07-asentamiento y diseño de tuberias de revestimiento

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de

Tube

rías

de

Reve

stim

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o

GUÍA DE DISEÑO7 Perforación

GUÍA DE DISEÑO PARA EL ASENTAMIENTO Y DISEÑO DE

TUBERIAS DE REVESTIMIENTO

CONTENIDO

1. OBJETIVO

2. INTRODUCCIÓN

3. CONCEPTOS GENERALES

4. M E T O D O L O G Í A PA R A E L

ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS

DE REVESTIMIENTO

5. DISEÑO DE TUBERÍAS DE

REVESTIMIENTO

6. CONSIDERACIONES ADICIO-

NALES

Nomenclatura. Referencias

Las 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 os c r i te r ios bás icos para 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 de exp lo tac ión o p roducc ión . 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 ca rgas impues tas du ran te 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 os pa ra de te rm ina r l as profundidades de asentamiento de las tuberías, tomando en cuenta las condiciones de cada tipo de tubería, así como los principales esfuerzos que ac tuarán sobre la tuber ía de 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.

3. CONCEPTOS GENERALES

GUÍA DE DISEÑO PARA EL

ASENTAMIENTO Y DISEÑO

DE TUBERIAS

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 cont inuación se descr ibe brevemente la f inal idad del 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 explotación.-

Se cementa en la c ima de l a zona de p res ión 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. Tipo de formación y su

contenido de fluidos 3. Presión de formación y fractura 4. Densidad del fluido de control5. Presión diferencial 6. Máximo volumen al brote

durante la perforaciónRespecto 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.

Pagina cinco

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 espec ia les , de acue rdo 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 Explotación3. Asentamiento de la TR Intermedia4. Asentamiento de la TR Superficial

4 . M E TO 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. -

GUÍA DE DISEÑO PARA

EL ASENTAMIENTO Y DISEÑO DE


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

1siguiente información :

Diámetro de la T.R. de

producción o del agujero en la última etapa.Trayectoria programada.Columna geológica programadaSección estructuralPresión de poro y de fractura.Márgenes de viaje empleados durante el movimiento de tuberías.

Margen del fluido de perforación para cont ro l de pos ib le brotes.

Densidades del fluido de control

Con esta información disponible, se procede a generar un gráfico de gradientes de densidad equivalente de

2la 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 corre lac ión o suponiendo una geometría conocida del pozo a perforar.

4.1.1 Márgenes de Control sobre la Presión de Poro (MPp)

Pagina siete

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

3,4literatura 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

2de 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

3,4viaje (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




Margensobre la Pp

Viaje 0.024-0.60 0.030

Seguridad 0.024-0.036 0.025

ValoresPublicados

Valorrecomendado

0.055Total

(gr/cc)(gr/cc)

Margensobre la Pf

Viaje 0.024-0.060 0.030

ValoresPublicados

Valorrecomendado

0.030Total

(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

3reportados 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 geopresiones pronost icado, se procederá de la misma manera, en caso de que se requieran tuberías 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

Pagina nueve

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 asentamiento de las tuber ías 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).

2La 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

* iiniciofin Dp

rr-=D

rinicio

Dp lim<210 kg/cm2

rfin corr = * 10Dp lim + r

inicio (2)Di

Dp 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 pre- 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`SASENTAMIENTO DE TR`S

GRADIENTE (gcc)GRADIENTE (gcc) Asentamiento

rfin corrLa 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 es necesar io de te rm ina r una 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 profundidad de Suponer a) asentamiento (Di).

b) Con esta profundidad calcular a presión, en expresada

impuesta por un gradiente, 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 G , b f r a c

expresados en dens idad 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 = DD

*Ifc + Gf Mc

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).

Para seleccionar tubulares, la 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 pozoo Geopresioneso Programa de lodoso Geometría o Especificaciones de tuberíaso 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.

5El 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 CARGARANGO 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

6intermedia . Para el diseño de las demás tuber ías se requ ie ren consideraciones adicionales, las cuales son mencionadas posteriormente.

5.3.1 Diseño por Presión Interna

a) Línea de carga máxima por presión interna.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 internaPresión interna

5.3 Metodología de Diseño

de inyección, es igual al gradiente de fractura al nivel de la zapata de la

6tubería más un factor de seguridad de

30.12 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.



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 rgdel lodo, es la densidad del gas,y fracc

- 3es el gradi ente de fractura; en (gr/cm ). Finalmente FS es un factor de

3seguridad (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 Interfase

Interfase Lodo Gas


P R E S I Ó N

P

R

O

F

U

N

D

I

D

A

D

P R E S I Ó NP 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 Interfase

Interfase - Gas





D=x + y (4)

Pi = Ps +0.1* rm*x+0.1* g*y (5)r

Pi = 0.1* (rfracc+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 * D

Este 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

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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

ID

A

D

Línea de cargapor Presión Interna Resultante

Línea de carga

Resultante

Línea deDiseñopor 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

ID

A

D


P

R

O

F

U

N

D

ID

A

D


Línea de carga

Resultante


Línea de carga

Resultante

Línea deDiseñopor Presión Interna Línea deLínea deDiseñopor Presión Interna Línea de

Figura 8A Línea de Diseño por Presión

Interna

la línea de diseño determinará la l ong i t ud de l a secc ión , es te procedimiento se repite hasta alcanzar la profundidad deseada (Figura 8B).

Se recomienda manejar un máximo de tres secciones, ya que un número mayor representa dificultades logísticas

6y 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 ínea de carga resu l tanteLa 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

ID

A

D


Figura 8B Diseño por Presión Interna

Valores deResistenciaa la PresiónInterna de cada sección

P R E S I Ó N

P

R

O

F

U

N

D

ID

A

D


P

R

O

F

U

N

D

ID

A

D


Figura 8B Diseño por Presión Interna

Valores deResistenciaa la PresiónInterna 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


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

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 N

Figura 10. - Línea de Carga Resultante por

Colapso


Línea deRespaldo

(1.07 gr/cc)


P

R

O

F

U

N

D

I

D

A

D

P R E S I Ó N


Colapso


Línea deRespaldo

(1.07 gr/cc)


P

R

O

F

U

N

D

I

D

A

D

P R E S I Ó N


Colapso


P

R

O

F

U

N

D

I

D

A

D

P R E S I Ó N


Colapso


Línea deRespaldo

(1.07 gr/cc)


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


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


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


Valores deResistenciaa la Presión de Colapso de cada sección

Corrección en la selecciónde 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


Valores deResistenciaa la Presión de Colapso de cada sección


5.4.3 Diseño por Tensióna) Línea de Carga por TensiónConociendo 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

2fluido 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

Tf = 6.45 * L * Gi * Asi (10)

Ti = - (11)Tf + Wsl

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

D

Figura 13. - Línea de Carga por Tensión


Sarta en

Compresión


Pagina diecinueve

Wsl = 1.4913 * Lsl * Pu (12)

Ti’ =T1 + 6.45 * (L - Lsl) * G1 * Asl - As2 (13)

T2 = - (14)T1’ + Ws2

T2’ =T2 + 6.45 * (L - (Lsl + Ls2)) * (15)

G1 * As2 - As3 ÷ ÷

T3 = (16)-+ T2’ + Ws3

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. Es tas mod i f i cac iones pueden obtenerse usando la elipse de

7Holmquist 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


Línea de diseño 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-jalón

Figura 14. - Línea de Diseño por Tensión




P

R

O

F

U

N

D

I

D

A

D

Figura 15. - Diseño por Tensión



resistenciasa la Tensiónde las juntas


P

R

O

F

U

N

D

I

D

A

D

Figura 15. - Diseño por Tensión




TENSIÓN

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,

8empleando el siguiente proceso :

a) Se calcula el parámetro X:

b) Con el valor de X, se obtiene el valor de Y:

c) Se efectúa la corrección a la resistencia a la presión de colapso por

2efecto 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 2grado 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 2correspondiente, 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.Gráf icamente, con los valores 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 elegirá otra tubería de mayor 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 enunc ian las cons ide rac iones adicionales para las tuberías de revest imiento super f ic ia l y de explotación. Además, se presentan más adelante recomendaciones para establecer arreglos de pozos t ipo, y las 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)Ym * As

½2Y = (1 - 0.75 * X ) - 0.5 * X (18)

Rcc = ( 0.07032 ) * Rc * Y (19)

Fdc = Rcc > 1.125 (20)Pcr

6.1 Tubería de Revestimiento Super-ficial

76.1.1 Diseño por Presión internaPara 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 ColapsoPara 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 fluido de perforacion a una profundidad (nivel) equivalente a la zapata de la TR superficial.

La línea de diseño se construirá apl icando el factor de diseño 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

ID

A

D

Respaldo

1.07 gr/cm

Línea de


Línea de carga

Resultante

Línea de

1.07 gr/cm3

Línea de CargaMáxima por Presión Interna

Figura 17 Diseño por Presión Interna TR

Superficial



P

R

O

F

U

N

D

ID

A

D

Respaldo

1.07 gr/cm

Línea de


Línea de carga

Resultante


Línea de carga

Resultante

Línea de

1.07 gr/cm3

Línea de CargaMáxima por Presión Interna

Figura 17 Diseño por Presión Interna TR

Superficial


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 internaEn 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

aire

Pérdida de circulación

Carga: fluido de perforación etapa anterior

Colapso

Respaldo: nivel del fluido

aire

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 N

Figura 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 se establece 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 combinaciones diámetro-grado-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


Presión Interna

Fluido empacante


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. Indent i f icar los arreglos

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. Revisar las condic iones 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 drást icamente las propiedades 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 los asentamientos 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

2comportamiento 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 jecuc ión de los t raba jos de 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

Pagina veinticinco

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 =

lodor

q

pDfinr

inicior

corrfinr

mr

gr

fracr

=

=

=

=

=

=

=

=

=

3.App l ied Dr i l l i ng Eng inner ing , Bourgoyne, Mi l lHeim, Young, 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.Guía para la Predicc ión de Geopresiones, Gerencia de Ingeniería-UPMP, 2003.

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07-asentamiento y diseño de tuberias de revestimiento