Asentamiento y diseno de TR 22_12_2010

Guía de Diseño para el Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimiento CONTENIDO 1. OBJETIVO 2. INTRODUCCIÓN 3. CONCEPTOS CONCEPTOS GENERALES 4. METODOLOGÍA PARA EL ASENTAMIENTO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO REVESTIMIENTO 5. DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO REVESTIMIENTO 6. CONSIDERACIONES ADICIONALES 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 impuest impuestas as durante durante la Perforación P erforación,, T Term erminación inación y Reparación de P ozos, al mínimo mínimo cost cos to.

Guía de Diseño

1. OBJETIVO

El objetivo de esta guía es establecer los criterios básicos para el 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. 2. INTRODUCCIÓN

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 explotación o producción. 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 cargas impuestas durante la perforación, terminación y reparación de un pozo, al mínimo costo.

El alcance de esta guía es definir los criterios para determinar las profundidades de asentamiento de las tuberías, tomando en cuenta las condiciones de cada tipo de tubería, así como los principales esfuerzos que actuarán sobre la tubería 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

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 continuación se describe brevemente la finalidad del asentamiento de cada uno de los tipos de tuberías de revestimiento: ASENTAMIENTO DE TR'S Asentamientos

GRADIENTE (g/cc) 1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 TA 384 m

500

1000

G. Fractura

1500

2

2000

) m ( D A D I D N U F O R P

2500

3000

3500 4000 4500

G. Formación

1

T.R. Superficial T.R. Intermedia T.R. Explotación

P. T otal 5000

Figura 1 Asentamiento de TR’s

Tubo conductor.- Su objetivo es aislar acuíferos superficiales y tener un medio para la circulación del fluido de perforación. Tubería superficial.- Tiene como objetivo, aislar acuíferos superficiales e instalar conexiones superficiales de control.

Asentamiento y Diseño de Tuberías de Revestimi ento

Tubería intermedia.- Se cementa en la cima de la zona de presión 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. Tubería de explotación.- Permite la explotación selectiva de los intervalos que presenten las mejores 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 control 5. Presión diferencial 6. Máximo volumen al brote durante la perforación Respecto al diseño de la tubería de revestimiento, se consideran tres pasos básicos: 1. Determinar el diámetro y longitud de las sartas de tuberías. 2. Calcular el tipo y magnitud de esfuerzos que serán encontrados. 3. Seleccionar los pesos y grados de 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 especiales, de acuerdo a la 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 Subgerencia de Perforación de Pozos

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.

Fuerza de Tensión .Fuerza generada por el peso de la propia tubería

Colapso.- Generada Por los fluidos de la formación, tales como: gas, aceite, agua salada, lodo, etc.

Presión Interna.Generada por los fluidos utilizados durante la perforación o terminación. Sin embargo, se pueden presentar manifestaciones de la formación, tales como: gas, aceite, agua salada, etc.

Fuerza de compresión.Fuerza ejercitada por el fluido de perforación durante la introducción o por el cemento durante la cementación.

Figura 2.- Esfuerzos que actúan en la tubería de revestimiento.

4. METODOLOGÍA ASENTAMIENTO DE REVESTIMIENTO

PARA TUBERÍAS

EL DE

La metodología propuesta en esta guía es un método gráfico y consta de los siguientes puntos: 3

Guía de Diseño

1. Recopilación de Información y graficación de parámetros. 2. Asentamiento de la TR de Explotación 3. Asentamiento de la TR Intermedia 4. Asentamiento de la TR Superficial

ASENTAMIENTO DE TR'S 1.2

y

Para la planeación del asentamiento de TR’s es necesario considerar la siguiente información1:

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 TA 384 m

500

1000

G. Fractura

1500

4.1. Recopilación de Información graficación de parámetros

Asentamientos

GRADIENTE (g/cc) 1

2000


2500

3000

G. Formación

3500 4000 4500

P. T otal 

    





Diámetro de la T.R. de producción o del agujero en la última etapa. Trayectoria programada. Columna geológica programada Sección estructural Presión de poro y de fractura. Márgenes de viaje empleados durante el movimiento de tuberías Margen del fluido de perforación para control de posible brotes. Densidades del fluido de control

Con esta información disponible, se procede a generar un gráfico de gradientes de densidad equivalente de la presión de poro y de fractura2 (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 H2S o CO2, zonas depresionadas, fallas, zonas de alta presión, formaciones no consolidadas, formaciones altamente fracturadas o vugulares, formaciones con aportación de agua, etc.

5000

Figura 3.- Graficación de gradientes para el Asentamiento de TR’s.

4.1.1 Márgenes de Control sobre la Presión de Poro (MPp) 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 correlación o suponiendo una geometría conocida del pozo a perforar. 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 literatura3,4 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 de formación (≈20 kg/cm2), 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 de seguridad dando como 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:


Margen sobre la Pp Viaje Seguridad

Valores Valor Publicados recomendado [gr/cc] [gr/cc] 0.024-0.060 0.030 0.024-0.036 0.025 0.055 Total

Tabla 1 Márgenes de Control para la Presión de Poro

4.1.2

Margen de Control sobre la Presión de Fractura (MPf) 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 viaje (0.024 a 0.060 gr/cc)3,4. 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.

Margen sobre la Pf Viaje

Valores Valor Publicados recomendado [gr/cc] [gr/cc] 0.024-0.060 0.030 Total 0.030

Tabla 2 Márgenes de Control para la Presión de Fractura

4.1.3 Margen por efecto de presión diferencial 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 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.

Subgerencia de Perforación de Pozos

Además, existen valores generales reportados en la literatura3 sobre la cantidad de presión diferencial que puede tolerarse sin que ocurran pegaduras de tuberías, los cuales están entre: (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 ). Zonas de transición

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. 4.3. Asentamiento de Tubería Intermedia

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. 5

Guía de Diseño

En función de la profundidad total del pozo y del comportamiento de las geopresiones pronosticado, 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 asegurar que no se exponga al pozo a un riesgo de pegadura por presión diferencial. Asentamientos

GRADIENTE (g/cc) 1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 TA 384 m

500

E b

=

1000



Para el asentamiento de la TR (1) (Figura 3), en la zona de presión anormalmente alta : ∆ p lim<210

kg/cm 2

Para el asentamiento de la TR (2) (Figura 3), en la zona de presión normal, o de transición:

 D    * I fc + Gf mc  Di 

P<140 kg/cm 2

1500

La condición que deberá cumplirse es:



ASENTAMIENTO DE TR'S 1

Donde ρ ρ ρ fin es la densidad del fluido de control a la profundidad final de la T.R. que se esta revisando, y ρ ρ ρ inicio la densidad del fluido de control a la profundidad del asentamiento o etapa anterior, en (gr/cc).

∆ p lim<140

kg/cm 2

G. Fractura 2

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 :

2000


2500

3000

3500 4000 4500

P<210 kg/cm2

G. Formación

1

T.R. Superficial T.R. Intermedia T.R. Explotación

P. Total 5000

Figura 4.- Asentamiento de TR’s

4.3.1 Corrección por Presión Diferencial Una vez que las profundidades de asentamiento de las tuberías 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). La presión diferencial ( ∆p , en kg/cm2) a cualquier profundidad (Di en m), se obtiene con la siguiente ecuación: ∆ p =

ρ ρ ρ fin

− ρ ρ ρ inicio

10

* Di

(1)

ρ ρ ρ fin corr

=

∆ plim

* 10

Di

+ ρ ρ ρ inicio

(2)

La densidad del lodo, ρ ρ ρ fin corr 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. 4.4 Asentamiento de Tubería Superficial

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 necesario determinar 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:


a) Suponer una profundidad de asentamiento (Di). b) Con esta profundidad calcular la presión, expresada en gradiente, impuesta por un brote (Eb, efecto de brote, en (gr/cc)), por medio de la siguiente ecuación :

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: Trayectoria de pozo Geopresiones Programa de lodos Geometría Especificaciones de tuberías Inventario de tuberías Arreglos de Pozos Tipo o

 D  E b =   * I fc  Di 

o

+ Gf mc

(3)

o o o

Donde Ifc es el incremento en el fluido de perforación para controlar el brote en unidades de densidad equivalente, normalmente igual a 0.06 gr/cc, Gf mc es el gradiente de presión de formación afectado por el margen de control, (gr/cc), Di la profundidad de interés y D la profundidad de la siguiente etapa de perforación, en (m). c) Determinar el gradiente de fractura para la profundidad seleccionada, Gfrac. d) Comparar Eb con Gfrac, expresados en densidad equivalente. Si los valores coinciden entonces la profundidad supuesta es la profundidad mínima para el asentamiento de la TR superficial. e) En caso de que no coincidan estos valores, se debe suponer otra profundidad y repetir el proceso hasta que coincidan los valores de densidad equivalente. Cuando se caracterizan mecánicamente 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 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). 5. DISEÑO DE REVESTIMIENTO

TUBERÍAS

5.1 Recopilación de información Subgerencia de Perforación de Pozos

DE

o o

Figura 5. Optimización del Asentamiento de Tuberías

5.2 Factores de di seño

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. El API5 reportó los resultados de una investigación de factores de diseño aplicados a las tuberías de revestimiento. A partir del análisis efectuado por 38 7

Guía de Diseño

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. CONDICIONES DE CARGA

RANGO

RECOMENDADO

PRESIÓN INTERNA

1.0 – 1.35

1.125

COLAPSO

0.85 – 1.50

1.125

TENSIÓN JUNTA

1.50 – 2.0

1.60

TENSIÓN CUERPO

1.30 – 2.0

1.50

Tabla 3 Factores de Diseño de TR’s

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: FS = Resistencia a la presión interna Presión interna

de fractura al nivel de la zapata de la tubería más un factor de seguridad6 de 0.12 gr/cm3. 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.

5.3 Metodología de Diseño

R

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 intermedia6. Para el diseño de las demás tuberías se requieren consideraciones adicionales, las cuales son mencionadas posteriormente.

O

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 presentaran en el pozo. 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 de inyección, es igual al gradiente

Presión en Superficie

P

2

F U

1

N D I D A

1.- Gas en la cima 2.- Lodo en la cima

Presión de Inyección

D PRESIÓN Figura 6.- Carga por Presión Interna relativa a la posición de los fluidos dentro del agujero.

Para determinar la longitud de las columnas de lodo y gas, se resuelve el siguiente sistema de ecuaciones :


D = x + y

(4)

Pi

= P s + 0.1 * ρ ρ ρ m

Pi

=

* x + 0.1 * ρ ρ ρ g * y

0.1 * ( ρ ρ ρ frac + FS )*D

(5) (6)

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). Pi representa la presión de inyección, y Ps la presión en superficie; ambos en kg/cm2. ρ ρ ρ g es la ρ ρ m es la densidad del lodo, ρ densidad del gas, y ρ ρ ρ frac es el gradiente de 3 fractura; en (gr/cm ). Finalmente FS es un factor de seguridad (0.12 gr/cm3). La solución de las ecuaciones 1, 2 y 3, se presenta a continuación: y =

x

0.1 ρ ρ ρ frac + FS * D − P s 0.1 * [ ρ ρ ρ g

− 0.1 * ρ ρ ρ m

− ρ ρ ρ m

*D

]

(8)

= D − y

P int = P s

(7)

ρ + 0.1 * x * ρ ρ ρ m

(9)

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. P

Presión en Superficie

O U

Interfase Lodo-Gas

Presión en Interfase

N I D D

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).

P R O F U N D I D A D

Línea de carga por Presión Interna Resultante

Línea de Respaldo 1.07 gr/cm3

Línea Línea de Carga Máxima por Presión Interna

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).

D

A

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 (densidad = 1.07 gr/cm3), conocida como línea de respaldo (Figura 8).

PRESIÓN

R F

b) Línea de carga de presión interna resultante

Presión de Inyección

PRESIÓN Figura 7 Línea de Carga Máxima por Presión Interna Subgerencia de Perforación de Pozos

9

Guía de Diseño

P R O


Línea de Diseño por Presión Interna

F U N D I D

Se recomienda manejar un máximo de tres secciones, ya que un número mayor representa dificultades logísticas y para su introducción6. 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

5.4.2 Diseño p or Presión de Colapso

D

a) Línea de carga máxima 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.

PRESIÓN Figura 8A Línea de Diseño por Presión Interna

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 con la línea de diseño determinará la longitud de la sección, este procedimiento se repite hasta alcanzar la profundidad deseada (Figura 8B). P R O F


Valores de Resistencia a la Presión Interna de cada sección

P R O F U N D

Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo)

I D A D

U N

P RESIÓN

D

Figura 9.- Línea de Carga Máxima de Colapso

I D A D PRESIÓN Figura 8B Diseño por Presión Interna

b) Línea de carga resultante La máxima carga de colapso ocurrirá cuando se presente una pérdida de circulación, y el nivel del lodo en el interior de la tubería de revestimiento disminuya, quedando vacía.


Por otro lado, es poco probable que la presión hidrostática ejercida en la zapata de la tubería de revestimiento intermedia por la reducción en la columna, sea menor que la ejercida por una 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.

P R

Línea de Diseño por Presión de Colapso

O F U N D I D

P

Carga máxima de colapso (Gradiente del lodo más pesado dentro del pozo)

R O F

D

Línea de carga de colapso resultante

PRESIÓN

U N D I D A

A D

Figura 11A.- Línea de Diseño por Presión de Colapso Línea de carga de colapso resultante P R

Línea de Respaldo (1.07 gr/cc)

PRESIÓN Figura 10.- Línea de Carga Resultante por Colapso

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 decir que las resistencias de las tuberías seleccionadas sean mayores 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. Subgerencia de Perforación de Pozos

O F U

Línea de Diseño por Presión de Colapso

Valores de Resistencia a la Presión de Colapso de cada sección

N D I D A D

Línea de carga de colapso resultante

Corrección en la selección de esta sección

PRESIÓN Figura 11B.- Diseño por Presión de Colapso

5.4.3 Diseño por Tensión a) Línea de Carga por Tensión Conociendo los pesos, grados y longitudes de las secciones que se obtuvieron en los diseños por presión interna y por colapso, se puede determinar la carga por tensión.

Para este fin debemos hacer un balance de fuerzas que incluya la de flotación, que se interpreta como la reducción del peso de la sarta de tubería de revestimiento cuando se corre en algún líquido, a diferencia de cuando se corre en el aire. La flotación también se puede expresar como la 11

Guía de Diseño

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 CARGA AL GANCHO

Ws3 Fuerza 3

de la sección transversal de la primera tubería, en (pg2). 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 T1 se obtiene de: T 1

= −T f + W s1

(11)

donde el peso de la sección 1 (Ws1), en (kg), estará dado por : W s1

= 1.4913 * L s1 * Pu

(12)

donde Ls1, es la longitud de la sección 1, en (m), y Pu es el peso unitario de la 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:

As3

T 1'

Ws2

= T 1 ± 6.45 *

( L − L s1 ) * G I * A s1 − As 2 (13)

por lo que la tensión para la siguiente sección se obtendrá a partir de:

As2

Ws1

T 2

Fuerza 2

= ±T 1' + W s 2

(14)

As1

y para la siguiente sección se procede de la misma manera: FUERZA 1

T 2 '

Figura 12. Diagrama de Fuerzas

= T 2 ± 6.45 *

G I * A s 2 T f

=

6.45 * L * G I * A s1

(10)

Donde Tf es la fuerza de flotación, en kg, L es la profundidad de asentamiento de la TR, en (m), GI es el gradiente del fluido empleado, en (kg/cm2/m), y As1 es el área

( L − ( L s1 + L s 2 )) *

− A s 3

(15)

y la tensión para la sección 3: T 3

= ±T 2 ' + W s 3

(16)

Con los valores obtenidos es posible construir la línea de carga por tensión (Figura 13).


cargas de la línea de diseño al menor costo posible (ver Figura 15).

P R O F U

P R

Línea de carga por tensión

N D

O F

I D

U N

A D Sarta en

D I

Línea de carga por tensión

D A

Compresión

Punto en que el factor de diseño es más grande que el sobre-jalón

D

-

Cargas por Tensión

Línea de diseño por tensión +

Figura 13.- Línea de Carga por Tensión

Es de notar que, más de una sección de la sarta de la tubería de revestimiento puede encontrarse en compresión.

-

Cargas por Tensión

+

Figura 14.- Línea de Diseño por Tensión

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. La representación gráfica de ésta combinación de factores de diseño se muestra en la Figura 14 indicada como línea de diseño por tensión.

P R O F U N D I


Resistencias a la Tensión De las J untas

D A D

c) Selección de J untas 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

Corrección en la selección de esta sección

Línea de diseño por tensión

-

Cargas por Tensión

+

Figura 15.- Diseño por Tensión 13

Guía de Diseño

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; solo resta determinar las modificaciones en la resistencia por presión interna y por colapso causadas por la carga biaxial. Estas modificaciones pueden obtenerse usando la elipse de Holmquist y Nadai7, la cual se resume en la tabla 4:

COLAPSO TENSIÓN Reduce COMPRESIÓN Aumenta

P. INTERNA Aumenta Reduce

Tabla 4 Efectos Biaxiales

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, empleando el siguiente proceso8: a) Se calcula el parámetro X: X = (2.205) *

T Y m * A s

(17)

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

[

Y = 1 − 0.75 * X 2

]1/ 2 − 0.5 * X

(18)

c) Se efectúa la corrección a la resistencia a la presión de colapso por efecto de la tensión, (Rcc en lb/pg2): R cc

=

(0.07032) * R c * Y

(19)

donde T es la tensión aplicada en la sección correspondiente, en (kg), Ym es el esfuerzo mínimo de cedencia del grado de acero, en (lb/pg2), As es el área de la sección transversal correspondiente, en (pg2), Rc es la resistencia nominal al colapso de la tubería previamente seleccionada, en (lb/pg2), 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: F dc

=

R cc P cr

≥ 1.125

(20)

Donde Pcr es la presión de colapso resultante. Gráficamente, 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. 6. CONSIDERACIONES ADICIONALES

Como se menciono anteriormente, el diseño de la TR intermedia sigue todos los procedimientos descritos anteriormente. A continuación se enuncian las consideraciones adicionales para las tuberías de revestimiento superficial y de explotación. Además, se presentan más adelante recomendaciones para establecer arreglos de pozos tipo, y las consideraciones para el diseño de tuberías de revestimiento en ambientes corrosivos y para pozos exploratorios. 6.1 Tubería de Revestimi ento Superfi cial 6.1.1 Diseño por Presión interna 7 Para determinar la línea de diseño a la presión interna se deben considerar lo 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. Presión Interna Respaldo: presión de formación normal

una profundidad (nivel) equivalente a la zapata de la TR superficial. La línea de diseño se construirá aplicando el factor de diseño correspondiente, de la misma manera que para la tubería intermedia. Colapso e r i a

Carga: Gas metano

Carga: fluido de perforación etapa anterior

Respaldo: nivel del fluido presión de fractura

Brote de gas

Figura 16.- Consideraciones de Diseño por Presión Interna para TR Superficial

P


R O

Pérdida de circulación 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.


F U

P

N

R O F

D I D A D

Línea de Respaldo 1.07 gr/cm3

Línea de Carga Máxima por Presión Interna

PRESIÓN Figura 17 Diseño por Presión Interna TR Superficial

6.1.2 Diseño p or Presión de Colapso Para el diseño por Presión de Colapso se toman en cuenta las siguientes consideraciones: 

Se considera una pérdida de circulación (Figura 18), quedando la columna del fluido de perforación a


U N D I D A

Línea de Diseño a Presión de Colapso Línea de Carga Máxima y línea resultante

D

PRESIÓN Figura 19.- Diseño por Presión de Colapso para TR Superficial

6.2 Tubería de Revestimiento Intermedia Tipo Liner 15

Guía de Diseño

6.2.1 Diseño por Presión interna

En caso de incluir en el programa del pozo una TR Intermedia, Tipo Liner, el diseño se modificara solamente en el análisis a la Presión Interna. Como la presión de inyección y el peso del lodo serán mayores en la siguiente etapa, después del liner, estos valores deberán utilizarse para el diseño de la tubería de revestimiento intermedia, así como para el diseño del propio liner. Es decir, la línea de diseño a la presión interna se empleará para diseñar la tubería de revestimiento intermedia y el liner para presión interna. 6.3 Tubería Explotación

de

Revestimiento

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. Presión Interna Comunicación del aparejo de producción

de

6.3.1 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). 6.3.2 Diseño p or Presión de Colapso 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). 6.4 Arreglos de Pozos Tipo 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

Fluido empacante

Presión de fondo Figura 20.- Consideraciones de Diseño por Presión Interna para TR de Explotación Colapso

Carga: Fluido cuando fue corrido la TR

Pérdida del fluido empacante

Figura 21.- Consideraciones de Diseño por Presión de Colapso para TR de Explotación

Para esto se recomienda:


1. Identificar los arreglos históricos de tuberías, empleados en los campos o áreas a tipificar, 2. Revisar las condiciones 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 costobeneficio para definir la factibilidad de su implementación. 6.5 Diseño para ambientes corrosivos 9

La corrosión deteriora el acero y reduce drásticamente 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 de una tubería resistente a la corrosión y a un costo mínimo. 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 H2S Presión parcial del CO 2 Efecto de la temperatura sobre la corrosión

6.6 Consideraciones para el diseño de tuberías de revestimiento en pozos exploratorios

En el caso de pozos exploratorios es necesario tomar en cuenta las siguientes consideraciones para planear los Subgerencia de Perforación de Pozos

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 comportamiento de las geopresiones2 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 ejecución de los trabajos 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 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. RECOMENDACIONES

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-gradotipo de rosca.

17

Guía de Diseño

NOMENCLATURA

As As1 As2 As3 D Di

Eb Fdc FS Gf mc GI Ifc L Ls1 Ls2 MPf MPp Pcr Pi Pint Ps Pu Rc Rcc T T1 T2 T3

= Área de la sección transversal, (pg2) = Área de la sección transversal de la primera tubería, (pg2) = Área de la sección transversal de la segunda tubería, (pg2) = Área de la sección transversal de la tercera tubería, (pg2) = Profundidad de la siguiente etapa de perforación, (m) = Profundidad de interés, (m) = Efecto de brote, (gr/cc) = Factor de diseño por presión de colapso, (adim) (0.12 = Factor3 de seguridad, gr/cm ) = Gradiente de presión, (gr/cc) = Gradiente del fluido empleado, (kg/cm2/m) = Incremento en el fluido de perforación (gr/cc) = Profundidad de asentamiento de la TR, (m) = Longitud de la sección 1, (m) = Longitud de la sección 2, (m) = Margen de control sobre presión de fractura, (gr/cc) = Margen de control sobre presión de poro, (gr/cc) Presión de colapso resultante, (lb/pg2) = Presión de inyección, (lb/pg2) = Línea de carga máxima por presión interna, (lb/pg2) = Presión de la superficie, (lb/pg2) = Peso unitario de la tubería, (lb/pie) = Resistencia nominal al colapso de la tubería, ((lb/pg2) = Corrección a la resistencia a la presión de colapso, (lb/pg2) = Tensión aplicada en la sección correspondiente, (kg) = Tensión de la primera sección de la tubería, (kg) = Tensión de la segunda sección de la tubería, (kg) = Tensión de la tercera sección de la tubería, (kg)

Tf Ws1 Ws2 Ws3 x y X Y Ym

= = = = = = = = =

Fuerza de flotación, (kg) Peso de la sección 1, (kg) Peso de la sección 2, (kg) Peso de la sección 3 (kg) Longitud de la columna de lodo Longitud de la columna de gas Parámetro adimensional Parámetro adimensional Esfuerzo mínimo de cedencia del grado de acero, (lb/pg2)

Letras Griegas

= Densidad del lodo (gr/cm3) = Ángulo del pozo con respecto a θ la vertical (grados). = Presión Diferencial, (kg/cm2) ∆ p = Densidad del fluido de control a ρ ρ ρ fin la profundidad final, (gr/cm3) = Densidad del fluido de control a ρ ρ ρ inicio la profundidad de inicio, (gr/cm3) del lodo corregida, ρ ρ ρ fin corr = Densidad 3 (gr/cm ) ρ lodo

ρ ρ ρ m ρ ρ ρ g

ρ ρ ρ frac

= Densidad del lodo, (gr/cm3) = Densidad del gas, (gr/cm3) Gradiente de la fractura (gr/cm3)

REFERENCIAS

1. Determination of Casing Setting Depth Using Kick Tolerance Concept, Otto Santos, J .J . Azar, SP E-30220. 2. Guía para la Predicción de Geopresiones, Gerencia de IngenieríaUPMP, 2003. 3. Applied Drilling Enginnering, Bourgoyne, MillHeim, 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 Petróleo, 1991. 9. Guía de Diseño de Aparejos de Producción, Gerencia de IngenieríaUPMP, 2003.


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Asentamiento y diseno de TR 22_12_2010

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