, del mismo. Por lo anterior, cualquier reducción en el costo de los tubulares, puede generar ahorros sustanciales en el costo total del pozo.
De acuerdo con las funciones específicas de las tuberías de revestimiento, las cuales se describen en la sección de conceptos generales, éstas se clasifican como: tubería superficial, tubería intermedia y tubería d e e x p l o t a c i ó n o p r o d u c c i ó n . Dependiendo de la profundidad y complejidad del pozo, en ocasiones es necesario utilizar más de una tubería .
intermedia.
La determinación de las profundidades de asentamiento esta en función de las condiciones geológicas a perforar. El criterio de selección de la profundidad de asentamiento varía de acuerdo a la función específica de cada sarta de tubería de revestimiento. El aislamiento de zonas deleznables, zonas de pérdida de circulación y zonas de presión anormal, rigen los principales criterios de selección.
Por lo que respecta al diseño se establece que las tuberías de revestimiento deberán resistir las c a r g a s i m p u e s t a s d u r a n t e l a perforación, terminación y reparación de un pozo, al mínimo costo.
El alcance de esta guía es definir los c r i t e r i o s p a r a d e t e r m i n a r l a s profundidades de asentamiento de las tuberías, tomando en cuenta las condiciones de cada tipo de tubería, así como los principales esfuerzos que a c t u a r á n s o b r e l a t u b e r í a d e revestimiento, las consideraciones para el diseño de cada tipo de tubería y el análisis de esfuerzos biaxiales. Lo anterior, como antecedente necesario para el uso de software técnico especializado para el asentamiento y diseño final de los diferentes tipos de tuberías de revestimiento.
Una vez construido el perfil de geopresiones, el siguiente paso, en el diseño del pozo, es determinar el asentamiento de las tuberías de revestimiento. El proceso se realiza partiendo del fondo del pozo, hacía la parte superior, como se indica en la Figura 1.
A c o n t i n u a c i ó n s e d e s c r i b e
b r e v e m e n t e l a f i n a l i d a d d e l
asentamiento de cada uno de los
tipos de tuberías de revestimiento:
Figura 1 Asentamiento de TR's
Su objetivo es aislar acuíferos superficiales y tener un medio para la circulación del fluido de perforación.
Tiene como
o b j e t i v o , a i s l a r a c u í f e r o s
superficiales e instalar conexiones
superficiales de control.
Tubo conductor.-Tubería
superficial.-Tubería intermedia.-Tubería de Se cementa en la c i m a d e l a z o n a d e p r e s i ó n anormalmente alta, para cambiar la base al lodo de perforación e incrementar la densidad del mismo. Cuando las zonas de presión anormal se extienden en profundidad, o se presentan intercalaciones de zonas de alta y baja presión, será necesario emplear más de una tubería intermedia.Permite la explotación selectiva de los intervalos q u e p r e s e n t e n l a s m e j o r e s características.
Los principales parámetros que influyen en la determinación de la profundidad de asentamiento de las TR's son:
1. Diámetro requerido al objetivo. 2. Ti p o d e f o r m a c i ó n y s u
contenido de fluidos
3. Presión de formación y fractura 4. Densidad del fluido de control 5. Presión diferencial
6. Máximo volumen al brote durante la perforación
Respecto al diseño de la tubería de revestimiento, se consideran tres pasos básicos:
1.Determinar el diámetro y longitud de las sartas de tuberías.
2. Calcular el tipo y magnitud de e s f u e r z o s q u e s e r á n encontrados.
T.R que no fallaran al estar sujetos a las cargas.
Por lo tanto, el objetivo del diseño es permitir el control de las condiciones esperadas del pozo, para que las sartas sean seguras y económicas.
En la evaluación apropiada de las cargas que actúan a lo largo del pozo, se deberán hacer consideraciones e s p e c i a l e s , d e a c u e r d o a l a profundidad. Así, el diseño de los tubulares debe hacerse por separado. Estos es: (1) Tubería superficial, (2) Tubería intermedia, (3) Tubería intermedia como liner, (4) Liner de explotación, (5) Tubería de producción. La carga de presión interna debe ser considerada en primer lugar, ya que dictará las condiciones iniciales para el diseño de la tubería de revestimiento. El siguiente criterio a considerar es la carga al colapso que deberá ser evaluada y las secciones deberán ser recalculadas de ser necesario. Una vez que los pesos, grados y longitudes de las secciones han sido determinados para cumplir con las cargas de presión interna y colapso, se deberá evaluar la carga por tensión. El paso final es verificar las reducciones por efectos biaxiales en esfuerzo de presión interna y resistencia al colapso causados por las cargas de tensión y compresión respectivamente. La representación gráfica de los diferentes esfuerzos se muestra en la figura 2.
Figura 2.- Esfuerzos que actúan en la tubería de revestimiento.
La metodología propuesta en esta guía es un método gráfico y consta de los siguientes puntos: 1.Recopilación de Información y graficación de parámetros. 2.Asentamiento de la TR de Explotación 3. Asentamiento de la TR Intermedia 4. Asentamiento de la TR Superficial 4 . M E T O D O L O G Í A PA R A E L ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO Fuerza de Tensió n .-Presión Interna.- Colapso.Fuerza de compresión.
-ASENTAMIENTO DE TR`SASENTAMIENTO DE TR`S
GRADIENTE (gcc)GRADIENTE (gcc) Asentamiento 4.1. Recopilación de Información y
graficación de parámetros
Para la planeación del asentamiento de TR's es necesario considerar la
1
siguiente información :
Diámetro de la T.R.
deproducción o del agujero en la
última etapa.
Trayectoria programada.
Columna geológica programada Sección estructural
Presión de poro y de fractura. Márgenes de viaje empleados durante el movimiento de tuberías.
Margen del fluido de perforación p a r a c o n t r o l d e p o s i b l e brotes.
Densidades del fluido de control Con esta información disponible, se procede a generar un gráfico de gradientes de densidad equivalente de
2
la presión de poro y de fractura (Figura 3).
A los valores de la presión de poro y fractura se les deberá afectar por un margen de control que considere los efectos de viaje de la tubería (pintoneo y succión) y la posible ocurrencia de un brote. El rango de valores que se maneja para estos márgenes se explica más adelante.
Además, es conveniente conocer el
área donde se planea perforar el pozo para tomar en cuenta, en el programa final, la posible presencia de: estratos salinos, zonas de lutitas hidratables y/o deleznables, acuíferos, estratos con
H S o CO , zonas depresionadas, fallas, 2 2
zonas de alta presión, formaciones no consolidadas, formaciones altamente fracturadas o vugulares, formaciones con aportación de agua, etc.
Figura 3.- Graficación de gradientes para el Asentamiento de TR's.
El margen de control sobre la presión de poro estará conformado por la suma del margen de viaje y un factor de seguridad.
Para estos márgenes es necesario realizar cálculos de las presiones de empuje y succión en pozos de c o r r e l a c i ó n o s u p o n i e n d o u n a geometría conocida del pozo a perforar.
4.1.1 Márgenes de Control sobre la Presión de Poro (MPp)
Esto se debe realizar a diferentes profundidades, en función de las propiedades del fluido de control, la geometría del pozo y a diferentes velocidades de viaje de la sarta de perforación en condiciones críticas (barrena embolada) y/o diferentes velocidades de introducción de las tuberías de revestimiento. Sin embargo, existen valores reportados en la
3,4
literatura que varían entre 0.024 a 0.060 gr/cc para el margen de viaje (succión y empuje).
Además de estos márgenes, es deseable emplear pesos de lodo que ejerzan una presión mayor a la presión
2
de formación ( 20 kg/cm ), por lo que se debe considerar un factor de seguridad para la densidad equivalente del lodo a utilizar, de entre 0.024 a 0.036 gr/cc.
Asumiendo lo anterior, se puede
definir el margen de control como la
suma del margen de viaje y el factor
d e s e g u r i d a d d a n d o c o m o
resultando valores entre 0.05 a 0.10
gr/cc sobre el gradiente de presión
de poro. Los valores recomendados
se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 1 Márgenes de Control para la Presión de Poro
4.1.2 Margen de Control sobre la Presión de Fractura (MPf)
4.1.3 Margen por efecto de presión diferencial
Así mismo, se debe utilizar un margen de fractura por efecto de empuje durante la introducción de tuberías o en el caso del control de un brote, por lo que se debe reducir al gradiente de fractura pronosticado en el rango del margen de
3,4
viaje (0.024 a 0.060 gr/cc) .
Este valor puede ser obtenido para cada área en particular de pozos de correlación donde se hayan realizado operaciones de control de brotes, es decir, la densidad del fluido para controlar el brote menos la densidad del fluido de perforación antes de que ocurriera el brote. El valor recomendado es de 0.030 gr/cc.
Tabla 2 Márgenes de Control para la Presión de Fractura
La presión diferencial se define como la diferencia entre la presión hidrostática del fluido de control y la presión de formación, a cierta profundidad.
Se deben obtener dos rangos, uno para
Margen sobre la Pp Viaje 0.024-0.60 0.030 Seguridad 0.024-0.036 0.025 Valores Publicados Valor recomendado 0.055 Total (gr/cc) (gr/cc) Margen sobre la Pf Viaje 0.024-0.060 0.030 Valores Publicados Valor recomendado 0.030 Total (gr/cc) (gr/cc)
la zona de transición (normal a anormal) y otro para la zona de presión anormal. Se pueden utilizar valores de acuerdo con la experiencia en cada área en particular.
Además, existen valores generales
3
reportados en la literatura sobre la cantidad de presión diferencial que puede tolerarse sin que ocurran pegaduras de tuberías, los cuales están entre:
Zonas de transición (normal a anormal)
2,000-2,300 lb/pg2 (140 y 160 kg/cm2)
Zonas de presión anormal 3,000-3,300
lb/pg2 (210 y 230 kg/cm2 ).
Como se mencionó previamente, una vez determinados los gradientes de poro y fractura y los márgenes de control, la determinación de las profundidades de asentamiento se realiza desde la profundidad total programada hacia arriba.
En pozos donde no exista evidencia de zonas de presión anormalmente alta, se establece que sólo se asentarán las tuberías de explotación y la superficial, siempre y cuando las condiciones litológicas así lo permitan.
A continuación se describe la metodología para cada tipo de tubería de revestimiento.
4.2. Asentamiento de la Tubería de Explotación
Aunque generalmente la tubería de explotación se asienta hasta la profundidad total programada, se debe considerar que la premisa es asentarla a la profundidad donde se permita la explotación de los intervalos definidos.
Se grafica la presión de formación más su margen de control, y la presión de fractura, menos su margen respectivo, (todos expresados en gradiente de densidad de lodo equivalente) contra la profundidad.
A partir del máximo valor de densidad a utilizar en el fondo del pozo, se proyecta una línea vertical hasta interceptar la curva del gradiente de fractura afectado por su margen de seguridad. La profundidad de esta intersección definirá el asentamiento de la tubería intermedia más profunda.
En función de la profundidad total del pozo y del comportamiento de las g e o p r e s i o n e s p r o n o s t i c a d o , s e procederá de la misma manera, en caso d e q u e s e r e q u i e r a n t u b e r í a s intermedias adicionales, como se ilustra en la Figura 4. Esto, hasta alcanzar la profundidad de asentamiento de la tubería superficial, que difiere del procedimiento anterior.
Para cada asentamiento de tubería intermedia, será necesario revisar el margen por presión diferencial para
4.3. Asentamiento de Tubería Intermedia
asegurar que no se exponga al pozo a un riesgo de pegadura por presión diferencial.
Figura 4.- Asentamiento de TR's
Una vez que las profundidades de a s e n t a m i e n t o d e l a s t u b e r í a s intermedias han sido establecidas, se deberán tomar en cuenta los problemas de pegadura por presión diferencial, para determinar si la sarta de tubería de revestimiento pudiera pegarse cuando sea introducida al pozo. Para esto, se evalúa la máxima presión diferencial que se puede presentar con el arreglo seleccionado. Esta revisión deberá hacerse desde la tubería más superficial (Figura 3. Asentamiento 2) hasta la más profunda (Figura 3. Asentamiento 1).
2
La presión diferencial ( y Dp , en kg/cm )
a cualquier profundidad (Di en m), se
obtiene con la siguiente ecuación
:
4.3.1 Corrección por Presión Diferencial
( )
(1) 10 * i inicio fin D p=r-r D rinicioD
p
lim<210 kg/cm 2r
fincorr =D
p
lim* 10
+r
inicio (2) DiD
p
lim<140 kg/cm2
Donde es la densidad del fluido de control a la profundidad final de la T.R. que se esta revisando, y la densidad del fluido de control a la profundidad del asentamiento o etapa anterior, en (gr/cc).
La condición que deberá cumplirse es: Para el asentamiento de la TR
(1) (Figura 3), en la zona de
Presión anormalmente alta :
Para el asentamiento de la TR (2) (Figura 3), en la zona de
sión
En caso de no cumplir alguna de estas condiciones se deberá corregir la profundidad de asentamiento de la tubería intermedia, por medio de la siguiente expresión :
rfin
ASENTAMIENTO DE TR`S
ASENTAMIENTO DE TR`S
r
fincorr La densidad del lodo, puede emplearse para localizar la profundidad donde existe esta presión diferencial, con lo que se define la nueva profundidad de asentamiento de la TR intermedia.Para este caso es necesario considerar el concepto de la tolerancia al brote, en el cual se compara la curva del gradiente de presión de fractura con la presión generada en el pozo durante el control de un brote.
En este caso el objetivo es seleccionar la profundidad de asentamiento que evite un brote subterráneo, por lo cual e s n e c e s a r i o d e t e r m i n a r u n a profundidad a la cual la formación tenga la capacidad suficiente para soportar las presiones impuestas por un brote. La metodología propuesta es la siguiente:
una
a) Suponer profundidad de
asentamiento (Di).
b) Con esta profundidad calcular a
presión, expresada en gradiente, impuesta por un
brote (E , efecto de brote,b en (gr/cc)), por medio de la ecuación : Siguiente 4.4 Asentamiento de Tubería Superficial
Donde I es el incremento en el fluido de fc
perforación para controlar el brote en unidades de densidad equivalente,
normalmente igual a 0.06 gr/cc, Gf es mc
el gradiente de presión de formación afectado por el margen de control, (gr/cc), D la profundidad de interés y D i i
la profundidad de la siguiente etapa de perforación, en (m).
)
G frac
d) C o m p a r a r E c o n Gb f r a c, e x p r e s a d o s e n d e n s i d a d equivalente. Si los valores c o i n c i d e n e n t o n c e s l a profundidad supuesta es la profundidad mínima para el a s e n t a m i e n t o d e l a T R superficial.
e) En caso de que no coincidan estos valores, se debe suponer otra profundidad y repetir el proceso hasta que coincidan los v a l o r e s d e d e n s i d a d equivalente.
Cuando se caracterizan mecáni-camente las formaciones (se conocen sus propiedades mecánicas y los esfuerzos in-situ) es posible optimizar los asentamientos de las TR's, en función de la estabilidad mecánica del agujero; ya que la ventana de
C Determinar el gradiente de fractura para la profundidad seleccionada,
Pagina once
Eb = D
operación estará ahora en función de la presión de colapso de las paredes del pozo y de la presión de poro,como límite inferior, y del esfuerzo mínimo horizontal, como límite superior (ver Figura 5).
P a r a s e l e c c i o n a r t u b u l a r e s , l a información es fundamental. Para recopilarla, será necesario recurrir a diferentes fuentes, como los programas iniciales de perforación, expedientes de pozo, etc. Los datos necesarios para el diseño de tuberías son:
o Trayectoria de pozo o Geopresiones o Programa de lodos o Geometría o Especificaciones de tuberías o Inventario de tuberías
o Arreglos de Pozos Tipo
5. DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO
5.1 Recopilación de información
Figura 5. Optimización del Asentamiento de Tuberías
En el diseño de tubulares, los efectos de carga son separados de la resistencia de la tubería por un factor de seguridad, conocido también como factor de diseño, cuya función es tener un respaldo en la planeación, debido a la incertidumbre de las condiciones de carga reales, además del cambio de las propiedades del acero debido a la corrosión y el desgaste.
La magnitud de este factor de diseño se basa, entre otras variables, en la confiabilidad y exactitud de los datos de esfuerzos usados para diseñar, en la similitud de las condiciones de servicio y las de prueba, y en el grado de exactitud de cargas supuestas para el diseño.
5
El API reportó los resultados de una investigación de factores de diseño a p l i c a d o s a l a s t u b e r í a s d e revestimiento. A partir del análisis efectuado por 38 compañías, se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 3, donde se indica el rango del factor de diseño para cada condición de carga, y el valor recomendado.
Tabla 3. Factores de diseño de TRS
5.2 Factores de diseño
CONDICIONES
DE CARGA RANGO RECOMENDADO
PRESIÓN INTERNA COLAPSO TENSIÓN JUNTA TENSIÓN CUERPO 1.0 – 1.35 0.85 – 1.50 1.50 – 2.0 1.30 – 2.0 1.125 1.125 1.60 1.50 CONDICIONES
DE CARGA RANGO RECOMENDADO
PRESIÓN INTERNA COLAPSO TENSIÓN JUNTA TENSIÓN CUERPO 1.0 – 1.35 0.85 – 1.50 1.50 – 2.0 1.30 – 2.0 1.125 1.125 1.60 1.50
El factor de seguridad real es definido como la relación entre la resistencia del tubo y la magnitud de la carga aplicada. Por ejemplo, el factor de seguridad para la presión interna es el siguiente:
La metodología propuesta en esta guía es un método gráfico que considera las cargas máximas a las que se someterán las sartas de revestimiento. Los procedimientos generales se aplican para la tubería de revestimiento
6
intermedia . Para el diseño de las
d e m á s t u b e r í a s s e r e q u i e r e n consideraciones adicionales, las cuales son mencionadas posteriormente.
5.3.1 Diseño por Presión Interna
a)
L
ínea de carga máxima por presióninterna.
Para evaluar la carga de presión interna, primero se deben definir los valores límite de presión interna en el fondo y en superficie, que se p r e s e n t a r a n e n e l p o z o . El límite de presión interna en
superficie es definido generalmente
igual al rango de presión de trabajo de las conexiones superficiales de control. La presión interna de fondo máxima,considerada como una presión
FS = Resistencia a la presión interna Presión interna
5.3 Metodología de Diseño
de inyección, es igual al gradiente de fractura al nivel de la zapata de la
6
tubería más un factor de seguridad de
3
0.12 gr/cm .
Con los puntos determinados se obtiene la carga máxima por presión interna. Dado que la carga máxima ocurre cuando los puntos extremos son satisfechos simultáneamente, esta carga se presenta sólo bajo condiciones de un brote, con la existencia de más de un fluido en el pozo.
Sí el gas es considerado en la cima, su interpretación gráfica sería como se muestra en la línea 1 de la Figura 6, si se invierte la posición de los fluidos quedaría como se muestra en la línea 2 de la misma figura.
Es evidente que la carga ejercida por la línea 2 es mayor que la de la línea 1, por lo tanto; la configuración definida por la línea 2 (el lodo de control en la cima y gas en el fondo) constituye la línea de carga máxima por presión interna.
Pagina trece
P R E S I Ó N
Figura 6.- Carga por Presión Interna relativa a la posición de los fluidos dentro del agujero.
Presión de Inyección Presión en Superficie 1.- Gas en la cima 2.- Lodo en la cima 2 1 P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 6.- Carga por Presión Interna relativa a la posición de los fluidos dentro del agujero.
Presión de Inyección Presión en Superficie 1.- Gas en la cima 2.- Lodo en la cima 2 1 P R O F U N D I D A D
Para determinar la longitud de las columnas de lodo y gas, se resuelve el siguiente sistema de ecuaciones :
Donde D es la profundidad total, x es la longitud de la columna de lodo y y la longitud de la columna de gas; todos en
(m). P representa la presión de i
inyección, y P la presión en superficie; s
2
ambos en kg/cm . es la densidad
r r
g
del lodo, es la densidad del gas,y fracc
- 3
es el gradi ente de fractura; en (gr/cm ). Finalmente FS es un factor de
3
seguridad (0.12 gr/cm ).
La solución de las ecuaciones 1, 2 y 3, se presenta a continuación:
rm
Con la solución de estas ecuaciones se determina la longitud de las columnas de fluido respectivas, y se obtiene la línea de carga máxima por presión interna, tal como se ilustra en la Figura 7.
b) Línea de carga de presión interna resultante P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D
Figura 7 Línea de Carga Máxima por Presión Interna Presión en Superficie Presión en Interfase Interfase Lodo Gas Presión de Inyección P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D
Figura 7 Línea de Carga Máxima por Presión Interna Presión en Superficie Presión en Interfase Interfase - Gas Presión de Inyección
D=x + y (4)
P
i= P
s+0.1* r
m*x+0.1*
r
g*y (5)
P
i= 0.1* (
r
fracc+FS ) *D (6)
P int = Ps + 0.1 * x * rm (9) x =D - y (8) 0.1 * (rg - rm) (7) y = 0.1 (rfrac + FS) * D - Ps - 0.1 * rm * DEste procedimiento supone cargas de respaldo, y para el diseño a la presión interna se considera que en el caso más crítico, en la parte externa de la tubería, se ejercerá una presión debida al fluido de formación igual al gradiente del agua salada
3
(densidad = 1.07 gr/cm ), conocida como línea de respaldo (Figura 8). Al restar, a cada profundidad, la línea de respaldo a la línea de carga máxima por presión interna, se obtendrá la línea de carga de presión interna resultante (ver Figura 8).
Figura 8 Línea de Carga por Presión interna Resultante
c) Línea de Diseño por Presión Interna Finalmente, a la línea de carga de presión interna resultante se le aplica un factor de diseño de 1.125 y se obtiene la línea de diseño por Presión Interna (Figura 8A).
Una vez determinada la línea de diseño se está en condiciones de seleccionar entre las tuberías disponibles, y de preferencia de acuerdo con arreglos tipo para cada campo ó área, las tuberías que tengan características iguales o mayores a las requeridas por la línea de diseño.
Se gráfica la resistencia a la presión interna de las tuberías y su intersección
Pagina quince
P R E S I Ó P R O F U N D I D A D Línea de carga por Presión Interna Resultante Respaldo 1.07 gr/cm Línea de Línea de carga Resultante Línea de 1.07 gr Línea de Carga Máxima por Presión Interna P R E S I Ó P R O F U N D I D A D P R E S I Ó P R O F U N D I D A D P R E S I Ó P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Línea de carga por Presión Interna Resultante Respaldo 1.07 gr Línea de Línea de carga Resultante Línea de 1.07 gr 3 Línea de Carga Máxima por Presión Interna P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Línea de carga por Presión Interna Resultante Línea de cargaResultante
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Figura 8A Línea de Diseño por Presión Interna P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Línea de carga por Presión Interna Resultante Línea de carga
Resultante Línea de carga por Presión Interna Resultante Línea de carga
Resultante
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Figura 8A Línea de Diseño por Presión Interna
la línea de diseño determinará la l o n g i t u d d e l a s e c c i ó n , e s t e procedimiento se repite hasta alcanzar la profundidad deseada (Figura 8B).
Se recomienda manejar un máximo de tres secciones, ya que un número
mayorrepresenta dificultades logísticas
6
y para su introducción .
Al terminar ésta fase, el diseñador tendrá los pesos, grados y longitudes de cada sección de la tubería de revestimiento que cumplen con las cargas de presión interna. Este diseño tentativo es revisado a continuación para el diseño por presión de colapso.
a) Línea de carga máxima por presión de colapso
5.4.2 Diseño por Presión de Colapso
La carga por colapso para la tubería
de revestimiento intermedia es
ejercida por el fluido en el espacio
anular, y se considera a la densidad
del lodo máxima a utilizar en la
perforación del intervalo, que es
generalmente cuando se procede a
bajar la sarta de la tubería de
revestimiento. El perfil de presión
que genera esta columna de lodo se
muestra en la Figura 9, como línea
de carga máxima de colapso.
b ) L í n e a d e c a r g a r e s u l t a n t e La máxima carga de colapso ocurrirá cuando se presente una pérdida de circulación, y el nivel del lodo en el interior de la tubería de revestimiento disminuya, quedando vacía.
Por otro lado, es poco probable que la presión hidrostática ejercida en la zapata de la tubería de revestimiento
P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Figura 8B Diseño por Presión Interna
Valores de Resistencia a la Presión Interna de cada sección P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Figura 8B Diseño por Presión Interna
Valores de Resistencia a la Presión Interna de cada sección Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo) P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 9. - Línea de Carga Máxima de Colapso Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo) P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
intermedia por la reducción en la columna llena de agua salada. Por lo tanto, al restar a la línea de carga máxima de colapso este respaldo, se obtiene una línea de carga de colapso resultante, como muestra la Figura 10.
C) Línea de Diseño a la Presión de Colapso
Aplicando un factor de diseño de 1.125 para el colapso, resulta en la línea de diseño por presión de colapso ilustrada en la Figura 11A.
Finalmente, se compara la resistencia a la presión de colapso de cada sección de tubería, seleccionada previamente en el diseño por presión interna, con la línea de diseño al colapso verificando que estas resistencias no intercepten la línea de diseño por presión de colapso, es decirque las resistencias de las
que los valores proyectados por la línea de diseño. En caso de que no se cumpla esta condición de carga por presión de colapso, se deberán seleccionar tuberías de mayor capacidad, las cuales implícitamente cumplirán además con la condición de carga por presión interna.
Pagina diecisiete
Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó NFigura 10. - Línea de Carga Resultante por Colapso
Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo) Línea de Respaldo (1.07 gr/cc) Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 10. - Línea de Carga Resultante por Colapso
Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo) Línea de Respaldo (1.07 gr/cc) Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 10. - Línea de Carga Resultante por Colapso Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 10. - Línea de Carga Resultante por Colapso
Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo) Línea de Respaldo (1.07 gr/cc) Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 11A. - Línea de Diseño por Presión de Colapso Línea de Diseño por Presión de Colapso Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 11A. - Línea de Diseño por Presión de Colapso Línea de Diseño por Presión de Colapso Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 11B. - Diseño por Presión de Colapso Línea de Diseño por Presión de Colapso Valores de Resistencia a la Presión de Colapso de cada sección Corrección en la selección de esta sección Línea de carga de colapso resultante P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 11B. - Diseño por Presión de Colapso Línea de Diseño por Presión de Colapso Valores de Resistencia a la Presión de Colapso de cada sección Corrección en la selección de esta sección
5.4.3 Diseño por Tensión
a) Línea de Carga por Tensión Conociendo los pesos, grados y longitudes de las secciones que se obtuvieron en los diseños por presión interna y por colapso, se puede determinar la carga por tensión. Para este fin debemos hacer un balance de fuerzas que incluya la de flotación, que se interpreta como la reducción del peso de la sarta de tubería de revestimiento cuando se corre en algún líquido, a diferencia de cuando se corre en el aire. La flotación también se puede expresar como la resultante de fuerzas que actúa sobre todas las áreas expuestas de la sarta, es decir sobre los extremos y hombros de cada sección de tubería.
La Figura 12 muestra las fuerzas actuando en cada área expuesta de una sarta de tubería de revestimiento, conformada por tres secciones. En este caso, sí la fuerza es compresiva se considera negativa, y sí es de tensión se toma como positiva.
Por otro lado, las fuerzas actuando sobre las áreas de los hombros de los coples son despreciables para propósitos prácticos en el diseño de tuberías de revestimiento.
Por lo anterior, el diseño por tensión se lleva a cabo desde el fondo hasta la superficie, y los puntos de interés son los cambios de peso entre secciones de
tubería, de esta manera se tiene
Figura 12. Diagrama de Fuerzas
Donde T es la fuerza de flotación, en kg, f
L es la profundidad de asentamiento de
la TR, en (m), G es el gradiente del I
2
fluido empleado, en (kg/cm /m), y A es s1
el área de la sección transversal de la
2
primera tubería, en (pg ).
La ecuación 7 aplica para el fondo del pozo, cuando la tubería se encuentra en compresión debido a las fuerzas de empuje a que esta sujeta.
Para la primera sección de tubería la tensión T se obtiene de: 1
CARGA AL GANCHO FUERZA 1 As1 Fuerza 2 Ws2 Ws3 Ws1 Fuerza 3 As2 As3 CARGA AL GANCHO FUERZA 1 As1 Fuerza 2 Ws2 Ws3 Ws1 Fuerza 3 As2 As3
T
f= 6.45 * L * G
i* A
si(10)
T
i= -
T
f+ W
sl(11)
donde el peso de la sección 1 (W ), en s1
(kg), estará dado por
:
Donde L , es la longitud de la sección 1, s1
en (m), y P es el peso unitario de la u
tubería, en (lb/pie).
Sí consideramos que se utilizara más de una sección de tubería, entonces se presentará una diferencia de área entre las secciones transversales de cada sección, por lo que dependiendo del sentido, ascendente o descendente de la fuerza, se sumara o restará de la tensión aplicada en la siguiente sección, como muestra la Figura 13, y se calculará como sigue:
Por lo que la tensión para la siguiente sección se obtendrá a partir de:
y para la siguiente sección se procede de la misma manera:
y la tensión para la sección 3
Con los valores obtenidos es posible construir la línea de carga por tensión (Figura 13).
Es de notar que, más de una sección de la sarta de la tubería de revestimiento puede encontrarse en compresión. b) Línea de diseño por Tensión
A continuación se procede a obtener la línea de diseño por tensión, para lo cual se emplea un factor de diseño. Para este caso existen dos opciones, uno como factor de seguridad de 1.6 o una carga adicional de 25,000 kg como valor de sobre-jalón en caso de que se requiera tensionar la tubería por un atrapamiento. En cualquier caso se debe utilizar el que resulte mayor.
P R O F U N D I D A D
Figura 13. - Línea de Carga por Tensión
Cargas por Tensión +
-Sarta en Compresión Línea de carga por tensión P R O F U N D I D A DFigura 13. - Línea de Carga por Tensión
Cargas por Tensión +
-Sarta en Compresión Línea de carga por tensiónPagina diecinueve
W
sl= 1.4913 * L
sl* P
u(12)
Ti’ =T1 + 6.45 * (L - Lsl) * G1 * Asl - As2 (13)T
2= -
T
1’+ W
s2(14)
T2’ =T2 + 6.45 * (L - (Lsl + Ls2)) *
(15) G1 * A÷s2 - As3÷T
3=
-
+ T
2’+ W
s3(16)
La representación gráfica de ésta combinación de factores de diseño se muestra en la Figura 14 indicada como línea de diseño por tensión.
c) Selección de Juntas
Con algunas excepciones, la parte más débil de una junta de una tubería de revestimiento en tensión es el cople; por ello, la línea de diseño a tensión es usada primeramente para determinar el tipo de cople o junta a utilizar. El criterio de selección es elegir el cople que satisfaga las cargas de la línea de diseño al menor costo posible (ver
Figura 15). 5.4.4 Efectos Biaxiales
Al concluir el diseño por presión interna, presión de colapso, tensión y tipo de junta, han quedado definidos los pesos, grados y longitudes de cada sección; s o l o r e s t a d e t e r m i n a r l a s modificaciones en la resistencia por presión interna y por colapso causadas por la carga biaxial.
E s t a s m o d i f i c a c i o n e s p u e d e n obtenerse usando la elipse de
7
Holmquist y Nadai , la cual se resume en la tabla 4:
Tabla 4 Efectos Biaxiales
P R O F U N D I D A D Punto en que el factor de diseño es más grande que el sobre-jalón
Figura 14. - Línea de Diseño por Tensión Cargas por Tensión +
-Línea de diseño por tensión Línea de carga por tensión P R O F U N D I D A D Punto en que el factor de diseño es más grande que el sobre-jalónFigura 14. - Línea de Diseño por Tensión Cargas por Tensión +
-Línea de diseño por tensión Línea de carga por tensión P R O F U N D I D A DFigura 15. - Diseño por Tensión Cargas por Tensión +
-Línea de diseño por tensión resistencias a la Tensión de las juntas Corrección en la selección de esta sección P R O F U N D I D A DFigura 15. - Diseño por Tensión Cargas por Tensión +
-Línea de diseño por tensión Corrección en la selección de esta secciónTENSIÓN
COMPRESIÓN
COLAPSO
Reduce
Aumenta
P. INTERNA
Aumenta
Reduce
De acuerdo con lo anterior, el efecto más crítico es la reducción de la resistencia a la presión de colapso. Por lo tanto es conveniente evaluar esta reducción, y en su caso, corregir la línea de diseño por presión de colapso,
8
empleando el siguiente proceso : a) Se calcula el parámetro X:
b
)
Con el valor de X, se obtiene el valorde Y:
c) Se efectúa la corrección a la
resistencia a la presión de colapso por
2
efecto de la tensión, (R en lb/pg ):cc
Donde T es la tensión aplicada en la
sección correspondiente, en (kg), Y es m
el esfuerzo mínimo de cedencia del
2
grado de acero, en (lb/pg ), As es el área d e l a s e c c i ó n t r a n s v e r s a l
2
correspondiente, en (pg ), R es la c
resistencia nominal al colapso de la tubería previamente seleccionada, en
2
(lb/pg ), y X y Y son parámetros adimensionales.
d) Para cada sección de tubería se corregirá, por carga axial, la resistencia a la presión de colapso y se verificará
que el factor de diseño por presión de colapso (Fdc)cumple con la siguiente condición:
Donde P es la presión de colapso cr
resultante.
G r á f i c a m e n t e , c o n l o s v a l o r e s corregidos, se puede construir una nueva línea de resistencias a la presión de colapso corregidas de cada sección, y, en el caso de que alguna sección intercepte las líneas de diseño, se deberá reducir la longitud de ésta a la profundidad de intersección, ó se e l e g i r á o t r a t u b e r í a d e m a y o r resistencia.
Como se menciono anteriormente, el diseño de la TR intermedia sigue todos l o s p r o c e d i m i e n t o s d e s c r i t o s anteriormente. A continuación se e n u n c i a n l a s c o n s i d e r a c i o n e s adicionales para las tuberías de r e v e s t i m i e n t o s u p e r f i c i a l y d e explotación.
Además, se presentan más adelante recomendaciones para establecer a r r e g l o s d e p o z o s t i p o , y l a s consideraciones para el diseño de tuberías de revestimiento en ambientes corrosivos y para pozos exploratorios.
6. CONSIDERACIONES ADICIONA-LES
Pagina veintiuno
X = (2.205) * T (17)
Y
m* A
s ½ 2Y = (1 - 0.75 * X ) - 0.5 * X (18)
R
cc= ( 0.07032 ) * R
c* Y (19)
F
dc= R
cc> 1.125 (20)
P
cr6.1 Tubería de Revestimiento Super-ficial
7
6.1.1 Diseño por Presión interna
Para determinar la línea de diseño a la presión interna se deben considerar los siguientes puntos:
Para el control de un brote se procede con circulación normal, y al gas metano como fluido invasor.
En el punto crítico del brote, toda la tubería se considera llena de gas.
El respaldo será la presión de formación normal del área. El efecto del cemento se
considera despreciable, ( ver Figura 16).
En la figura 17 se ilustran las líneas de carga máxima, la resultante y la línea de diseño a la presión interna para la TR Superficial.
Figura 16.-Consideraciones de Diseño por Presión Interna para TR Superficial
.
.
.
.
6.1.2 Diseño por Presión de Colapso
Para el diseño por Presión de Colapso se toman en cuenta las siguientes consideraciones:
Se considera una pérdida de Circulación (Figura 18),
quedan-do la columna del fluiquedan-do de perforacion a una profundidad (nivel) equivalente a la zapata de la TR superficial.
La línea de diseño se construirá a p l i c a n d o e l f a c t o r d e d i s e ñ o correspondiente, de la misma manera
.
Carga: Gas metano Respaldo: presión de formación normal Presión Interna Brote de gas presión de fractura Carga: Gas metano Respaldo: presión de formación normal Presión Interna Brote de gas presión de fractura P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Respaldo 1.07 gr/cm Línea de Línea de carga por Presión Interna Resultante Línea de carga Resultante Línea de 1.07 gr/cm3 Línea de Carga Máxima por Presión InternaFigura 17 Diseño por Presión Interna TR Superficial
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de P R E S I Ó N P R E S I Ó N P R O F U N D I D A D Respaldo 1.07 gr/cm Línea de Línea de carga por Presión Interna Resultante Línea de carga
Resultante Línea de carga por Presión Interna Resultante Línea de carga Resultante Línea de 1.07 gr/cm3 Línea de Carga Máxima por Presión Interna
Figura 17 Diseño por Presión Interna TR Superficial
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
Línea deDiseño por Presión Interna Línea de
que para la tubería intermedia
Figura 18.- Consideraciones de Diseño por Presión de Colapso para TR Superficial
De acuerdo a esto se grafica la línea de diseño a la presión de colapso, como se muestra en la figura 19.
6.2 Tubería de Revestimiento Intermedia Tipo Liner
6.3 Tubería de Revestimiento de Explotación
6.3.1 Presión Interna
6.2.1 Diseño por Presión interna
En caso de incluir en el programa del pozo una TR Intermedia, Tipo Liner, el diseño se modificara solamente en el análisis a la Presión Interna. Como la presión de inyección y el peso del lodo serán mayores en la siguiente etapa, después del liner, estos valores deberán utilizarse para el diseño de la tubería de revestimiento intermedia, así como para el diseño del propio liner. Es decir, la línea de diseño a la presión interna se empleará para diseñar la tubería de revestimiento intermedia y el liner para presión interna.
La presión interna a la que estarán sujetas las tuberías de revestimiento de explotación será la máxima que se espera tener en la perforación, terminación y producción del pozo. Esta presión puede originarse por un descontrol o control del pozo o por tratamiento que se realicen al mismo. Para el diseño a presión interna, se deberá considerar la máxima presión actuante dentro de la tubería, con el respaldo por la presión de formación y la resultante multiplicada por el factor de diseño (Figura 20).
Pagina veintitres
a ire Pérdida de circulación Carga: fluido de perforación etapa anterior Colapso Respaldo: nivel del fluido a ire Pérdida de circulación Carga: fluido de perforación etapa anterior Colapso Respaldo: nivel del fluido Línea de Diseño a Presión de Colapso P R O F U N D I D A D P R E S I Ó NFigura 19. - Diseño por Presión de Colapso para TR Superficial Línea de Carga Máxima y línea resultante Línea de Diseño a Presión de Colapso P R O F U N D I D A D P R E S I Ó N
Figura 19. - Diseño por Presión de Colapso para TR Superficial
Línea de Carga Máxima y línea resultante
6.3.2 Diseño por Presión de Colapso
6.4 Arreglos de Pozos Tipo
Dentro de la clasificación de tuberías de revestimiento, ésta es quizá la única que podría quedar totalmente vacía, debido a un desplazamiento total del fluido del pozo sin ninguna aportación o la declinación del yacimiento.
Para el diseño al colapso, la tubería deberá considerarse totalmente vacía y actuando en el espacio anular la suma de la presión hidrostática de los fluidos contenidos; multiplicados por el factor de diseño (Figura 21).
Como se mencionó en la Introducción de esta guía, cualquier reducción en el costo de tuberías de revestimiento puede generar ahorros sustanciales en
el costo total de los
pozos.
Por tanto seestablece que para uno o varios campos en desarrollo, donde las condiciones geológicas (litología, geología estructural), lo permitan, es recomendable tipificar los arreglos de tuberías para disminuir el número de c o m b i n a c i o n e s d i á m e t r o g r a d o -conexión, que faciliten la logística y reduzcan el costo de manejo y custodia (sí es el caso) de la tubería de revestimiento.
Figura 20.- Consideraciones de Diseño por Presión Interna para TR de Explotación
Figura 21.- Consideraciones de Diseño por Presión de Colapso para TR de Explotación
Para esto se recomienda:
Presión Interna Fluido empacante Comunicación del aparejo de producción Presión de fondo Presión Interna Fluido empacante Comunicación del aparejo de producción Presión Interna Fluido empacante Comunicación del aparejo de producción Presión de fondo Colapso Carga: Fluido cuando fue corrido la TR
Pérdida del fluido empacante Colapso
Carga: Fluido cuando fue corrido la TR
Pérdida del fluido empacante
1. I n d e n t i f i c a r l o s a r r e g l o s h i s t ó r i c o s d e t u b e r í a , empleados en los campos o áreas a tipificar,
2. R e v i s a r l a s c o n d i c i o n e s geológicas y de presiones de formación de los campos o áreas a estudiar.
3. Establecer condiciones de
trabajo similares, dentro de los campos o áreas, en donde sea factible emplear tuberías de características semejantes.
4. Proponer arreglos tipo para los
campos o áreas, y evaluar su costo-beneficio para definir la f a c t i b i l i d a d d e s u implementación.
La corrosión deteriora el acero y reduce d r á s t i c a m e n t e l a s p r o p i e d a d e s mecánicas de la tubería. Por lo tanto, es fundamental detectar ambientes agresivos que propicien este fenómeno para seleccionar correctamente el acero por emplear, y así prevenir el deterioro del tubo, pues, si esto ocurre, estaría en riesgo la integridad del pozo; además, se tendría que programar una intervención, que también supone costo, riesgo y pérdida de producción. Por lo tanto, el objetivo de seleccionar apropiadamente el acero es disponer
6.5 Diseño para ambiente corrosivos
Algunos de los parámetros más importantes por considerar para determinar la naturaleza del ambiente en el pozo y sobre todo el nivel de corrosión en el sistema- son los siguientes:
Presión parcial del H S2
Presión parcial del CO2
Efecto de la temperatura
sobre la corrosión
En el caso de pozos exploratorios es necesario tomar en cuenta las siguientes consideraciones para
planear losasentamientos y diseñar las
tuberías de revestimiento.
Como punto de partida del programa de un pozo exploratorio, se debe utilizar la información geológica disponible, a partir de la sísmica. Con esta información, es posible estimar el
2
comportamiento de las geopresiones y definir la profundidad de asentamiento de las tuberías de revestimiento, la cual será ajustada de acuerdo al pozo y a los datos reales obtenidos durante la e j e c u c i ó n d e l o s t r a b a j o s d e perforación.
Es conveniente considerar que, en función del grado de conocimiento del área, se puede programar el empleo de herramientas de medición en tiempo
6.6 Consideraciones para el diseño de tuberías de revestimiento en pozos exploratorios
real durante la perforación, para una, oportuna toma de decisiones, en caso de ajustes a los asentamientos programados.
Respecto al diseño de las tuberías de revestimiento, también se utilizara la información estimada a partir de la sísmica, tomando en cuenta que el diseño deberá modificarse, sí es necesario, de acuerdo con la densidad real del lodo de perforación utilizado en cada etapa, cumpliendo con los factores de seguridad recomendados en el apartado 5.3 de esta guía.
1. El usar factores de diseño mayores a los requeridos, incrementa el costo de las sartas de TRs. Por lo cual, se recomienda estandarizar estos factores de diseño a los valores recomendados. 2. La selección de TR y roscas debe apegarse al diseño, respetando el criterio de manejar como máximo tres secciones por corrida. Esto evita costos excesivos de TR y problemas de logística para su introducción.
3. Se recomienda estandarizar los diseños de tuberías de revestimiento, en arreglos tipo por campo, lo que permitirá reducir el número de combinaciones diámetro-grado-tipo de rosca. RECOMENDACIONES NOMENCLATURA As = As1 = As2 = As3 = D = Di = Eb = Fdc = FS = Gfmc = GI = Ifc = L = Ls1 = Ls2 = Mpf = Mpp = Pcr = Pi = Pint = Ps = Pu = Rc = Rcc = T = T1 = T2 =
T3 = Tf = Ws1 = Ws2 = Ws3 = x = y = X = Y = Ym = lodo
r
q p D fin r inicior
corr fin r mr
g r fracr
= = = = = = = = = 3 . A p p l i e d D r i l l i n g E n g i n n e r i n g , B o u r g o y n e , M i l l H e i m , Yo u n g , Chenevert.4.Drilling Engineering “A Complete Well Drilling Approach”, Neal Adams.
5.Bulletin 5C3-API, Formulas and calculations for Casing, Tubing, Drill Pipe and Line Properties.
6.Maximum Load Casing Design, Char!es M, Prentice, DrilIingWellControl, Inc.; SPE 2560
7.A theorical and experimental approach to the problem of collapse of deep well casing, Holmquist, J.L. and Nadai, A.
8.Manual de Diseño de Tuberías de Revestimiento, PEMEX-Gerencia de Desarrollo de Campos e Instituto Mexicano del Petroleo, 1991.
9.Guía de Diseño de Aparejos de Producción, Gerencia de Ingeniería-UPMP, 2003.
Pagina veintiseis
Letras Griegas
REFERENCIAS
1.Determination of Casing Setting Depth Using Kick Tolerance Concept, Otto Santos, J.J. Azar, SPE-30220.
2 . G u í a p a r a l a P r e d i c c i ó n d e Geopresiones, Gerencia de Ingeniería-UPMP, 2003.