46 Diseño Tubería Revestimiento Tenaris

Diseño Diseño de tub tuberí erías as de rev reves esttimiento ento

M .I. Dav David id Hernández Hernández Morales M orales Servicios Técnicos Petroleros 30 de Marzo de 2012

Contenido ü

Asentamiento de las tuberías

ü

Carta de selección de las tuberías

ü

Arreglos de tuberías

ü

Eficiencia en la cementación

ü

Funciones de una tubería conductora

ü

Funciones de una tubería superficial

ü

Funciones de una tubería intermedia

ü

Funciones de una tubería explotación

ü

Fuerzas principales (Tensión, compresión, presión interna y colapso)

ü

Factores de seguridad

Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

2

Contenido ü

Diseño para una tubería de revestimiento superficial ü Diseño para una tubería de revestimiento intermedia ü Diseño para una tubería de revestimiento de explotación ü Desgas Desgaste te de de tubería tubería ü Problemas de Colapso Tectónica de la sal ü Te ü Carga Axial de flexión pura Pandeo ndeo Helicoidal ü Pa ü Esf Esfuerzos biaxiales biaxiales ü Esfuerzos triaxiales ü Resultados del paquete Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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3

Asentamiento de las tuberías Gradientes de poro, fractura y densidades Gradiente de Poro

Perfil de Conductividades.

Profundidad de asentamiento

Con base en la información de los gradientes de poro, gradientes de fractura, experiencia del campo petrolero y requerimiento del objetivo de explotación, se definirá el arreglo de las tuberías de revestimiento; es decir los diámetros y las profundidades de asentamiento de los mismos.

1.000

2.000 ) m ( d a d i d3.000 n u f o r P

4.000

Zona de pérdidas

20 30

50

100

200 300

Conductividad (mmohs/m)


TenarisTamsa

densidad Gradiente de Fractura

5.000 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Densidad (gr/cc)

David Hernández M

4

Asentamiento de las tuberías


TenarisTamsa

David Hernández M

5

Arreglos de tuberías 30”

30”

20”

30”

20”

20”

13 3/8”

13 3/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

16”

11 ¾”

13 3/8”

9 5/8” ó 9 7/8”

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½” Diseño de tuberías de revestimiento

9 5/8” ó 9 7/8”

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½” TenarisTamsa

7” ó 7 5/8”

5” ó 5 ½” David Hernández M

6

Arreglos de tuberías 13 3/8”

13 3/8”

9 5/8”

9 5/8”

7”

7”

5”

3 1/2”

30”

16”

10 ¾”

Arreglos esbeltos y tecnología tubing less 7 5/8”

5”

Arreglo que fue muy utilizado para pozos de desarrollo Diseño de tuberías de revestimiento

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7

Aguas profundas: Full bore/large bore Tirante de agua 1117 m Zona obscura

δ = 1.05 g/cm 3 36”

δ = 1.05 g/cm 3 δ = 1.23 g/cm 3

δ = 1.43 g/cm 3 δ = 1.58 g/cm 3

δ = 1.60 g/cm 3

δ = 1.65 g/cm 3

1226 m

22”

1830 m

18”

2450 m

16”

13 5/8”

9 5/8”

7 5/8”


2970 m

3870 m

4180 m

4775 m

TenarisTamsa

Jeteo Barrena 26” ó 28” Barrena 17 ½” ampliador hidráulico 22”

Barrena piloto 12 ¼” ampliador hidráulico 16” X 20”

Barrena piloto 14 ½” ampliador hidráulico 17 ½”

Barrena 12 ¼”

Barrena 8 ½”

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8

Aguas profundas. Tirante 3,000 m Tirante de agua 2,933 m Proyecto para Aguas Profundas Tirante de agua 3,000 m

Cabezal submarino 18 ¾” – 15M Cima housing 36” = 2.30 m T = 4 °C

36”

3,600 m

22”

4,150 m

18”

Lodo

Jetteada

AM + BB 1.05

36”

26”X33”

1.05

28”

12¼”X17½”X 26” Dark zone

3,068 m

28”

Barrena

Diámetr o

12¼”X17½”X 22” 12 ¼”X20” 14 ¾”X17 ½” 12 ¼”

1.05 1.31 1.50 1.14 1.21 1.21 1.29 1.29 1.33 1.33 1.38

4,550 m

16” 13 5/8” 9 7/8”

7 5/8”

4,750 m

8 ½”

1.38 1.45

Peso Conexión (lb/pie)

Tipo

Grado

De

Hasta Longitud

Line pipe Line pipe

X-65 X-56

726.42 RL-2HCX 2,958 2,998 552.69 RL-4RB 2,998 3,068

40 70

X-56

218.27

RL-4SL

2,958 3,600

642

22”

Line pipe

X-80

224.28

XLW

2,958 4,150

1,192

18"

Liner

N-80

117.00

TSH 511

3,950 4,550

600

16”

Liner

N-80

84.00

TSH 511

3,650 4,750

1,100

TAC-140

88.20

TSH SLX 2,958 5,260

2,302

13 5/8” Casing 9 7/8”

Liner

TAC-140

62.80

TSH 513

5,060 6,050

990

9 7/8”

Tie back

TRC-95HC TAC-110

62.80

TSH 513

2,958 4,200 4,200 5,060

1,242 860

7 5/8”

Liner

TAC-140

39.00

TSH 513

5,850 6,665

815

5,260 m 6,050 m

6,665 m


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9

Carta de selección 4”

TR y linear Diámetro barrena

4 ¾”

TR y linear Diámetro barrena TR Diámetro barrena TR Diámetro barrena TR

5 7/8”

6 5/8”

7 7/8”

4 ½”

5”

5 ½”

6 1/8”

6 ½”

7 7/8”

7 5/8” 7 ¾”

7” 8 ½”

8 ¾”

9 5/8” 9 7/8”

8 5/8”

8 5/8”

9 5/8”

9 ½”

10 5/8”

12 ¼”

10 3/4”

11 ¾” 11 7/8”

13 3/8” 14”

10 5/8”

12 ¼”

14 ¾”

17 ½”

11 ¾” 11 7/8”

13 3/8” 14”

16”

20”

14 ¾”

17 ½”

20”

26”

16”

20”

24”

30”


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Opción primaria Opción secundaria

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10

Biscéntricas


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11

Eficiencia en la cementación Estudio realizado por la Compañía Halliburton (cortesía) 100 Porcentaje de

75 50

éxito 25 0

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Claro radial anular (pg) Diseño de tuberías de revestimiento

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12



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13

Modos de falla de la cementación Ruptura (cracks)


Deformación, anillos, microhuecos, etc

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14


Cracked Cement Sheath


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15

Eficiencia en la cementación. Respuesta del CBL-VDL Tubería libre

Buena unión casingcemento-formación

Microanillos o canales

Buena unión casing-cemento y una pobre unión cemento-formación o alta atenuación de la formación

Rápido arribo de la formación


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16


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Tipos de cementos (clasificación API)

Tipos Mezcla con agua Peso de la lechada Temperatura Estática Clasificación API (gal./saco) (lit./saco) (lb/gal) (gr/cc) °F °C A B C D E F G H

5.2 5.2 6.3 4.3 4.3 4.3 5.0 4.3

20.00 20.00 24.00 16.25 16.25 16.25 20.00 16.25

15.6 15.6 14.8 16.4 16.4 16.4 15.8 16.4


1.87 1.87 1.78 1.98 1.98 1.98 1.90 1.98

80 - 170 26 - 77 80 - 170 27 - 77 80 - 170 28 - 77 170 - 230 77 - 110 170 - 290 77 - 143 230 - 320 110 - 160 80 - 200 26 - 93 80 - 200 26 - 93

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Condiciones de uso Estándar Estándar Cuando se requiere un esfuerzo del cemento rápido Para una moderada temperatura y presión Para una alta temperatura y presión Para extra alta temperatura y extra presión Son usados como un cemento base con acelerador o retadadores para rangos extrechos de uso

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18

Accesorios para la cementación


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19

Accesorios para la cementación


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20

Descripción de las tuberías CONDUCTOR

SURFACE

Casing

Tie back

Tubing

Liner INTERMEDIATE

Casing

Stub

INTERMEDIATE

Packer Liner

PRODUCTION Liner Shooting

PRODUCTION


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Tubería Conductora 30”

Funciones ü ü

ü ü ü ü

Se utiliza a profundidades someras. En terrenos suaves y pantanos es común que se pilote. Para lechos marinos se introduce mediante la operación de jetteo. Evitar derrumbes alrededor del equipo de perforación. Permitir el retorno del fluido. Soportar al cabezal del pozo ó se instala el sistema de desviador de flujo (diverter). Estos conductores se utilizan con extremos lisos para soldarse ó con conexiones rápidas.

50 m

1000 m

20”

13 3/8”

3600 m

5600 m

9 7/8”

7”

5” Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

6400 m

7100 m

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22

Tubería Conductora Fotografías


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23

Tubería Conductora Hincado de tubería ü

El martillo genera un impacto de golpe de 125,000 psi.

ü

Para tuberías de 30” X 1/2” de espesor, el rechazó se puede alcanzar hasta 70 golpes por pie de hincado.

ü

Para tuberías de 30 X 1” de espesor, el rechazó se puede alcanzar hasta 200 golpes por pie hincado.


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24

Tubería Superficial 30”

Funciones ü ü ü ü

ü

Es la primera tubería de revestimiento que se introduce al pozo. Proteger los acuíferos superficiales de la contaminación de los fluidos de perforación. Prevenir derrumbes y pérdidas de circulación en formaciones porosos de baja profundidad. Se instala el primer cabezal y conexiones superficiales de control. Posteriormente soportará al resto de colgadores, árbol de válvulas y aparejo de producción. Se recomienda cementar hasta la superficie.

50 m

1000 m

20”

13 3/8”

3600 m

5600 m

9 7/8”

7”


TenarisTamsa

6400 m

7100 m

David Hernández M

25

Tubería Superficial


TenarisTamsa

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26

Tubería Superficial Levantamiento de cabezales. Caso terrestre.

Casing 24”

Casing 16”

(conductor)

(superficial)


Casing 11 ¾”

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Tubería Superficial Levantamiento de cabezales. Caso Marino.


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28

Tubería Superficial Descontrol subterráneo de un pozo (blowout).


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29

Prueba de Goteo (Leakoff Test – LOT) Desarrollo ü ü ü ü ü

ü

El lodo de perforación debe de estar en buenas condiciones. Muchos operadores perforan como máximo 100 pies (30 m) por debajo de la zapata. Se cierran los preveentores (BOP). Se inicia el bombeo. Se recomienda para agujeros pequeños un gasto de ¼ de bls/min. y para agujeros grandes ½ de bls/min. Cuando se detecté un cambio en la tendencia, podrá seguir bombeando un volumen pequeño y suspender dejando cerrado el pozo durante 10 minutos e ir anotando el comportamiento de presión. Después de abrir el pozo, se deberá de cuantificar el volumen que regresa la formación.


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30

Prueba de Goteo (Leakoff Test – LOT) Ejemplo

Se realizó un prueba de leakoff test a la profundidad de 3,050 m (10,000 pies) con un fluido de 1.35 g/cc (11.2 lb/gal) y se obtuvo el siguiente comportamiento gráfico y después de que se abrió el pozo se observó que este regreso 5 barriles . Volumen (Barriles)

Presión (psi) 1200

0.00 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.25 6.50

0 45 125 230 350 470 590 710 830 950 990 1,010 1,010 1,010


1000

) i s p (

800

n ó i s e r P

600

Estabilización de la presión a 10 minutos

400

200

0 0

1

2

3

4

5

6

7

Volumen (barriles)

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31

Tubería Intermedia 30”

Funciones ü

ü ü

ü ü

50 m

Permitir la perforación, incrementando o reduciendo la densidad del lodo para alcanzar la siguiente etapa. Proteger al agujero de derrumbes. Sellar zonas de pérdidas de circulación, aislar domos salinos, anhidrita ó problemas de 13 3/8” tectónicade placas. Cubrir zonas de presión anormalmente altas de 9 7/8” lutitasy formaciones carbonatadas. Se recomienda que se cemente totalmente. Sin 7” embargo, es común que se cemente con un traslape. 5”


1000 m

20”

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3600 m

5600 m

6400 m

7100 m

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32

Tubería Explotación 30”

Funciones ü

ü ü ü

Proteger al agujero de zonas de derrumbes, de baja permeabilidad que puedan ocasionar pérdidas de circulación. Aislar el yacimiento de los fluidos indeseables. Se instalaran los accesorios y empacadores para la terminación del pozo. Cuando es un liner se recomienda que se cemente totalmente.

50 m

1000 m

20”

13 3/8”

3600 m

5600 m

9 7/8”

7”


TenarisTamsa

6400 m

7100 m

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Fuerzas Principales Fuerzas principales que actual sobre la TR Generada por el peso de la tubería. Generada por los fluidos contenidos en la formación.

Generada por una posible manifestación de gas, aceite, agua salada, etc.

Generada por el fluido de perforación durante la introducción o por el cemento durante la cementación. Diseño de tuberías de revestimiento

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34

Factores de seguridad Factores de seguridad comúnmente utilizados en la industria Petrolera.

Diseño Presión interna Colapso Tensión Compresión Elipse Von Misses Diseño de tuberías de revestimiento

Factores de seguridad comúnmente utilizados 1.10 1.125 1.60 – 1.80 1.20 1.25 TenarisTamsa

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35

Fuerzas Principales Tensión

La magnitud de la tensión de la tubería en superficie es el peso de la misma cuando es introducida en el pozo y durantela operación de cementación. En el diseño de las tubería deberá considerarse un valor adicional de tensión, debido a que durante la introducción pueden presentarse pegaduras, derrumbes, fricciones, etc., y pude ser necesario sacar la tubería a superficie. Un factor se seguridad a la tensión aceptado en la Industria Petrolera y Geotérmica es de 1.6 a 1.8 Diseño de tuberías de revestimiento

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36

Fuerzas Principales Tensión

Los métodos comúnmente utilizados para calcular la tensión dela tubería de revestimiento son: üMétodo del Factor de Flotación. üMétodo de presión-área.


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Fuerzas de tensión y compresión Compresión (1,000 lb)

” 5 2 6 . 8 = d

Tensión (1,000 lb) 747 lb-f

W TR =W unitario* D W TR =(4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR =988,723 lb

D =9.875” de62.8 lb/pie

Tensión

P.N. =(747,328)/(3.28)(62.8)=3628m

Compresión

δ =1.95 gr/cm3 -241 lb-f 4800m A = π(D2-d2)/4 = π(9.8752-8.6252)/4 =18.162 pg2 PH = δ (D) /10 =1.95(4800)/10=936 kg/cm2 =13, 291 psi F =PH * A =(13, 291 lb/pg2)(18.162 pg2 ) =- 241,391 lb-f Diseño de tuberías de revestimiento

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38

Fuerzas Principales Collarin de seguridad


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39


” 2 9 8 . 4 = d

Tensión (1,000 lb) 123 lb-f

W TR =W unitario* D W TR =(2600 m)(17 lb/pie)(3.28) W TR =144,976 lb D =5 ½” de 17 lb/pie

δ =1.45 gr/cm3

Tensión

P.N. =(1232,697)/(3.28)(17)=2200m

Compresión -22 lb-f

2600m A = π(D2-d2)/4 = π(5.52-4.8922)/4 =4.962 pg2 PH = δ (D) /10 =1.45(2600)/10=377 kg/cm2 =5,353 psi F =PH * A =(5,353 lb/pg2)(4.962pg2 ) =- 22,279 lb-f


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40


” 2 9 8 . 4 = d

Tensión (1,000 lb) 123 (1.8)=221 lb-f

W TR =W unitario* D W TR =(2600 m)(17 lb/pie)(3.28) W TR =144,976 lb D =5 ½” de 17 lb/pie

δ =1.45 gr/cm3

P.N. =2200m

Tensión Compresión 2600m

-22 (1.2) =- 26.4 lb- f

A = π(D2-d2)/4 = π(5.52-4.8922)/4 =4.962 pg2 PH = δ (D) /10 =1.45(2600)/10=377 kg/cm2 =5,353 psi F =PH * A =(5,353 lb/pg2)(4.962pg2 ) =- 22,279 lb-f


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Fuerzas de tensión y compresión δ lodo =1.45 g/cm3 450 m ” 2 9 8 . 4 = d

Compresión (lb) Tensión ( lb) 144,976– 49,320 =95,656lb-f

W TR =W unitario* D W TR =(2600 m)(17 lb/pie)(3.28) W TR =144,976 lb

δ cemento =1.70 g/cm3

1600m

Tensión Compresión

δ

cemento =1.85 g/cm3

P.N. =(95,656)/(3.28)(17)=1715m P.N. =2200 m

2600m

- 150,274+100,956=- 49,320

A = π(D2)/4 = π(5.52))/4 =23.74pg2 PH1 = δ (D) /10 =1.45(450)/10=65.25 kg/cm2 PH2 = δ (D) /10 =1.70(1600 - 450)/10 =195.5 kg/cm 2 PH3 = δ (D) /10 = 1.85(2600 - 1600)/10 = 185 kg/cm 2 Total de Presión =445.75 kg/cm2 F =PH * A

=6,330 psi 150,274 lb-f

=(6,330 lb/pg2)(23.74pg2 ) =-


TenarisTamsa

A = π(d2)/4 = π(4.8922))/4 =18.80 pg2 PH1 = δ (D) /10 =1.45(2570)/10=372.65 kg/cm2 PH2 = δ (D) /10 = 1.85(30)/10 = 5.55 kg/cm2 Total de Presión =378.2 kg/cm2 =5,370 psi F =PH * A =(5,370 lb/pg2)(18.80pg2 ) =+100,956 lb-f David Hernández M

42

Fuerzas Principales Compresión

La fuerza de compresión es genera por el empuje del fluido (lodo ó cemento) que actúa sobre el área de la sección transversal de la tubería, al ser introducida al pozo. Altos valores de compresión pueden presentarse cuando la tubería de revestimiento es introducida en altas densidades del fluido de perforación y en las cementaciones. La fuerza de compresión deberá desaparece después del fraguado del cemento.


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Fuerzas Principales Compresión

El diseñador deben tener presente este fenómeno, principalmente en la selección de la conexión; ya que las cone onexio ion nes inte integ grale less lis lisas (flus flush) ó suaje jea adas (semi flus flush) tie tienen un menor valo lorr de resis iste ten ncia iass a la comp ompresió ión n de la lass conexiones con cople y del propio tubo; por lo que es reccome re omenda ndable re rev vis isa ar este valor.


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Fuerzas en caso de casing flotado Compresión (1,000 lb) m 0 0 0 1 = l e v i N

Tensió nsión n (1,00 ,000 lb) lb) 585,565 585,565lblb-f

W TR =W unitario* D W TR =(4800 (4800 m)(62.8 )(62.8 lb/pie)( lb/pie)(3.28) 3.28) W TR =988,723 =988,723 lb

D =9.875 =9.875”” de62 de 62.8 .8 lb/p lb/pie ie

Tensió nsión n

P.N. =(747,32 (747,328)/( 8)/(3.28) 3.28)(6 (62.8) 2.8)= =2843m 2843 m

Compresión ” 5 2 6 . 8 = d

δ =1.95 gr/cm gr/cm3

-403, -403, 158 158 lblb-f

4800 4800m m A = π(D2)/4 = π(9.8752)/4 =76.5 =76.59 9 pg2 PH = δ (D) (D) /10 =1.95(480 =1.95(4800) 0)/10 /10=936 =936 kg/c kg/cm m2 =13, =13, 291 291 psi psi 2 2 F =PH =PH * A =(1 =(13, 291 lb/ lb/pg )(76.59 )(76.59pg pg ) =- 1,01 1,017, 7,95 958 8 lblb- f Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

A = π(d2)/4 = π(8.6252)/4 =58.43 =58.43pg pg2 PH = δ (D) (D) /10 =1.95(38 =1.95(3800) 00)/10 /10=741 =741 kg/c kg/cm m2 =10,522 =10,522 psi psi 2 2 F =PH =PH * A =(1 =(10,52 ,522 lb/p lb/pg g )(58.43 )(58.43pg pg ) =+61 =+ 614, 4,80 800 0 lblb-f David Hernández M

45

Fuerzas en caso de casing flotado Compresión (1,000 lb) Niv Nivel =492 =492 m

Tensió nsión n (1,00 ,000 lb) lb) 657,9 657,964 64lb lb =300 Ton

W TR = 974,160 lb

P.N. .N. =2786 =2786 m

Tensió nsión n ” 7 4 3 . 2 1 = d

Compresión

δ =1.54 g/c g/cm3

- 316, 316,19 196 6 lblb-f

13 3/8” - 4,125 m


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46

Autores Diseño de tuberías de revestimiento por cargas máximas

– Neal Adams.

ü ü

– Adam T. Bourgoyne Jr., Keith K. Millheim, Martin E. Chenevert, F.S. Young Jr.

ü

. Hussain Rabia ü

. Michael J. Economides, Larry T. Watters, Shari Dunn Norman.


TenarisTamsa

David Hernández M

47

Criterios de Diseño para Casing’s Presión de Colapso

Presión Interna Respaldo: agua Salada

Carga: Fluido de la densidad cuando se perforó

Efecto: Pérdida de circulación

Carga: Gasificación Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

48

Diseño para TR superficial Presión Interna ü

ü

ü

ü

Como carga se considera un brote de gas metano que ocupa todo el interior de la tubería llena. No hay que sobrepasar la presión de fractura por debajo de la zapata. Como respaldo se considera la presión de formación normal del área. El efecto de cemento se considera despreciable.


TenarisTamsa

Respaldo: Presión de formación normal

Precaución: Con la presión de fractura

Carga: Brote de gas metano David Hernández M

49

Diseño para TR superficial Colapso

üComo carga se considera el

fluido de perforación cuando se perforó esa etapa. üComo respaldo se considera el nivel del fluido por el interior, al considerarse una pérdida de circulación y el nivel es equivalente a la presión de formación normal ó un tercio de la evacuación. üEl efecto de cemento despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Nivel del fluido


Efecto: Pérdida de circulación David Hernández M

50

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Presión Interna 1) Presión de inyección debajo de la zapata P. inyección =(δfractura +0.12) D/10 = (1.60 +0.12) (1,000)/10 P. inyección = 172 Kg/cm2 = 2,445 psi 2) Presión superficial esperada en la cabeza del pozo P bop’s = P inyección – PH gas =172 – (0.27)(1,000)/10 P bop’s = 172 – 27 = 145 kg/cm2 = 2,060 psi

Prespaldo

3

m c / g 7 2 . 0 = o n a t e m

δ

20” a 1000 m

3) Presión de respaldo P respaldo = 1.07(1,000)/10 = 107 kg/cm2 = 1,520 psi

3

mδ fractura=1.60 g/cm3 c / r g 4 5 . 1 = o d o l

δ

3500 m brote gas metano


TenarisTamsa

David Hernández M

51

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Presión Interna 2,060 psi

2,270 psi

3

m c / g 7 0 . 1 = δ

1.1

3

m c / g 7 2 . 0 = o n a t e m

δ

P r o f u n d i d a d

Respaldo

Resultante Diseño

Carga

925 psi

20” a 1,000 m Diseño de tuberías de revestimiento

1,020 psi

1,000 TenarisTamsa

1,520 psi

2,000 Presión (psi)

2,445 psi

3,000 David Hernández M

52

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso 1) Presión de colapso. P colapso =δ (D)/10 =1.20(1,000)/10 =120 Kg/cm2 =1,704 psi Respaldo 2) Presión hidrostática ejercida por el fluido de la siguiente etapa (hasta la profundidad del siguiente asentamiento) PH lodo - próxima etapa = δD/10 = 1.54 (3,500)/10 = 539 kg/cm2 3) Presión Hidrostática simulando una columna de agua congénita. PH agua congétita = 1.07 (3,500) /10 = 375 Kg/cm2 = 5,325 psi 4) Diferencial de presión ∆P =539 – 375 = 164 Kg/cm2 5) Nivel del fluido N fluido =((∆P) 10/δ lodo) = 164 (10) / 1.54 = 1,065 m Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

o í c a v

3

m c / r 0 2 . 1 = o d o l

δ

Nivel = 1065 m δ fract.=1.60 g/cm3 20” – 1000 m 3 m c / g 4 5 . 1 = o d o l

δ

Pérdida de circulación Prof. próxima 3500 m

David Hernández M

53

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso Nota: En este caso el nivel del fluido por el interior se localiza a 1,065 m, por lo que la TR estavacía .

3

m c / g 0 2 1 = δ


Carga y resultante

Diseño 1.125 1,704 psi


1,000 TenarisTamsa

Presión (psi)

1,920 psi

2,000


54

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso (con experiencia, nivel a 300 m) 1) Presión de colapso. P colapso =δ (D)/10 =1.20(1,000)/10 =120 Kg/cm2 =1,704 psi Respaldo 2) Presión de respaldo Prespaldo = δD/10 = 1.54 (700)/10 = 107 kg/cm2 = 1530 psi

o í c a v

3

m c / g 0 2 . 1 =

Nivel = 300 m

o d o l

δ

20” – 1000 m 3

m c / g 4 5 . 1 = o d o l

δ

Prof. próxima 3500 m


TenarisTamsa

δ fract.=1.60 g/cm3

Pérdida de circulación equivalente 1.32 g/cm3

David Hernández M

55

Diseño para TR superficial Ejemplo. Caso: Colapso (con experiencia de campo)

3

m c / g 0 2 . 1 = δ

3

m c / g 4 5 . 1 = o d o l

δ


575 psi

511psi

Respaldo

Nivel del fluido por el interior a 300 m

1.125 Diseño

Resultante Carga 174psi

196psi


1530psi

1,000 TenarisTamsa

1,704 psi

Presión (psi)

2,000


56

Diseño para TR superficial Ejemplo. Diseño a Presión Interna y Colapso Presión interna P r o f u n d i d a d

Colapso

2,270 psi

Diseño

1,020 psi 1,000

i s p 0 1 1 , 2 – e i p / b l 4 9 , 5 5 – K

2,000

i s p 0 1 4 , 2 – e i p / b l 5 . 6 0 1 , 5 5 – K

P 575psi r o f u n d i d a 196psi d 3,000

i s p 0 7 7 – e i p / b l 5 . 6 0 1 , 5 5 – K

1,000

Presión (psi)

Nivel del fluido por el interior a 300 m

Presión (psi)

2,000

3,000

Conclusión: 20” K-55, 106.5 lb/pie de 0 a 1000 m. Drift = 18.813 pg Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

57

Arreglo BOP´s


TenarisTamsa

David Hernández M

58

Diseño para TR Intermedia Presión Interna ü Se considera un brote de gas metano. ü Para este caso se considera dos fluidos por el interior el lodo de perforación y el gas. ü Tener cuidado de no sobrepasar la presión de fractura en la zapara (durante la circulación del brote). ü El respaldo se considera la presión de formación del área. ü El efecto de cemento despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Presión de formación normal

Precaución: Con la presión de fractura

Carga: Brote de gas metano David Hernández M

59

Diseño para TR Intermedia Colapso ü La carga es el fluido de perforación cuando se perforó. ü Se considera una pérdida de circulación cuando se esta perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura que es equivalente a la presión de formación normal de la zona ó un tercio de la evacuación. efecto de cemento ü El despreciable. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Respaldo: Nivel del fluido


Efecto: Pérdida de circulación David Hernández M

60

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 1) Presión de inyección en la zapata Pinyección = (δfractura +0.12) D/10 = (2.00 +0.12) (3,500)/10 Pinyección = 742 Kg/cm2 = 10,540 psi 2) Ecuaciones para determinar interfase gas-lodo P inyección =Pbop’s + (Xlodo) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 ---(1) Xlodo +Ygas =D ---(2) Despejando de la ecuación (2) Xlodo y sustituyéndola en (1), tenemos: Xlodo =3,500 – Ygas Sustituyendo en la ecuación (1), tenemos: P inyección =352 + (3,500 – Ygas) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

3

Formación normal 1.07 g/cm3

13 3/8”–3500m

5000 m

m c / g 0 9 . 1 = o d o l

δ

BOP’S – 5M

Interfase gas-lodo = 1810 m


brote gas metano de 0.27 g/cm3

David Hernández M

61

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 742 = 352 + (3,500 – Ygas) (δlodo)/10 + (Ygas) (δgas) /10 742 = 352 + (3,500 - Ygas) (1.90)/10 + (Y gas) (0.27) /10 742 =352 +665 – 0.190 Ygas + 0.027 Ygas 742 – 352 -665 =– 0.163 Ygas - 275 =– 0.163 Ygas Ygas = 275 / 0.163 = 1,690 m Despejando de la ecuación (2), tenemos: Xlodo =3,500 – 1,690 = 1,810 m 3) Cálculo de la presión en la interfase gas-lodo Pgas=(Ygas) (δgas)/10 = (1,690)(0.27)/10=46 Kg/cm2=650psi P interfase =P inyección – Pgas = 10,540 – 650 = 9,890 psi Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

3


13 3/8”–3500m

5000 m

m c / g 0 9 . 1 = o d o l

δ

BOP’S – 5M




David Hernández M

62

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 4) Cálculo de la presión de respaldo P respaldo =(δformación normal) D/10 = P respaldo = (1.07)(3,500)/10 = 375 Kg/cm2 = 5,320 psi

3


13 3/8”–3500m

5000 m


TenarisTamsa

m c / g 0 9 . 1 = o d o l

δ

BOP’S – 5M




David Hernández M

63

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Presión Interna 5,000 psi 3 3

m c m / c r / g r g 0 7 9 0 1 . 1 = = δ δ 3

m c / g 7 2 . 0 = o n a t e m


5,500 psi

Respaldo 1,810 m

2,750 psi

7,140 psi

Resultante

7,854 psi

Diseño Carga

5,742

δ

13 3/8” a 3,500 m

9,890 psi

5,220 psi

10,540psi

5,320 psi

5,000

10,000

15,000

Presión (psi)


TenarisTamsa

David Hernández M

64

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Colapso 1) Presión hidrostática del fluido de perforación de la siguiente etapa hasta la profundidad próxima PH lodo - próxima etapa = δD/10 = 1.90 (5,000)/10 = 950 kg/cm2 2) Presión hidrostática del fluido de formación normal PH form. normal = 1.07 (5,000) /10 = 535 Kg/cm2 3) Diferencial de presión ∆P =950 – 535 = 415 Kg/cm2 4) Nivel del fluido N fluido =((∆P) 10/δ lodo) = 415 (10) / 1.90 = 2,185 m 5) Presión de colapso en el fondo Pcolapso = δ (D)/10 = 1.54(3,500)/10 =539 Kg/cm2 =7,650 psi


TenarisTamsa

3

m c / g 4 5 . 1 = o d o l

Nivel=2185m

δ

13 3/8”–3,500m

3

3 m c δ fract.=2.00 g/cm / g 0 9 . 1 = o d o l

δ

Pérdida de circulación 5,000 m

David Hernández M

65

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Caso: Colapso 3

m c / g 4 5 . 1 = δ

3

m c / g 0 9 . 1 = o d o l

δ


2,135m

5,253 psi

4,670 psi

Resultante Respaldo

13 3/8” a 3,500 m


Diseño 3,680 psi

3,970 psi

4,470 psi


TenarisTamsa

Carga 7,650 psi

10,000

David Hernández M

66

Diseño para TR intermedia Ejemplo. Diseño a presión Interna y Colapso Colapso

Presión Interna 5,500 psi P r o f u n d i d a d

13 3/8” P-110 77lb/pie – 7,920 psi Lodo gas

7,854 psi Diseño


13 3/8” TAC-140 77lb/pie– 10,070 psi 10,000


13 3/8” P-110 77lb/pie– 3,490 psi Diseño

5,253 psi Nivel del fluido 2,135m

13 3/8” TAC-140 77lb/pie– 5,320 psi

4,470 psi 5,000 Presión (psi)

10,000

Conclusión: 13 3/8” P-110 de 77 lb/pie de 0 a 1,200 m. Drift = 12.119 pg 13 3/8” TAC-140 de 77 lb/pie 1,200 a 3,500 m. Drift = 12.119 pg Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

67

Arreglo BOP’s


TenarisTamsa

David Hernández M

68

Diseño para TR explotación BOP’s

Presión Interna

üSe considera una fuga de presión

en la tubería de producción y esta se comunica hacía la tubería de revestimiento cerca de la superficie. Esta presión será igual a la presión de formación. üSe considera gas. üSe considerauna degradación del fluido empacante.

Respaldo: No se considera

Carga: Presión de yacimiento Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

69

Diseño para TR explotación Colapso

üLa tubería de explotación se

considera completamente vacía. üSe considera una fuga del fluido empacante. üSe considera por el exterior de la tubería la densidad del fluido de perforación.


TenarisTamsa


Respaldo: No se considera (full evacuation)

David Hernández M

70

Tubería Explotación Observaciones a considerar ü La tubería de explotación deberá ser diseñada a su máximo

colapso, debido a que en operaciones de terminación del pozo se realiza una estimulación la cual genera una evacuación total del pozo, siendo esta crítica cuando el pozo no produce (full evacuation).

ü La

tubería de explotación debe de ser diseñada a su máxima presión interna debido a que se pueden manejar altas presiones por una estimulación ó un fracturamiento (surface tubing leak hot or fracturing).


TenarisTamsa

David Hernández M

71

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Presión Interna 1) Presión interna en la zona de los disparos. Si se conoce el valor de la presión de fondo fluyendo, este será el valor a ser considerado. P interna en el fondo =(D disparos) (δ lodo)/10 = (5,300) (1.35) / 10= 715 Kg/cm2 = 10,160 psi

BOP’S – 10M Comunicación de la presión del yacimiento hacía la TR

Ahora en la superficie sería: P superficie =Pyac.- (H gas) (δ lodo)/10 = 715 - (5,300) (0.27) / 10= 572 Kg/cm2 = 8,122 psi

Nota: Obsérvese que las conexiones superficiales de control son para 10,000 psi de presión. Sin embargo, si su proyecto requiere de mayor presión las conexiones superficiales deberán deser de 15,000 psi.


TenarisTamsa

9 5/8”–5,000m

δ lodo=1.35 g/cm3 Disparos 7” –5,500m

5,300 m Presión de fondo fluyendo

David Hernández M

72

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Presión Interna 8,122 psi

Pff P r o f u n d i d a d

8.934 psi

Carga y Resultante Algunos diseñadores, esta línea la consideran como la de carga, resultante y (por las propias consideraciones de diseño)

Intervalo delos disparos Presión fondo fluyendo

BOP =10,000 psi

7”a 5,500 m


5,000 TenarisTamsa

Diseño

10,150 psi 10,000 Presión (psi)

11,165 psi 15,000 David Hernández M

73

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Colapso BOP’S – 10M

1) Presión para el colapso en el fondo del pozo. P colapso =(D total) (δ lodo)/10 = (5,500) (1.35) / 10 = 742 Kg/cm2 = 10,540 psi

ó i c a V

9 5/8”–5,000m Densidad del fluido cuando se perforó

δ lodo=1.35 g/cm3 Disparos 7” –5,500m


TenarisTamsa

5,300 m Presión de fondo fluyendo

David Hernández M

74

Diseño para TR explotación Ejemplo. Caso: Colapso

o í c a V 3

m c / g 5 3 . 1 = δ


BOP =10,000 psi

Carga y Resultante Algunos diseñadores, esta línea la consideran como la de carga, resultante y (por las propias consideraciones de diseño)

7”a 5,500 m Diseño de tuberías de revestimiento

5,000 TenarisTamsa

Diseño

10,535 psi

Presión (psi)

10,000

11,850 psi 15,000 David Hernández M

75

Diseño para TR explotación Ejemplo. Diseño a Presión Interna y Colapso Presión Interna P r o f u n d i d a d

Colapso

BOP=10,000psi

7” TRC-95 32 lb/pie – 10,760 psi

Carga, Resultante y Diseño 7” P-110 32 lb/pie – 12,460 psi

Intervalodelosdisparos 5,000


BOP =10,000psi

7” TRC-95 32 lb/pie – 9,740 psi

Diseño 7” P-110 32 lb/pie – 10,780 psi

10,150psi Presión (psi)

10,000

10,535psi 15,000

5,000

Presión (psi)

10,000

15,000

Conclusión: 7” TRC-95 32 lb/pie de 0 a 3,000 m (por H2S). Drift = 6.000 pg 7” P-110 32 lb/pie de 3,000 a 5,500 m. Drift = 6.000 pg Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

76

Arreglo BOP’s

9 5/8”


TenarisTamsa

David Hernández M

77

Desgaste en tuberías Problemática


TenarisTamsa

David Hernández M

78

Desgaste en tuberías Problemática

El desgaste mecánico se genera en las tuberías por: üPaso de las herramientas en secciones con altas severidades de pata de perro (cambio de ángulo y rumbo). üAltas horas de rotación. üOperaciones de pesca. Cuando exista la evidencia de desgaste, el diseñador deberá considerar un incremento en el espesor del cuerpo del tubo, siempre y cuando pueda introducirse la barrena de la siguiente etapa (drift). Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

79

Desgaste en tuberías Pérdida de las propiedades mecánicas de la tubería por efecto del desgaste mecánico. Ejemplo: 13 3/8” N-80 72 lbm/ft.

Espesor Tensión Colapso Presión interna

Sin desgaste 0.514 pg 1,661,000 lb-f 2,670 psi 5,380 psi


Desgaste 10% 0.463 pg 1,501,000 lb-f 2,060 psi 4,840 psi

TenarisTamsa



David Hernández M

80

Desgaste en tuberías Presión Interna

Problemas de desgaste Colapso

Corrosión Diámetro exterior

Pérdida de espesor de 0.2646”, equivalenteal 42% del espesor total

Diámetro interior


TenarisTamsa

David Hernández M

81

Desgaste en tuberías p r o f u n d i d a d

Lodo 1.25 gr/cc

Evaluación del desgaste del orden del 4%, lo que generó una reducción en su resistencia al colapso de 1,480 psi a i s p 1,300 psi

(m)

1991 m Bache 1.00 gr/cc 2144 m

máximo colapso 1,300 psi

Sep.145 gr/cc

2207 m

0 8 4 , 1 o b u t l e d l a n i m o n a i c n e t s i s e r

2384 m 2481 m - PD 2429 m - PV

TR - 16”

Resultante de la presión ejercida sobre la TR de 16” (psi)

cemento agujero 14 3/4” Diseño de tuberías de revestimiento

2868 m - PD 2758 m - PV TenarisTamsa

David Hernández M

82

Desgaste en tuberías Fuerza de Tensión

20” 1000 m

Fuerzas sobre la TR

Fuerza Lateral

Desgaste sobre la TR

Alta severidad en el intervalo

16” 2481 m

Fuerza torsional Fuerza de compresión

Pegadura 2625 m 2871 m Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

Colapso

David Hernández M

83

Tectónica de sal 30”

Intervalo: 5301 - 5419 m 20”

Temperatura 123 °C a 5259 m

892 m

Exterior del tubo Lodo 2.03 gr/cc

15,250 psi

BL 9 5/8” 13 3/8”

Interior del tubo Lodo 1.72 - 1.80 gr/cc

12,950 psi

2996 m

Resultante 2,300 psi Empacador 5078 m 9 5/8” 7” 5”

7” TAC-140 35 lb/pie con una resistencia al colapso de 17,380 psi

BL 5081 m 5248 m 5548 m 5696m

4 1/8” a 5762 m Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

84

Tectónica de sal 30”

Se aisló el intervalo activo de sal con una TR de 7” TAC-140 de 35 lb/pie.

147.50 m 551 m

20”

13 3/8”

1788 m

BL 7” – 2845 m 2960 m SAL

9 5/8”-9 7/8”

BL 5” – 3492 m

7” 5”

3956 m 3936 m 4260 m


TenarisTamsa

David Hernández M

85

Tectónica de sal Otro caso de actividad tectónica 30”

50 m Metió TR a 662 m donde se pegó (fondo 1000 m)

20” 16”

δ =1.27 g/cm3

Metió TR a 715 m, donde se pegó, bajó densidad, despegó y metió a 1000 m.

KOP =1610 m

BL 11 ¾” – 2604 m

δ =1.61 g/cm3

13 3/8”

KOP =1653 m

2994 m Severidad máx=3.32 a 2751 m

δ =2.17 g/cm3 Densidad =2.17 gr/cc BL 7” – 4326 m

11 ¾” 9 7/8”

Agujero de 12 ¼” a 4079 m (fondo)

3756 m Para cubrir sal. Fondo 4079 m δ =2.14 g/cm3 4487 m

Ángulo máximo = 41° a 2835 m y lo mantuvo hasta 3850 m

Ángulo de 46° a 4500 m y empezó a reducirlo.

δ =1.80 g/cm3 7”

5105 m

δ =1.20 g/cm3

Fondo desarrollado 5700 m con un ángulo de 4°. Vertical =4993 m

Fondo 5310 m


TenarisTamsa

David Hernández M

86

Problema de colapso Análisis del casing de 9 5/8” a explotación 3

Prof .

m c / g 2 0 . 2

30”

20”

Resisten cia de l a tu bería 9 5/8” TRC-95 - 7,340 psi

1005 m

= δ

1,800 m Anomalía en 9 5/8” a 2,957 13 3/8”

Resistencia de la tubería 9 5/8” P-110 - 7,950 psi La intercepción de la carga con la capacidad mecánicade la tubería se ubicó a los 2,800 m.

2,987 m

Carga y resultante

9 5/8”

4,801 m

13,770 psi Resistencia del la tubería 7” TAC-140 de 35 lb/pie - 17,380 psi

7”

5,295 m

5”

5,874 m

0


5,000

TenarisTamsa

10,000

Presión (psi)

David Hernández M

15,000

87

Problema de colapso 30” 16”

c c / r g 2 4 . 1 =

Carga y Resultante 530 m

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” TRC-95 60 lb/pie = 3,440 psi

δ

916 m

13 3/8”

TXC 1800 m

La intercepción de la carga con la capacidad mecánicade la tubería se ubicó a los 1,800 m.

Al colapsarse la TR, la formación (arena) se introdujo dentro del pozo arenándolo. B.L. 9 5/8” 11 ¾”

3,070 m

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” P-110 60 lb/pie = 3,610 psi B .L. de 9 5/8” 6,600 psi

5,295 m 2,000

4,000

6,000

Presión (psi) 9 5/8”

3,920 m El problema se presentó al estar perforando con barrena de 8 3/8” a la profundidad de 4337 m, con bajo balance


TenarisTamsa

Presión (psi)

David Hernández M

88

Tensión–Explotación–Full evacuation & SurfaceTubing leak hot Pcabeza =8,122 psi

W TR =W unitario* D W TR =(4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR =988,723 lb Fb =0.86 (aguaformación normal) W TR =850,301 lb


9 7/8” 62.8 lb/pie- 4800 m

7”

Disparosa 5,300 m. Presión de yacimiento


2,098 psi

Pform.normal =8,052 psi 5,000

TenarisTamsa

Pyac. =10,150 psi 10,000

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89

Tensión–Explotación–Full evacuation & SurfaceTubing leak hot

Full evacuación: Peso del casing flotado (considera la presión de poral de 1.07 g/cm3) = 988,723 (0.86) = 850,301 lb-f

W TR =W unitario* D W TR =(4800 m)(62.8 lb/pie)(3.28) W TR =988,723 lb Fb =0.86 (aguaformación normal) W TR =850,301 lb

Surface tubing leak hot, considera una fuga del tubing cuando el pozo esta produciendo cerca de la superficie; luego entonces se presentará un incremento en la presión interna y por consecuencia un incremento en la tensión de: Tadic =0.47(d2)∆P =0.47(8.6252)(8,122) Tadic =283,974 lb-f Entoncesel casing pesará: Wcasing=850,301+283,974=1,134,275 lb-f

9 7/8” 62.8 lb/pie- 4800 m

7”

Disparosa 5,300 m. Presión de yacimiento


Wcasing =1,134,275(1.60)=1,814,840 lb-f TenarisTamsa

David Hernández M

90

Carga axial de Flexión Pura

Carga por tensión Carga por compresión Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

91

Carga axial por flexión pura

σbend =

E r

DLS

5730

(12)

= 218 DLS D

σbend = Esfuerzo axial por el pandeo (psi) DLS = Severidad de la pata de perro (grados/100 pies) D= Diámetro exterior de la tubería (pulgadas) r= Distancia del centro de la linea del la tubería al radio donde el esfuerzo es calculado en el plano del pandeo. E= Modulo de elasticidad = 30 x 106 psi Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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92

Inestabilidad Axial: Pandeo helicoidal El Pandeo es la ausencia de rigidez de la tubería; por lo que esta entrará en plasticidad.

Deformación lateral ó senoidal – pozo desviado Diseño de tuberías de revestimiento

Deformación helicoidal ó enrollado – pozo vertical

TenarisTamsa

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93

Pandeo Helicoidal ó Buckling Eventos que causan el Pandeo Helicoidal ü ü

ü

ü

Altas fuerzas de compresión en la tubería. Fatiga en las conexiones flush o se semiflush que pueden birincarse (jump out). Desgaste en la tubería y conexiones debido a la fricción generada por el paso de las herramientas durante la perforación. Incrementos en la presión interna.


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94

Pandeo Helicoidal ó Buckling Como prevenir el Buckling

Considerar la cima del cemento por arriba del punto neutro para evitar el buckling potencial. ü Uso de centradores para reducir la distancia radial entre el casing y el agujero. ü Deberá tensionarse el casing con una valor adicional cuando este será colocado en el colgador. ü Tratar de mantener un agujero calibrado durante la perforación. ü


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95

Pandeo Helicoidal ó Buckling Cálculo de la Fuerza critica (Ecuación Dawson’s) F critica = 2

E ⋅ I ⋅Wn ⋅ Fb ⋅ senα 12

⋅ r

F critica = Fuerza Critica (lb) E = Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E = 30X106 psi I =Momento de Inercia Polar =π (D4 – d4)/64 Wn =Pesos Unitario de la tubería (lb/pie) Fb = Factor de flotación (adimensional) R = Distancia radial entre la tubería el agujero (pg)

α = Ángulo de inclinación del pozo Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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96

Pandeo Helicoidal ó Buckling Cálculo de la Fuerza del bending F bending = 63⋅ D ⋅Wn ⋅ φ

F critica =Fuerza del bending (lb) D = Diámetro de la tubería (pg) Wn =Pesos Unitario de la tubería (lb/pie)

φ = Severidad de la pata de perro (grados/30 m). Para pozos direccionales se recomienda tomar el promedio de la construcción de la curva.


TenarisTamsa

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97

Pandeo Helicoidal ó Buckling Tensión del 80% del peso TR libre

Método práctico para Tensionar la tubería de revestimiento para evitar el pandeo helicoidal

Para evitar problemas por pandeo helicoidal, una práctica común en campo es tensionar el 80% del peso de la tubería que se encuentre libre, es decir de la cima de cemento hacía la superficie (autor: Tom Short).

Cima de cemento 13 3/8”

9 5/8” Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

3000 m

4800 m David Hernández M

98

Pandeo Pa ndeo Heli Helicoi oidal dal ó Buc uckl kliing Tensión para evitar el pandeo helicoidal i ) L + (1 − 2v )( Ae∆ P es − Ai∆ P is ) − E λ W n L − ( Aeδ c g − Aiδ g As∆t + Fs X = W n − ( Aeδ e g − Aiδ g i ) − (1 − v )( Ae∆δ e − Ai∆δ i ) − ( Aeδ c − δ e ) X =Altura del cemento (pies) L =Profundidad del pozo (pies) Wu =Peso Peso Unitario de la tube tubería ría (lb/pie) Ae =Área exterior exterior de la tubería tubería (pg2) Ai =Área interior de la tubería (pg2) As =Área del acero de la tubería (pg2) =Ae-Ai

δc =Gradiente del fluido fluido por exterior de la tubería (psi/pie). (Cemento (Cemento de alta densida densidad d +cem + cemento de baja densidad) densidad) δi =Gradiente del fluido por el interior de la tubería (psi/pie) ν =Relación Relación de poisson poisson =0.3 =0.3 (adimen (adimensional) sional) E =Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E =30X106 psi e =Elongación de la tubería (pg) =C oeficiente de expans expansión ión termicadel termica del acero acero 6.9X10-6 6.9X10-6 (pg/pg-°F) λ =Coeficiente ∆ T =Vara =Varacciac iación ión de la tem temperatu ratura ra des desde la cima ima del del ce cemento a la superf perfic icie ie (°F) Pes =Cambio de la presión presión superficial en el exterior (psi) (psi) ∆Pes= ∆Pis= Pis =Cambio Cambio de la presión superficial superficial en el interior (psi) Fs= Fs =Fuerza Fuerza de tensión durante el anclaje de la tubería para evitar evitar el pandeo (lb-f)

∆de= de =Cambio del gradiente de la densidad densidad en la próxima e etapa tapa por fuera de la tubería (psi/pie) =C ambio bio del gradiente de la dens densidad idad en la próxima e etapa tapa por entro de la tubería (psi/pie) ∆di =Cam Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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99

Perf Pe rfo orac raciión Direc Direcc cional En pozos petroleros con desviación tipo S ó J, de alcance extendido; se pueden presentar resistencias durante las introducciones de los casing; por lo que es recomendable la selección de conexiones que tenga la capacidad mecánica para rotar como la serie Tenaris Hydril 521, 513 y 523 equipada con su zapata rimadora. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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100

Conex nexiiones para ro rottar - Cas asiing

TS T SH 511

TS T SH 521


TenarisTamsa

TSH 513

TSH 523 David Hernández M

101

Conexiones para rotar - Casing Rotación de tuberías de Revestimiento en México (Casing & liner drilling) Fecha

Unidad Operativa

Pozo

PR-Altami ra Carpa 5 5 PR-Altami ra Carpa 3 Abkatun-PolChuc . Caan 34 Marina 19-May-2009 Cd. Pemex Beth 1 28-Jun-2009 Comalcalco Pal apa 301 14-Jun-2010 Cá rdenas

Huycura 1

10-Jul-2010 Cá rdenas

Terra 1DL

Diámetr o

Grado

Peso

Conexión

L-80 53.5 P-110 53.5 L-80 9 5/8" P-110 53.5 TAC-110 16" P-110 109

TSH 513 TSH 513

Perforó Perforó

TSH 521

Perforó

TSH 521

Repasó

109

TSH 521

Repasó

72

TSH 521

Repasó

109

133 18 39 18 133 109 39 94

TSH 521 TSH 513 TSH 523 TSH AER TSH 513 TSH 513 TSH 513 TSH AER TSH 521 TSH 513 TSH AER

TRC-95 P-110 53.5 TAC-110 K-55 133 K-55 133 N-80 18 K-55 133

TSH 523 TSH 513 TSH 523 TSH AER TSH AER TSH 513 TSH AER

9 5/8" 9 5/8"

16"

P-110

13 3/8" TAC-140 16"

P-110 TAC-140 06-Abr-2011 Reforma Jus pi 1004 7" P-110 11-Abr-2011 Noreste Canta rell 3057 20" K-55 19-Abr-2011 Comalcalco Cárdenas 829 5" TAC-140 02-May-2011 Reforma Samari a 7 5/8" TAC-140 02-Jun-2011 Reforma Jus pi 1004 5" TAC-140 13-Jun-2011 Nore s te Canta rell 3054 20" K-55 18-Jun-2011 Cá rdenas Na vega nte 1 16" P-110 12-Jul-2011 Reforma Samari a 7022 H 7 5/8" P-110 18-Jul-2011 Veracruz Camaronero 301 20" K-55

24-Sep-2011 Comalcalco Puerto Ceiba 10 9 5/8" Noreste Noreste 09-Nov-2011 División Sur 01-Dic-2011 Chuc .

Canta rell 2102 Canta rell 2063 S hi shito 15 Homol 41

20" 20" 5" 20"

35


Tipo de D e ( m) operación

H as ta (m)

Longitud (m)

Tiempo (Hr)

Peso (Ton)

Rotación (rpm)

2,881 2,380

2,962 2,396

81 16

35:33:00 11:21

6-9 4-5

60-80 60-70

3,761

3,901

140

12:30

5

56

11,358-34,392

23 112 632 13 201 13.23

01:00 02:39 44:14 00:30 03:00 01:00

5-10

10-17

S/D

Se rota ron los últimos 2 tra mo

2 -5

25 - 40

8,260

Pozo con pérdi da de ci rculaci ó Ángulo de 23.57°

2

30 35 30

14,000 22,000

Repasó

1,989 2,012 950 1062 1,143 1,766 2,547 2,560 3,019 3,220 979.06 992.29

Repasó

3,797

1,453

17:00

4 -5

20

8,260

124 163 138 299.30 112 40 106 3 3

18:00 10:00 03:39 03:00 09:00 00:21 03:00 04:00 03:20

1-4 12 5 5 1 -2 10 12 8 10 - 12

5,250

Perforó 94 218 Repasó 6,025 6,188 Repasó 4,244 4,382 Repasó 5,244.70 5,544 Perforó 90 201 Repasó 2,242 2,282 Repasó 4,319 4,425 Repasó 997 1,000 Perforó 1,000 1,003

S/P

Repasó

1,488

3,504

532

08:00

2-5

Perforó Perforó Repasó Repasó

80 79 1,785 352

202 182 1,874 1,000

122 103 89 648

10:30 06:00 04:30 24:30

5-8 1-2 5 - 10

TenarisTamsa

Torque (lbpie)

Relevante

10,933-15,000 S ección hori zontal del pozo. C 1,000-5,000 Pozo Vertica l.

Pozo Vertica l. Pozo de alto ángulo en K.S.Mé

25 - 55 3,800-4,500 30 8,800 22 16,480 17 5,604 60 2,000-5,000 15 26,700 25 10,000 45 - 50 45 - 50 10,000 - 11,50

Ti rante de agua de 80 m Pozo de alto ángulo 52° en K.I. Pozo de alto ángulo 72° en K. S Pozo de alto ángu lo de 45° en Ti rante de agua de 51 m Pozo exploratorio. Pozo horizontal Alto pes o de la sarta 160 Ton Alto pes o de la sarta 160 Ton El intervalo fue general, pero 9 - 32 16,000 - 21,00 solo repasó 532 m. En un ángulo de 28° 45 2,000 - 4,000 25 - 30 1,165 - 10,000 15 2,000 Pozo horizontal 35,000 Ciclos 75,160

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102

Esfuerzos biaxiales Concepto

Las propiedades mecánicas de los tubulares sufren un cambio cuando la tubería son sometidas a esfuerzos biaxiales. El esfuerzos biaxiales es la combinación de un esfuerzo axial con un esfuerzo radial.

Tensión Compresión Diseño de tuberías de revestimiento

Presión Interna Colapso Presión Interna Colapso TenarisTamsa

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103

Esfuerzos biaxiales Tensión

Tensión

Cuando la tubería se encuentra a TENSIÓN la resistencia mecánica de la tubería a la propiedad: Decremento en el diámetro, por lo tanto decremento en la resistencia al colapso

Presión Interna Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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104

Esfuerzos biaxiales Compresión

Cuando la tubería se encuentra a COMPRESIÓN la resistencia mecánica de la tubería a la propiedad:

Incremento del diámetro, por lo tanto incremento en la resistencia al colapso

Presión Interna

Colapso Diseño de tuberías de revestimiento

Compresión TenarisTamsa

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105

Esfuerzo biaxilaes Ecuación para la determinación del esfuerzo biaxial 2          σ  σ     Pc =  1 − 0.75  ± 0 5 Pn .         σy     σy   

Donde: Pc =Presión calculada con esfuerzo biaxial (psi). Pn =Presión nominal de la tubería (psi). σ =Esfuerzo a lo que esta sujeta la tubería de cálculo (psi). σy =Esfuerzo de cedencia del material (psi). Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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106


Tensió nsión n (1,00 ,000 lb) lb) 747 747 lblb-f Esfuerz fuerzo o =747,33 =747,332 2 / 18.16 18.162 2 =41,148 =41,148ps psii

” 5 2 6 . 8 = d

W TR =W unitario* D W TR =(4800 (4800 m)(62.8 )(62.8 lb/pie)( lb/pie)(3.28) 3.28) W TR =988,723 =988,723 lb

D =9.875 =9.875”” de62 de 62.8 .8 lb/p lb/pie ie

Tensió nsión n

P.N. =(747,32 (747,328)/( 8)/(3.28) 3.28)(6 (62.8) 2.8)= =3628m 3628 m

Compresión

δ =1.95 gr/cc gr/cc -241 -241 lblb-f 4800 4800m m A = π(D2-d2)/4 = π(9.8752-8.6252)/4 =18.162 =18.162 pg2 PH = δ (D) (D) /10 =1.95(480 =1.95(4800) 0)/10 /10=936 =936 kg/c kg/cm m2 =13, =13, 291 291 psi psi 2 2 F =PH =PH * A =(1 =(13, 291 lb/ lb/pg )(18.16 )(18.162 2 pg ) =- 241,3 41,39 91 lblb-f Diseño de tuberías de revestimiento

Esfuerz fuerzo o = 241,3 241,391 91// 18.16 18.162 2 =13,290 =13,290ps psii

TenarisTamsa

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107

Esfuerzos biaxiales Cálculo para determinar los esfuerzos biaxiales. P-110 Pbiaxial ={ [1 – (0.75)( (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)( 0.5)(σ/σy) }Pnominal Pbiaxial ={[1 - (0.75)(13,290/110, (0.75)(13,290/110,000) 000)2]0.5 + - (0.5)(13,290/110, (0.5)(13,290/110,000) 000) }Pnominal Pbiaxial =(0.9945 + - 0.0604 ) Pnominal Pbiaxial biaxial (colaps (colapso) = (1.0549)(10,280 psi) = 10,844 psi Pbiaxial biaxial (esta (estallam llamiento) iento) = (0.9341)(12,180 psi) = 11,377 psi Fuerza = (-241,391 + 370,771 = 129,380 lb/18.162 = 7,123 psi) Pbiaxial ={ [1 – (0.75)( (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)( 0.5)(σ/σy) }Pnominal Pbiaxial ={[1 - (0.75)(7,123/110, (0.75)(7,123/110,000) 000)2]0.5 + - (0.5)(7,123/110, (0.5)(7,123/110,000) 000) }Pnominal Pbiaxial =(0.9984 + - 0.0323 ) Pnominal Pbiaxial biaxial (colaps (colapso) = (0.9661)(10,280 psi) = 9,930 psi Pbiaxial biaxial (esta (estallam llamiento) iento) = (1.0307)(12,180 psi) = 12,553 psi Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

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108

Esfuerzos biaxiales Cálculo para determinar los esfuerzos biaxiales. TRC95 Pbiaxial ={ [1 – (0.75)( (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)( 0.5)(σ/σy) }Pnominal Pbiaxial ={[1 - (0.75)(7,123/95, (0.75)(7,123/95,000) 000)2]0.5 + - (0.5)(7,123/95, (0.5)(7,123/95,000) 000) }Pnominal Pbiaxial =(0.9978 + - 0.03749 ) Pnominal Pbiaxial biaxial (colaps (colapso) = (0.9603)(9,320 psi) = 8,950 psi Pbiaxial biaxial (esta (estallam llamiento) iento) = (1.03529)(10,520 psi) = 10,890 psi

Pbiaxial ={ [1 – (0.75)( (0.75)(σ/σy)2]0.5 + - (0.5)( 0.5)(σ/σy) }Pnominal Pbiaxial ={[1 - (0.75)(41,148/95, (0.75)(41,148/95,000) 000)2]0.5 + - (0.5)(41,148/95, (0.5)(41,148/95,000) 000) }Pnominal Pbiaxial =(0.9270 + - 0.2166 ) Pnominal Pbiaxial biaxial (colaps (colapso) = (0.7104)(9,320 psi) = 6,620 psi Pbiaxial biaxial (esta (estallam llamiento) iento) = (1.1436)(10,520 psi) = 12,030 psi Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

109

Esfuerzos biaxiales Representación gráfica. Propiedades nominales Presión Interna P r o f u n d i d a d

5,000

Colapso P r o f u n d i d a d

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 10,520 psi

9 7/8” P-110, 62.8 lb/pie. Nominal 12,180 psi

7,500



12,500

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 9,320psi


5,000

TenarisTamsa

7,500

10,000 Presión(psi)

David Hernández M

12,500

110

Esfuerzos biaxiales Representación gráfica. Esfuerzos biaxiales Presión Interna

Colapso 12,030 psi


6,620 psi

9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 10,520 psi

10,890psi

12,553psi



9 7/8” TRC-95, 62.8 lb/pie. Nominal 9,320psi

8,950 psi

9,930 psi

9 7/8” P-110, 62.8 lb/pie. Nominal 10,280 psi 10,844psi

11,377psi 5,000

7,500



12,500

5,000

TenarisTamsa

7,500

10,000 Presión(psi)

David Hernández M

12,500

111

Esfuerzos triaxiales Von Mises

Axial Tangencial Radial

Utilizando la teoría clásica de elasticidad (ecuaciones de LAME) se obtienen para el esfuerzo tangencial y radial. Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

David Hernández M

112

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

σ e = [σ r 2 +σ h2 + (σ a +σ b )

2

1

−σ r σ h −σ r (σ a +σ b ) −σ h (σ a +σ b ) + 3τ ha] 2

 ( P i − P o )d D  ( P i d − P o D ) −  r 4  σ r =  D − d 2

2

2

2

2

2

2

2

d 2

≤ r ≤

D 2

 ( P i − P o )d D  ( P i d − P o D ) +  r 4  σ h =  − d 2

2

2

2

2

2


2

TenarisTamsa

David Hernández M

113

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes

σ a

σ b

t ha

=

F a A p

= ± M b rlI = ± E cr

=

t r J

Esfuerzo axial

Esfuerzo axial por Pandeo

Esfuerzo de torsión

p


TenarisTamsa

David Hernández M

114

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes 1

σ e

= [σ r + σ h + σ a + 2σ aσ b + σ b − σ r σ h − σ r σ a + σ r σ b − σ hσ a − σ hσ b + 3t ha ] 2

2

2

2

2

2

Se considera que la componente axial del esfuerzo axial debido al pandeo y el esfuerzo torsional se considera 0; se tiene: 2

σ e

1

= [(σ a − σ h ) + (σ h − σ r ) + (σ r − σ a ) 2

2

2

2

]

Al sustituir los esfuerzos radiales y tangenciales en función de la presión diámetro y espesor, se tiene:

σ VME = σ a 2

2

+ (C P i + C P e )σ a + C P i + C P e + C P i P e 2

1


2

TenarisTamsa

3

2

4

5

David Hernández M

115

Esfuerzos triaxiales Ecuación y Constantes 2 = σ a2 + (C 1 P i + C 2 P e )σ a + C 3 P i 2 + C 4 P e2 + C 5 P i P e σ VME

Donde: 2

 D 

  t C =    D − 1 2  t  

C 3

=

C 2

=

C 2

= − 2 C +

C 1

= 2 − C

C 4

C 2

= C

C 5


TenarisTamsa

− 2

C

+1

C

David Hernández M

116

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica del cuerpo del tubo Presión interna

Representación API

F. S. Representación con Factor de seguridad

F. S.

F. S.

Compresión

Tensión

F. S.


TenarisTamsa

David Hernández M

117


Representación API

Representación Von Mises

Compresión

Tensión


TenarisTamsa

David Hernández M

118


Representación API

Representación con Factor de seguridad

Compresión

Tensión Representación Von Mises con factor de seguridad


TenarisTamsa

David Hernández M

119


Compresión

Área segura para el diseñador

Tensión


TenarisTamsa

David Hernández M

120

Esfuerzos triaxiales Representación gráfica de la gráfica de Von Mises


TenarisTamsa

David Hernández M

121



TenarisTamsa

David Hernández M

122



TenarisTamsa

David Hernández M

123



TenarisTamsa

David Hernández M

124

Esfuerzos triaxiales Para forma la elipse Po = 0

Pi

=

− k B ± kB2 − 4k Ak C 2k A

Donde:

kA = k

2 pi

k C = σ2a − f y2

+ k pi + 1

k pi

k B = 1 − k pi σa Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

( D2 + d2 ) = 2 (D − d2 ) David Hernández M

125

Esfuerzos triaxiales Para forma la elipse Pi = 0

Pi

=

− k B ± kB2 − 4k Ak C 2k A

Donde:

kA

=k

k C = σ2a − f y2

2 po

k po

k B = k po σ a Diseño de tuberías de revestimiento

TenarisTamsa

=

2D2 (D2 − d2 ) David Hernández M

126

Esfuerzos triaxiales Variables:

D

Diámetro exterior de la tubería (pg).

d

Diámetro interior de la tubería (pg).

f y

Esfuerzo de cedencia del material (psi).

Pi

Presión interna (psi).

Po

Presión externa (psi).

t

Espesor de la pared (pg).

σa

Esfuerzo axial de la tubería a la que es sometida (psi).


TenarisTamsa

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127

Resultados de paquete Características del pozo • Peso del lodo • Información cementación • Presión de poro • Presión de fractura • Perfil de temperatura • Profundidad de asentamiento • Información de la trayectoria • Profundidad desarrollada y vertical • Inclinación y dirección • Diámetro del casing • Posible desgaste • Corrosión • Fluidos de producción esperados Consideraciones del diseño • Carga axial • Presión Interna • Presión externa • Flotación • Temperatura • Ballooning • Pandeo • Severidad de la pata de perro • Cima de cemento y peso • Costo de los tubos • Cargas Especiales

Tipo de pozo • Vertical • Direccional • Tipo de roca • Profundidad • Costa Afuera • Terrestre

Tuberías • Diámetros • Pesos • Grados • Conexiones

Accesorios • Combinaciones • Zapatas • Coples diferenciales • Coples flotadores • Válvulas de tormeta

Charla Técnica con Ingeniería de Diseño de la operadora con personal de Tenaris TESA

Resultados Software Selección de tuberías • Diámetros • Peso ó espesor de pared • Grado • Conexión


TenarisTamsa

Factores Diseño • Presión interna • Colapso • Tensión • Compresión • Von Mises

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128

46 Diseño Tubería Revestimiento Tenaris

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