CAPITULO II DISEÑO DE SARTA.
Introducción.
El diseño de sarta de perforación es una parte critica de las operaciones ya que dependiendo de que tipo de arreglo se decida bajar al pozo la perforación de ese tramo será mas ó menos optima. La selección adecuada llevara a una mejor y más rapida operación.
Económico Se reflejará en el tipo de tubería a utilizar.
Diseño de Sarta. Resistente
Variables a considerar en el diseño de Sarta.
Para diseñar la sarta de perforación se debe tener en cuenta las siguientes variables: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
La profundidad final. Diámetro del hueco. Densidad del lodo. Margen parta tensionar. ( Margin overpull, MOP). Factores de seguridad. Longitud , diámetro y peso de los drill collars. Grado tamaño y peso de los drill pipes disponibles.
El diseño se realiza en función a la cañería que se bajará y siempre estará sujeto al material disponible en la locación.
Recordando: Rangos de tuberías.
Rango 1 Rango 2 Rango 3
18-22 Pies 27-30 Pies 38-45 Pies
Las tuberías se designan de acuerdo a la calidad del acero con que se han manufacturado. GRADO Cedencia Min., lpc Fuerza de Cede, lpc Fuerza Tensil, lpc
E 75000 105000 100000
95(X) 95..000 125000 105000
105(G) 105.000 135000 115000
135(S) 135.000 165000 145000
Diseño de los Drill Collars.
La selección de un diámetro adecuado es de importancia primaria para lograr un perforación de costo mínimo, esto nos asegura una perforación libre de problemas. Lubinsky diseño la siguiente ecuación por la cual podemos determinar el diámetro mínimo de los drill collars que vamos a tener que utilizar para poder correr un casing de dimensiones determinadas. Diámetro mínimo de los Drill Collars = (2 x CasingCoupl ing) – D. del B it
Al seleccionar el tamaño de los drill collars se debe tener en mente la posibilidad de tener que pescar las herramientas. La disponibilidad de diferentes tamaños de overshots y washpipes sera un factor limitativo en el proceso de selección. Cupla
Se seleccionara el portamechas que cumpla las condiciones de la ecuación y de acuerdo al material disponible se seleccionara siempre el de mayor peso. Donde:
Ldc
WOB cos Ff Wudc PN
WOB = peso sobre trépano ,lbs WuDc = peso unitario, lbs. Ff = Factor de Flotación.
Ff (1 0.01527 .lodo)
PN = Punto neutro , 85% ά = ángulo de desviación.
(WDc1 LDc1 WDc 2 LDc2) cos Ff PN WOB El punto neutro es aquel punto en el cual las fuerzas de tensión, compresión y torsión se hacen cero.
Dp´s
Dp´s en tensión
Dc´s
85%
Dc´s
WOB 15%
Punto neutro F f
F f
Diseño de Drill Pipe. (Tubería)
El diseño de la tubería se basa en base a los esfuerzos de: tensión, colapso y torsión. • Resistencia a la tensión.
Caracteristicas del drill pipe
• Resistencia al colapso. • Resistencia al reventamiento. • Resistencia a la torsión.
La tubería de perforación posee una vida util relativamente corta y un cuidado periódico de gran importancia, las causas mas comunes de roturas de las tuberías de perforación son: Torque inadecuado. Desgaste de las roscas. Torque excesivo. Abrasión externa.
Tensión
Colapso
Reventamiento
MOP
PHa WDp´s
PHa
WDc´s
Pha > Phi
PHa
Análisis de Fuerzas.
Tensión: Es la fuerza que mas afecta ya que esta presente casi todo el tiempo,
desde la bajada hasta las operaciones de pesca. Colapso : Se experimenta sobre todo en pruebas de formación o cualquier
situación que impique que la sarta este vacia ó medio llena. Torsión : Se dará sobre todo durante las operaciones de ajustado de roscas y en la
perforación.
Análisis de Fuerzas.
Se debe tener muy en cuenta que para el diseño de los drill pipes un factor de excesiva importancia es el grado que tengan estos. Para el diseño y en función a la disponibilidad de material que se tenga la selección mas adecuada deberá seguir el siguiente orden de resitencia de menor a mayor: Grados: E X – 95 G – 105 S – 135
• Para diseños economicos el orden presentado es ideal. • Para diseños resistentes es mejor utilizar grados G y S • Para profundidades mayores a 4000 ó 5000 metros se
recomienda utilizar grados G y S
Formulas para el Diseño a la Tensión.
El principal factor que se toma en cuenta a la hora del diseño es la resistencia a la tensión, que debe relacionarse con el peso de la herramienta y el margen de sobre tensión. PesoDc´ s PesoDp´ s MOP RTdp
WDc´ s LDc´ s Ff WDp´ s LDp´ s Ff RTdp 0.9 MOP LDp
RTdp 0.9 MOP WDc LDc WDp Ff
Donde: LDp = longitud de la tubería, pies. RTdp = Resintencia a la tensión, de tabla, lbs. MOP = Margen de sobretención, lbs. Ff = Factor de flotación, adimensional. WDp = Peso aproximado de la tubería, lbs. WDc = Peso unitario de los portamechas, lbs. LDc = Longitud de los portamechas, pies.
WDp
El MOP es un valor que por lo general varia entre las 50.000 a 200.000 lbs, pero si la longiud a utilizar de la primer tubería es distinta a la que se calculo el MOP variará y se deberá calcular de nuevo, cualquier variación en las otras tuberías no afectará. Para el caso de la segunda tubería y las siguientes se emplea una formula como la siguiente:
LDp 2
RTdp 2 0.9 MOP WDc LDc WDp1 LDp1 WDp 2 Ff
WDp 2
Diseño al Colapso.
Estará en función de la resistencia al colapso, caracteristica propia de cada grado y diámetro de tubería. Es una relació ndirecta con la maxima longitud que puede quedar vacía antes de que la tubería colapse.
Pcolapso 0.052 .lodo LDpvacía LDpvacía
RCdp 0.052 .lodo Fs
Donde: Pc = presión de colapso , psi. Rc = resistencia al colapso, psi , de tabla. Ldpvacía = maxima longitud vacía, pies.
Métodos para Calcular el Punto neutro y el Peso sobre el trépano WOB.
Existen tres métodos:
Arquimides
Fuerza y Area.
Flotabilidad.
Método de Arquimides.
Basado en el principio de Arquimides se basa en el volumen de lodo que desplaza la herramienta. Procedimiento:
1. Dezp
OD
2
ID
1029.4
2
bbl ft
2. VDc´ s DespDc´ s LDc´ s
VDp´ s DespDp´ s LDp´ s VDVolumenDes plazado VDc´ s VDp´s
3. FE ( .lodo 42)
lb gal
VD lbs.
4. WOB (WDc LDc FE ) 0.85 lbs 5. LPN
WOB
ft
LDp´s
WDc PN FP LPN ft
Donde: DespDc = Desplazamiento de los potamechas, bbl/pie DespDp = Desplazamiento de las tuberías, bbl/pie. WOB = peso sobre el trépano, lbs. LPN= longitud del punto neutro, del fondo arriba. FP = fonde pozo, ft. PN = profundidad del punto neutro.
LDc´s
FE
Método de Fuerza y Area.
Es el mas empleado y se basa en conceptos fisicos simples.
WDp
Presión = F uerza / A rea F uerza = Pr esión x Area Presión = Ph = 0.052 x ρlodo x L
LDp´s
2 Area = π / 4 x(OD 2 – I D )
pasos : A1
π
4
(OD
2
ID 2 ) Dc (OD 2 ID 2 ) Dp pu lg 2
F1
π
A2 (OD 2 ID 2 ) Dc pu lg 2 4 F 1 Ph1 A1
WDc
LDc´s
F 2 Ph2 A2 FE F 2 F 1
F2
WOB (WDc LDc FE ) 0.85 lbs LPN
WOB
ft
WDc PN FP LPN ft
El factor de flotación solo se puede utilizar cuando se tiene un solo fluido en el pozo, por esto el método de fuerza y área es el mas empleado ya que permite mediante la relación de presión permite corregir variaciónes de densidad
Método de Flotabilidad.
Es más empleado para pozos direccionales por esto siempre arrojara valores mayores que los dos métodos anteriores.
WOB WDc LDc cos PN Ff La terminología es la misma empleada hasta ahora.
Ejemplo # 1.
Realizar un diseño de sarta para perforar el tramo 1979 – 3754 mtrs. Este tramo será perforado utilizando un trépano de 8 ½” y un lodo de 10.2 lpg se bajará cañería de 7”, P-110, 35 lbs/ft, hasta 3752 mts. Para este tramo se programo un peso sobre el trépano de 15000 lbs, con una maxima desviación del pozo de 2º , margen de seguridad al colapso de 1 1/8, el margen de sobretensión es 75.000 lbs La ultima cañería asentada fue de 9 5/8”, P -110, 53.5 lbs/ft, en 1979 mts.
El material diponible es el siguiente:
Portamechas.
Tuberías.
Solución. 1. Selección de los portamechas.
Empleando la formula: Diámetro mínimo de los Drill Collars = (2 x CasingCoupl ing) – D. del B it Diametro de cupla (de tabla) = 7.656
”
” = 6 7/8 ” DPM = (2 x 7.656) – 8.5 = 6.812
El diametro del portamecha a escoger deberá ser menor que el calculado (por conveniencia) y se dará preferencia al mas pesado. Portamecha seleccionado = 6 ½” 92.5 lbs/f t. 60 piezas disponi bles
Longitud del portamecha y numero de piezas.
Ff (1 0.01527 .lodo ) Ff (1 0.01527 10.2) 0.8443 WOB Ldc cos Ff Wudc PN
15000 Ldc 226.1 ft cos 2 0.08443 92 .5 .85 226.1 ft Npiezas 7 .54 8 piezas 30 ft / pieza LrealDc 8 30 240 ft 73 .15 mtrs lb Whta 240 ft 92 .5 22200lb ft Lres tan te 3754 73 .15 3680.85 mtrs
Diseño de los Drill Pipes.
Siguiendo la regla de los grados y por uniformidad de la sarta la primer tubería seleccionada es:
De tabla : Rt = 436150 psi Rc = 5410 psi.
LDp LDp
RTdp 0.9 MOP WDc LDc WDp Ff
436150 .9 75000 21.9 0.8442
WDp 92.5 240 21.9
16.161,51 ft 4925.8mtrs
En almacen solo tenemos 2500 mtrs utilizamos los 2500. L gt = 73.15 + 2500 = 2573.15ntr s Whta = 240 x 92.5 + (2500 x 3.281) x 21.9 = 201.834,75 lbs. – 2573.15 = 1180.85 mtr s. F altan = 3574
Selección del segundo Drill Pipe.
Se matiene la condición en relación al diametro del portamecha. Selección:
De tabla: Rt = 712.070 psi Rc = 15700 psi
LDp2 LDp2
RTdp 2 0.9 MOP WDc LDc WDp1 LDp1 WDp 2 Ff
712070 0.9 75000 21.9 0.8442
WDp 2 201834,75 21.9
21390.88 ft 6519.6mtrs
Necesito 1180.85 mtrs tengo 2500 disponibles utilizo lo que necesito. L Dp2 = 1180.85 mtr s.
a) Calcular la presión de colapso si dejamos 3000 mtrs de la tubería vacios.
Pcolapso 0.052 ρ.lodo LDpvacía Pcolapso 0.052 10.2 3000 3.281 5220.72 psi Rc de la tubería mas debíl = 5410 psi
Rcc < Rct = La tubería no se colapsa. b) Calcular el MOP.
MOP Rt 0.9 Whta Ff MOP 436150 0.9 201834.75 0.8442 222146,10lbs Tomando solo la tubería mas debil y el portamechas. Siempre que no se emplee la longitud calculada para la primer tubería el MOP inicial cambiará.
LDp2 =1180.85mtrs
S - 135 1979 mtrs G - 105
LDp1 = 2500 mtrs
LDc = 73.15 mtrs
3752 mtrs
Ejemplo # 2
Calcular el peso sobre el trépano y la loongitud del punto neutro por los métodos de: Arquimide, flotabilidad y Fuerza y Area, para una sarta con las siguientes características: Dp : 4 ½” x 3.826” ; 16.6 lbs/ft Hw : 5” x 3” ; 49.3 lbs/ft ; 100 mtrs.
4720 mt
Dc : 6 ½” x 2¼” ; 99 lbs/ft ; 180 mtrs. MD = 5000 mtrs. TVD = 4950 mtrs. D lodo = 10.72 lpg.
100 mt
180 mt
Método de Arquimides. 1. Peso de la Herramienta en el aire.
WDp = 16.6 x (4720 x 3.281) = 257.072,91 lbs. WHw = 49.3 x (100 x 3.281) = 16.175,33 lbs WDc = 99 x (180 x 3.281) = 58.467,42 lbs.
Wtotal = 331.715,66 lbs 2. Calculo del volumen de Acero.
VDc VHw VDp
6.5
2
2.25
2
314 5
2
3
314 4.5
2
180 21.32bbl
2
100 5.1bbl
3.826
314
Vtotal 110,77bbl
2
4720 84.35bbl
3. Fuerza de empuje.
FE ( .lodo 42)
lb gal
VD lbs.
FE 10.72 42 110,7 49873.1lbs WOB (WDc LDc FE ) 0.85 lbs WOB 58467,42 16175,33 49873,1 0,85 21.054,2lbs LPN LPN
WOB
ft
WDc 21.054,2
212,67 ft 64.8mtrs
99 PN FP LPN 5000 64.8 4935.2mtrs El punto neutro siempre deberá encontrarse en el espacio ocupado por el portamechas.
Método de Flotabilidad.
WOB
WDc LDc cos PN Ff
Ff 1 0.01527 10 .72 0.8363 WOB
(WDc
WOB
(58467,42 16175,33) cos 0 0.85 0.8363
WOB
53060,17 lbs
WHw ) cos PN Ff
WOB 53060,17 LPN 53,96 ft 163,35 mtrs WDc 99 PN 5000 163,35 4836,65 mtrs.
Método de Fuerza y Area. Calculo de Areas
A1 ADp
4
A2 AHw A3 ADc
4
4
( 4,5 2
(5 2
(6,5 2
32 ) 12,57 pg 2
4720 mt
3.826 2 ) 4.41 pg 2
F1
2,25 2 ) 29,21 pg 2
F2
100 mt
Calculo de Presiones.
PH 1 0,052 10,72 (4720 3,826) 8632,69 psi
180 mt
PH 2 0,052 10,72 (4820 3,826) 8815,59 psi PH 3 0,052 10,72 (5000 3,826) 9144,80 psi
F3
