Diseño de la Sarta de Perforación
James Roxo/Ashley Fernandes
Objetivos •
Describir y calcular los efectos de las fuerzas físicas sobre el acero.
•
Ser capaz de nombrar y describir las principales leyes físicas y su relación con el comportamiento del acero.
•
Conocer donde se puede conseguir información sobre la propiedades de los tubos de acero.
•
Ser capaz de seleccionar el grado de acero adecuado para diferentes aplicaciones.
•
Describir y ser capaz de aplicar factores de seguridad (también conocidos como factores de diseño) y factores de corrección.
DE Feb 2002
Relación de Leyes Físicas Los conceptos importantes son: • Esfuerzo • Tensión • Ley de Hook • Modulo de Young • Límite Elástico • Resistencia a la Fluencia / Resistencia a la Tensión DE Feb 2002
Esfuerzo El acero es un material elástico, hasta cierto límite. Si una carga de tensión es aplicada al acero (ESFUERZO), el acero se estirara (TENSION). Si usted duplica la carga, doblara la cantidad en que el acero se estira. El esfuerzo es definido como una carga ÷ área seccional cruzada. Las unidades son normalmente Libras por pulgada al cubo. Al esfuerzo se le da normalmente el símbolo de σ (Símbolo Griego Sigma).
Hale mas duro (mas esfuerzo)!!!
DE Feb 2002
Pero se estirara más (más tensión)!!!
Esfuerzo - Ejemplo •
Si una tubería de perforación
Si una tubería de perforación
nueva de 5” tiene una sección
nueva de 3.5” tiene una
transversal de 5.2746
sección transversal de 4.3037
pulgadas cuadradas y soporta
pulgadas cuadradas y soporta
una carga de 100,000 lbs,
una carga de 100,000 lbs, Cual
Cual es el esfuerzo en la
es el esfuerzo en la tubería?
tubería? •
Esfuerzo = Carga ÷ Área
•
Esfuerzo = 100,000 ÷ 5.2746
•
Esfuerzo = 18,960 psi
DE Feb 2002
•
•
Esfuerzo = Carga ÷ Área
•
Esfuerzo = 100,000 ÷ 4.3037
•
Esfuerzo = 23,235 psi
Tensión La Tensión se define como la cantidad de estiramiento ÷ longitud original. La Tensión no tiene unidades, es una proporción. Tensión generalmente se le da el símbolo ε (El símbolo Griego Epsilon). La Tension puede deberse a un esfuerzo aplicado o
ó
expansion térmica. ç Longitud Original èç---------------- Estiramiento ----------------- è
DE Feb 2002
Tensión - ejemplo •
Una sarta de perforación de 10,000 pies de
Una sarta de perforación de 5,000 pies de
largo, esta pegada en el hoyo. Se marca la
largo, esta pegada en el hoyo. Se marca la
tubería con una tiza en la mesa rotaria.
tubería con una tiza en la mesa rotaria.
Después de jalar la tubería se hace otra
Después de jalar la tubería se hace otra
marca. Las marcas están a 2 pies de
marca. Las marcas están a 2 pies de
separación. Cual es la Tensión?
separación. Cual es la Tensión?
•
Tensión = Estiramiento ÷ Longitud Original
•
Tensión = 2 ÷ 10,000
•
Tensión = 0.0002
DE Feb 2002
•
•
Tensión = Estiramiento ÷ Longitud Original
•
Tensión = 2 ÷ 5,000
•
Tensión = 0.0004
Relación Esfuerzo - Tensión La Ley de Hook dice; “Dentro los límites elásticos, el esfuerzo es proporcional a la Tensión”. Si el Esfuerzo ∝ Tensión, entonces Esfuerzo ÷ Tensión debe ser constante. Esta constate se llama Modulo de Young de Elasticidad. El símbolo griego Ε (Epsilon) se usa para denotar del Modulo Young Ε Para el acero = 30,000,000 psi (30 x 106 psi) Ε Para el aluminio = 10,500,000 psi (10.5 x 106 psi) DE Feb 2002
Módulo de Young - ejemplo •
• • • • • DE Feb 2002
Una tubería de 5 pulgadas • cuadradas de sección transversal esta pegada. Después de sobre-tensionar las 100,000 lbs se observa un estiramiento de 5 pies. A que profundidad se encuentra el punto de pegadura? • Esfuerzo = 20,000 psi • Tensión = 20,000 ÷ 30,000,000 • = 0.00067 • Tensión = 5 ÷ Longitud Original • Entonces la Longitud Original = 5 ÷ 0.00067 = 7,463’
Una tubería de 4.5 pulgadas cuadradas de sección transversal esta pegada. Después de sobretensionar las 90,000 lbs se observa un estiramiento de 6 pies. A que profundidad se encuentra el punto de pegadura? Esfuerzo = 20,000 psi Tensión = 20,000 ÷ 30,000,000 = 0.00067 Tensión = 6 ÷ Longitud Original Entonces la Longitud Original = 6 ÷ 0.00067= 8,955’
Esfuerzo – Grafico de Tensión (limite elástico) Graph showing Stress (PSI) vs Strain 120000
D
100000
C
E
B
80000
At E; material fails
From B; region of plastic behaviour (permanant deformation)
60000 40000
A to B; region of elastic behaviour (reversible)
20000 A
0 0
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At D; Ultimate Tensile Strength reached
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Resistencia a la Cedencia y Resistencia a la Tensión • Resistencia a la Cedencia: es el punto donde el material pasa de ser elástico a plástico cuando es sometido a Tensión. La unidad de medida es en PSI. • Resistencia a la Tensión: es la resistencia máxima del material y se logra antes de romperse. La unidad de medida es en libras. DE Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación y Prevención de Fallas
DE Feb 2002
Introducción • • • • • • •
DE Feb 2002
Descripción Reconocimiento y Prevención en la fallas Sartas de Perforación Propiedades Metalúrgicas Conexiones con Hombro Diseño de Sarta de Perforación Inspección Operación y otros
El Elemento “ADIOS” •La prevención de fallas es el manejo de todos los factores que la causan. •Sin importar que mecanismo esta envuelto en la falla de la sarta, esta siempre sucede por uno de los cinco elementos que se mencionan abajo. •Se puede recordar estos cinco elementos utilizando el acrónimo ADIOS.
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El Elemento “ADIOS” •Atributos (A): Estos son las propiedades mecánicas y dimensiones de cada componente de la sarta de perforación. •Los atributos típicos son resistencia, dureza y otras propiedades metalúrgicas. •Mantener la identidad de cada componente es de suma importancia para poder tener confianza en su metalurgia. DE Feb 2002
El Elemento “ADIOS” •Diseño (D): El diseño de la sarta de perforación es la selección de sus componentes y configuración para lograr los objetivos de la perforación. •El objetivo es proveer una sarta de perforación que puede soportar las cargas requeridas sin fallar.
DE Feb 2002
El Elemento “ADIOS” •Inspección (I): A menos que los componentes de la Sarta de perforación sean nuevos, estos han sido expuestos a daños por manejo y daño acumulado desconocido por fatiga. •La Inspección de la sarta de perforación se utiliza para determinar si sus componentes pueden ser utilizados.
DE Feb 2002
El Elemento “ADIOS” • Operación (O): Las operaciones de perforación presentan muchas oportunidades para sobrecargar y mal utilizar la sarta de perforación.
•Ambiente alrededor (S): El ambiente químico y mecánico que rodea la sarta de perforación puede tener un efecto importante en las probabilidades de falla. DE Feb 2002
La Importancia del Trabajo en Equipo •Para mantener la sarta de perforación completa se requiere prestar atención a los cinco elementos de ADIOS. •Una sarta de perforación puede tener componentes de una docena de compañías diferentes. •La responsabilidad en la prevención de fallas esta distribuida.
DE Feb 2002
Reconocimiento y Respuesta a fallas en la Sarta de Perforación.
DE Feb 2002
Introducción
a. Fallas prematuras e inesperadas en sarta de perforación causan perdidas de tiempo y dinero cuantiosas. b. Reduciendo las fallas en la sarta de perforación aumenta la eficiencia del equipo y reduce los costos.
DE Feb 2002
Que es una Sarta de Perforación?
DE Feb 2002
Que es una Falla en la Sarta de Perforación? Que es una Falla en la Sarta de Perforación? a. Cuando un componente no puede realizar sus funciones b. Separación Completa (partición) c. Fuga Localización? a. Cuerpo del Tubo, Conexión o Rosca b. Cualquier componente de la Sarta de Perforación DE Feb 2002
Tipo de Fallas Mecanismos que pueden causar fallas • Tensión • Torsión • Fracturas por Fragilización por Hidrogeno • Fatiga • Otras Causas DE Feb 2002
Tipo de Fallas Mecanismos, grupo 1 • Tensión • Torsión • Combinación de Tensión y Torsión • Presión de Colapso • Presión de Estallido
DE Feb 2002
Tipo de Fallas Mecanismos, grupo 2: • Fatiga • Cajas Abiertas • Fracturas por Hidrogeno • Fracturas por Corrosión
DE Feb 2002
Tipo de Fallas Mecanismos Grupo 2 No son posibles las Fallas
Posibles Fallas
Mecanismos Grupo 1 No son posibles las Fallas
Posibles Fallas
Operación Normal Rango de Esfuerzos
0 DE Feb 2002
Fluencia Última
Análisis de Fallas Corrosión 9% Tensión y Torsión 14%
Fatiga 77%
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Fallas a la Tensión •Las fallas por tensión ocurren cuando se excede la capacidad de carga del componente mas débil de la sarta de perforación. Generalmente es la tubería de perforación en el tope del hoyo. •Ocasionalmente falla la junta si se le aplica Torque por encima del recomendado.
DE Feb 2002
Fallas a la Tensión a. La carga a la tensión es mayor que la resistencia máxima a la tensión. b. La superficie de la falla esta escarpada y a 45 grados del eje de la tubería. c. La tubería presenta un cuello junto a la fractura. DE Feb 2002
Prevención de Fallas a la Tensión o Torsión La mayoría de las fallas por tensión o torsión se pueden eliminar utilizando un proceso efectivo de diseño y buenas practicas en las inspecciones.
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Respuesta a Fallas por Tensión §Seleccionar tubería de perforación capaz de soportar las cargas anticipadas mas un margen de sobre tensión, mas un factor de diseño. §Utilizar un sistema de identificación que muestre el peso y el grado. Revisar las marcas en el pin para confirmar el peso y el grado.
DE Feb 2002
§Asegurarse que el indicador de peso del equipo de perforación esta calibrado correctamente y no excede de la carga a la tensión permitida.
Fallas a la Torsión •Las juntas estándar API tienen una resistencia a la torsión del 80% sobre el tubo al que encuentran soldadas. •Por esta razón en todos los casos las fallas por torsión siempre van a ocurrir en las juntas.
DE Feb 2002
Fallas a la Torsión a. Por exceso del Máximo esfuerzo a la tensión. b. Las forma de las fallas es un pin estirado o una caja en forma de campana. c. Las fallas por torsión ocurren generalmente en las juntas.
DE Feb 2002
Fallas a la Torsión
DE Feb 2002
Respuesta a Fallas por Torsión •Seleccionar el DE y el DI de la junta de manera que el torque de apriete máximo exceda la torsión máxima anticipada. •Revisar todas la juntas para asegurar que cumplan con todas las dimensiones requeridas. •Asegúrese que la herramienta para aplicar el torque funciona y esta calibrada correctamente. •Utilizar grasa para juntas API con un factor de fricción (FF) entre 0.95 y 1.05 o compensar apropiadamente el torque aplicado. •Apretar las conexiones hasta el Torque recomendado.. DE Feb 2002
Combinación a las Fallas de Tensión y Torsión Este tipo de falla es mas frecuente que ocurra pescando o tensionando la tubería pegada. •
DE Feb 2002
Fallas al Colapso o Estallido •La tubería de perforación puede estallar o colapsarse si se exceden la capacidad en cargas de presión. •El estallido es mas probable que ocurra en la parte superior del hoyo. •El Colapso es mas probable que ocurra en la parte inferior del hoyo, cuando la tubería es evacuada para realizar pruebas de pozo.
DE Feb 2002
Desgaste Si se esperan desgastes significativos durante la perforación se pueden utilizar herramientas para medir la reducción en el grosor. La presión de colapso y de estallido son determinadas por la parte mas delgada de la tubería, la resistencia a la sección con el área de la sección transversal en ese punto. Burst strength determined by minimum wall thickness.
Tensile strength determined by remaining area. DE Feb 2002
Reducción del Desgaste • El desgaste se puede reducir al:
•
Reducir las fuerzas laterales minimizando la severidad del agujero (especialmente en la parte superior del agujero) y utilizando protectores en la tubería de perforación.
DE Feb 2002
•
Utilizando fluidos de perforación que contienen sólidos.
•
Utilizar llaves de fuerza con dados afilados.
•
Minimizando las horas de rotación (utilizar motores de fondo)
Temperaturas Elevadas La resistencia a la fluencia de la mayoría de los materiales (incluyendo el acero) se reduce con temperaturas elevadas. En pozos profundos, la resistencia del revestidor se debe corregir utilizando un factor de corrección por temperatura que se puede obtener del fabricante. Esta reducción en la resistencia es aplicada antes del factor de diseño. DE Feb 2002
Resistencia Térmica Esfuerzos Térmicos se relacionan con el diseño del revestidor a pandeo. El coeficiente de Expansión Térmica α (Símbolo griego Alpha) proporciona el esfuerzo térmico en un cuerpo uniforme sujeto a un calentamiento uniforme. Thermal Strain = Expansion / Original Length Original Length
DE Feb 2002
Thermal expansion
Coeficiente de Expansión Térmica El coeficiente de expansión Térmica esta dado por: Tensión ε = 6.9 x 10-6 /°F (1.24 x 10-5 /°C) Por cada °C que incremente en forma uniforme el acero se expandirá en 0.0000124 de su longitud original.
DE Feb 2002
Ejemplo de Esfuerzos Térmicos • Un Revestidor de producción esta cementado hasta 4000´. Si el revestidor se va a calentar en promedio 60° cuando este en producción. ¿cuál será la expansión en longitud del Revestidor?
• Un Revestidor de producción esta cementado hasta 3500´. Si el revestidor se va a calentar en promedio 65° cuando este en producción. ¿cuál será la expansión en longitud del Revestidor?
• 1.24 x 10-5 x 4000’ x 60° = 2.98’
• 1.24 x 10-5 x 3500’ x 65° = 2.82’
DE Feb 2002
Fallas Relacionadas con la Soldadura •Con la obvia excepción de la soldadura de la junta al cuerpo del tubo de perforación, se debe evitar soldar componentes en la sarta de perforación. La soldadura altera las propiedades mecánicas del acero a menos que el componente reciba un tratamiento térmico.
•Si es absolutamente necesario utilizar un elemento soldado en la sarta de perforación se debe seguir el procedimiento siguiente… DE Feb 2002
Fallas Relacionadas con la Soldadura
Que un especialista diseñe el procedimiento de soldadura y controle las variables necesarias para obtener una soldadura con las propiedades deseadas. l
Evaluar el procedimiento y seguirlo al pie de la letra. Luego confirmar que se han obtenido las propiedades deseadas. l
Si se utiliza un soldador diferente al que realizo la soldadura inicial este debe estar calificado para realizar el procedimiento específico. l
DE Feb 2002
Fallas por Fatigas – Grupo 2 Mecanismo • Esfuerzos cíclicos con esfuerzos pico por encima del 40% de la resistencia última a la tensión. • Concentradores de esfuerzo que elevan localmente los esfuerzos. • Ambiente Corrosivo • Dureza a la Fractura
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Factores que contribuyen a la Fatiga l
Fuentes de cargas cíclicas a. Rotar la sarta en una pata de perro b. Rotar el BHA a través de un cambio de diámetro en el hoyo. c. Pegadura/Deslizamiento de los estabilizadores. d. Rotar la tubería en un área lavada. e. Remolinos en la Barrena f. Rebote de la barrena.
DE Feb 2002
Esfuerzos Cíclicos La tubería siendo rotada en la pata de perro. • Un lado en tensión y el otro en compresión. •La suma y resta de fuerzas crea cargas cíclicas.
DE Feb 2002
Concentradores de Esfuerzos Concentradores de Esfuerzos…Los aceleradores de la fatiga: Los Concentradores de esfuerzo enfocan y magnifican los esfuerzos cíclicos en puntos específicos. l
lEstos
puntos se convierten en el origen las grietas por fatiga, que actúan como sus propios concentradores para acelerar el crecimiento de la grieta hasta fallar. lLos
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refuerzos internos, la raíz de las roscas, las muecas por corrosión son los concentradores de esfuerzos mas comunes.
Esfuerzos Cíclicos & Concentradores de Esfuerzos
Áreas de Concentración de Esfuerzos
Concentración de Esfuerzos en la punta de una grieta DE Feb 2002
Esfuerzo Cíclicos y Concentradores de Esfuerzos
En la figura se aplica un momento de flexión al final de una tubería de perforación. Este esfuerzo a la tensión en la tubería es representado por los contornos de esfuerzo. El diagrama muestra que la concentración de los contornos de esfuerzo en el punto R, localizados en el final de un refuerzo. Este es el punto donde se concentra la mayoría de los esfuerzos en cualquier parte de la tubería.
DE Feb 2002
Reconocimiento de Fallas por Fatiga •Una grieta por fatiga es suave y plana a menos que la superficie sea alterada por erosión o daño mecánico. •La grieta va a estar orientada perpendicularmente al eje axial de la tubería o la conexión. •Las grietas por fatiga se originan en concentradores de esfuerzos como refuerzos internos, ranuras hechas por las cuñas y muecas por corrosión. •La superficie de una grieta por fatiga muestra un modo de ataque. Aparecen marcas cruzadas cuando múltiples grietas se unen para formar una grande. DE Feb 2002
Reconocimiento de Fallas por Fatiga
DE Feb 2002
Reconociendo Concentradores de Esfuerzo a. Las cargas cíclicas producen grietas muy pequeñas. b. Con el aumento del número de ciclos las grietas crecen. c. La fatiga es acumulativa. d. La grietas por fatiga ocurren en un plano de 90 grados con respecto al eje axial de la tubería. DE Feb 2002
Reconociendo Concentradores de Esfuerzo
Corte realizado por las cuñas
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Corrosión •
La corrosión reduce el
•
espesor de las paredes de la
El problema principal son las picaduras.
tubería. •
Existen tres patrones de corrosión;
a.
Reducción Uniforme del espesor de las paredes.
b. Patrones puntuales de perdida de metal. c. DE Feb 2002
Picaduras
•
Las picaduras son perdidas muy puntuales de metal que penetran la pared del tubo.
Corrosión La corrosión ocurre por reacciones electroquímicas con agentes corrosivos. La tasa de corrosión se incrementa por: l
Alta temperatura. La tasa se duplica por cada 31 °C.
l
Tasa de Bombeo. Especialmente si existen sólidos abrasivos presentes. La erosión remueve la capa protectora de productos anticorrosivos y expone al metal nuevo.
l
Concentración alta de agentes corrosivos (O2, H2S, CO2).
DE Feb 2002
Reconociendo Fallas por Corrosión
Daños por Corrosión •Las Picaduras conllevan a una eventual falla.
DE Feb 2002
Ambientes Corrosivos •Daño por Corrosión ¿Cuanta corrosión es demasiada? No existe una respuesta cuantitativa para esto, por lo que la mayoría de la compañías utilizan la regla de que a tasas mayores de 1 a 2 lbs/pie2/año se deben tomar acciones correctivas.
DE Feb 2002
Fragilidad por H2S Exponer Aceros de alta resistencia a la tensión a presiones parciales de H2S mayores de 0.05 psi a presiones menores al umbral (que varia en cada grado de acero) puede conllevar a una falla catastrófica. El metal se vuelve frágil y se parte repentinamente y sin avisar.
DE Feb 2002
Fracturas por Fragilizacion por Hidrogeno Ocurre en ambientes con H2S Fe++ + H2S ⇒ FeS + 2H +
El hidrógeno (H +) migra dentro del acero y se reúne en puntos con altos esfuerzos. El átomo de hidrogeno se combina para formar una molécula de hidrogeno (H 2) formando una grieta. 2H + + 2e ⇒ H 2
DE Feb 2002
Ruptura Creada por Esfuerzo de Sulfuro
DE Feb 2002
Ley de Presiones Parciales de Dalton N2 O2
Imagine un recipiente de 1 bbl lleno de dos gases; 80% Nitrógeno y 20% Oxigeno. La presión en el recipiente es de 100 psi. Las reacciones químicas con el Oxigeno ocurren como si el oxigeno ocupara en contenedor completo. Si se removiera el Nitrógeno la presión en el recipiente sería de 20 psi (Ley de Boyle; P1V1 = P2V2 so P2 = P1V1 ÷ V2 = 0.2 x 100 = 20 psi). En este ejemplo, se puede decir que la presión parcial del oxigeno es de 20 psi. (0.2 x 100). La suma de todas las presiones parciales es igual a la presión total del recipiente. Presión Parcial de un Gas = Presión original x fracción de volumen del gas. DE Feb 2002
Ejercicio Parciales sobre Presiones de H2S •
•
Un gas a una presión de 1,000
•
Un gas a una presión de 1,400
psi contiene 50 ppm (partes por
psi contiene 3 ppm (partes por
millón) de H2S. ¿cuál es la
millón) de H2S. ¿Cuál es la
presión parcial de H2S?
presión parcial de H2S?
pp H2S = 50 x 1000 ÷1,000,000 = 0.05 psi.
DE Feb 2002
•
pp H2S = 3 x 1400 ÷ 1,000,000 = 0.042 psi.
Resistencia a la Fractura Resistencia a la Fractura…El inhibidor de Fatiga: La resistencia a la fractura es una medida de la capacidad del material a la propagación de una grieta existente, bajo cargas de Tensión. l
Es mas difícil extender una grieta en un material resistente que en un material frágil. l
DE Feb 2002
Buen Material y Diseño de Componente
DE Feb 2002
En términos prácticos, todo esto significa que si un componente es frágil una grieta “pequeña” causará una falla catastrófica cuando en un material resistente una grieta de mayor tamaño puede existir antes que se parta la tubería. A mayor resistencia del material, mayor tamaño puede tener la grieta antes que la tubería se parta.
Buen Material y Diseño de Componente
DE Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga
La solución de este problema esta a la mano para el científico aeroespacial promedio....... REDUCIR EL NÚMERO Y LA SEVERIDAD DE LOS CONCENTRADORES DE ESFUERZOS CÍCLICOS.
DE Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga lLa
Fatiga no se puede eliminar
se puede limitar el daño al: •
Detectar en forma temprana las vibraciones y lavados.
Comenzar con buenos materiales y buen diseño de componentes. •
Reducir los esfuerzos cíclicos y las concentraciones de esfuerzos. •
DE Feb 2002
•
Reducir la corrosividad del ambiente.
•
Asegurar buenas prácticas operativas en el campo
•
Seguir un plan de inspección
Prevención de Fallas por Fatiga • Esfuerzo Cíclico…La causa de la Fatiga: l
Planear la trayectoria del pozo con la menor severidad posible
Evitar prácticas que crean patas de perro no planificadas, especialmente en hoyos verticales. l
Invertir en viajes para enderezar el hoyo o reducir las patas de perro. l
Estabilizar el BHA, especialmente si el agrandamiento del hoyo alrededor del hoyo es un problema. l
l
Mantener el punto neutro debajo del tope del BHA.
Mantener la compresión de la tubería de perforación menor a la carga crítica de pandeo en hoyos de alto ángulo. l
DE Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga
•Esfuerzo Cíclico…La causa de la Fatiga: Monitorear las vibraciones. Evitar combinaciones de configuraciones de BHA, peso sobre la barrena, y RPM que promueven las vibraciones. l
Considerar rotar la sarta mas lentamente, introduciendo un motor de fondo en el BHA, únicamente si los requerimientos de Limpieza y Direccionales de hoyo lo permiten. l
DE Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga •Corrosión…El catalizador de la Fatiga
Reducir los efectos corrosivos al… •
Reduciendo el O2 disuelto
•
Reduciendo el CO2 disuelto
•
Incrementando el pH a > 9
•
Agregar recubrimientos e inhibidores
DE Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga
DE Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga
DE Feb 2002
Previniendo Fallas por Fragilización por Hidrogeno. lMantener
el H2S fuera del sistema de lodo
al: i) perforar sobrebalance ii) manteniendo un ph elevado iii) utilizar recolectores de H2S iv) utilizando lodo base aceite lControlando
la metalurgia
Utilizar un grado diferente de tubería DE Feb 2002
Por que Inspeccionar las Conexiones? Garantizar la integridad de las conexiones Evitar dejar herramientas en el hoyo Evitar danos como derrames y lavado Evaluar las roscas a reparar Requerimientos del cliente DE Feb 2002
Métodos de Inspección Ultrasonido Partículas Magnéticas Líquido (Tinta) Penetrante Radiografía Visual DE Feb 2002
Programa de Inspecciones Política de Inspección de cuatro áreas •
Programa de inspección a utilizar
•
Criterios de Aceptación o Rechazo
Asegurar que las inspecciones se hagan correctamente •
•
DE Feb 2002
Frecuencia de inspección
Programa de Inspecciones Que es un Buen Programa? – No hay respuesta “Perfecta” – DS-1 es una guía pero no una política Áreas a considerar cuando se crea un programa – Severidad a las condiciones de perforación – Seguridad e Impacto ambiental de una falla – Impacto de costo de una falla – Tolerancia al riesgo de la gerencia. DE Feb 2002
Resumen y Revisión • Que es una Falla de la Sarta de Perforación? • Mecanismos de Falla • Prevención de Fallas en la Sarta de Perforación • Inspección
DE Feb 2002
Resumen y Revisión • Mecanismos de Fallas – Tensión – Torsión – Fracturas por Hidrogeno – Fatiga
DE Feb 2002
Resumen y Revisión • Prevención de fallas en la Sarta de Perforación – Diseñe considerando los límites de la tubería – SSC se puede controlar – La Fatiga no se puede eliminar completamente • Pero se puede reducir sus efectos negativos.
DE Feb 2002
Resumen y Revisión •Inspección – Decidir un programa – Conozca las causas de la falla – Conozca la historia de la sarta de perforación – Sea proactivo
DE Feb 2002
Conexiones Los objetivos son… • Tipos de conexión • Consideraciones de diseño • Esfuerzo en una conexiónBSR • Como hacer una conexión DE Feb 2002
Porque tener Conexiones? • Hacer una sección de tuberías continuas • Proveer un sello hidráulico • Transferir torque desde la superficie hasta la barrena
Pin
DE Feb 2002
Caja
Consideraciones para el Diseño de Conexiones • Tipos de roscas (perfil) • Material (Grada) • Sello • Resistencia a la flexión • Torque de apriete
DE Feb 2002
Tipos de Roscas
Reg NC IF H-90 FH DE Feb 2002
-
Regular Conexiones Numeradas Flujo Interno “Hughes” Agujero Completo
Identificación del Tipo de Rosca Utilizar una regla para conexiones
DE Feb 2002
Sellante
Sello
La rosca NO proporciona sello hidráulico. El hombro es el único sello Box
Pin DE Feb 2002
Canal
Consideraciones de Diseño •Resistencia a la torsión de la conexión •Resistencia torsional de la conexión en lastra barrenas •Torque de apriete • Factor de fricción de la grasa de conexión • Características especiales en las conexiones del BHA
DE Feb 2002
Consideraciones de Diseño Resistencia a la Torsión de las conexiones: La mayoría de las conexiones estándares son mas débiles a la torsión que los tubos a los que están soldadas. l
API coloca la resistencia a la torsión de las conexiones a un valor arbitrario de 80% de la resistencia a la torsión del tubo en la mayoría de los casos. l
DE Feb 2002
Consideraciones de Diseño Resistencia Torsional de la conexión de los Lastra barrenas: La resistencia Torsional de la conexión de un Lastra barrena siempre será diferente del de una conexión de las mismas dimensiones. l
La capacidad Torsional de los Lastra barrenas raramente es una preocupación porque sus conexiones son mas grandes y están sujetas a menores cargas de torsión que las conexiones de la tubería de perforación. l
La resistencia torsional de un Lastra barrena no esta disponible en la mayoría de las publicaciones, pero puede ser calculado utilizando la siguiente formula.... l
DE Feb 2002
Conexiones Resistencia Torsional de la conexión de los Lastra barrenas:
MUT TS = f
Tamaños de Lastra barrenas: Tipo de Rosca PAC H-90 Otras
3 1/8”-6 7/8” f=0.795 f=0.511 f=0.568
>7” N/A f=0.562 f=0.625
TS= Resistencia Torsional El factor f es simplemente la fracción decimal de la resistencia Torsional que forma la base MUT= Torque de Apriete del Torque de apriete de los Lastra barrenas. F= mirar al lado
DE Feb 2002
Consideraciones de Diseño Otras revisiones a realizar: Cargas Combinadas •
La Tensión reduce la capacidad de presión al colapso de la tubería de perforación.
•
La Torsión reduce la capacidad de tensión de la tubería de perforación.
•
Apretar la conexión después de un cierto punto reduce la capacidad a la tensión de la conexión.
•
La Tensión reduce la resistencia a la torsión de conexiones débiles en el Pin.
DE Feb 2002
Resistencia a la Flexión
Tensión
Compresión
DE Feb 2002
Junta Flexionándose
Resistencia a la Flexión Proporción de Esfuerzo de Tensión La relación de Resistencia a la Flexión o BSR es la rigidez relativa de la caja con respecto al pin en una conexión dada. Rangos Recomendados de BSR: BSR Tradicional < 6 pulgadas 2.25 - 2.75 7 7/8 pulgadas 2.25 – 2.75 >/= 8 pulgadas 2.25 – 2.75
DE Feb 2002
BSR Recomendado 1.8 - 2.5 2.25 - 2.75 2.5- 3.2
Resistencia a la Flexión Proporción de Esfuerzo de Flexión
Vida de la Fatiga (ciclos)
Alto riesgo de falla prematura de caja
Vida Máxima
Alto riesgo de falla prematura de piñón
“Conexión Balanceada”
Caja Débil
1.5 DE Feb 2002
2.0
Piñón Débil
2.5
3.0
Proporción de Esfuerzo de Flexión
3.5
Esfuerzos en las Conexiones Grietas en la última rosca del Pin
Esfuerzos en el Pin Grietas en la última rosca de la caja
DE Feb 2002
Esfuerzos en la Caja
Características de Esfuerzo – Las características de alivio de Esfuerzos están descritas en la sección 6 de la Especificación 7 de API, y se debe aplicar en conexiones del BHA, NC38 o mayores. - No se recomiendan ranuras de alivio de esfuerzo en pines mas pequeños que el NC-38, ya que esto puede debilitar la resistencia a la tensión y a la torsión de la conexión. -
Las cajas ensanchadas se pueden usar en cajas mas pequeñas y se deben considerar si están ocurriendo fallas.
DE Feb 2002
Características del Alivio de Esfuerzos
Pin Normal
Caja Normal DE Feb 2002
Pin con ranura de alivio de Esfuerzos
Caja Ensanchada
Caja con ranura para alivio de Esfuerzos
Características del Alivio de Esfuerzos Rolado en Frío - El rolado en frío de las roscas del BHA y las superficies de alivio de esfuerzos aumenta la resistencia a la fatiga al colocar un esfuerzo compresivo residual en la raíz de la rosca. - El rolado en frío es beneficioso para las roscas de los HWDP pero no para las juntas de la tubería de perforación.
DE Feb 2002
Haciendo una Conexión en el Equipo de Perforación
Aplicación de la Grasa
DE Feb 2002
Encajando
DE Feb 2002
Colocación de Llaves
DE Feb 2002
Listo para Apretar
DE Feb 2002
Torque de Apriete
DE Feb 2002
Línea de Tiro
Medidor de línea de tiro DE Feb 2002
Celda de Carga
Diseño de la Sarta de Perforación
DE Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación Tipo de Sección
I
VI
Rígido y Bajo Peso
Minimizar el Torque y Arrastre
Rígido y Bajo Peso
Minimizar el Torque y Arrastre, resistencia adecuada al Pandeo
Rígido y Bajo Peso
Minimizar el Torque y Arrastre, resistencia adecuada al Pandeo
Rígido y Peso Moderado
resistencia elevada al Pandeo
Transferenci a de Peso
III
TP o HW DP
Transferenci a de Peso
HWD P
Transferir y Proveer Peso
V
HW DP o DC
Proveer Peso
Peso Concentrado
Componente de Transición (De Compresión a Tensión)
TP
Peso de Soporte
Límites de Torsión y Tensión
Proveer márgenes adecuadas de Tensión y Torsión
VI
DE Feb 2002
Control Direccional
TP
IV
III
Consideraciones Deseadas
II
V
IV
BHA
Función
Características Deseadas
II
I
Diseño • Procedimiento de Diseño Seleccionar el diámetro del Lastra barrena: Consideraciones importantes:
• Facilidad de Pesca • Capacidad de las herramientas del equipo para manejarlos. • Requerimientos de control direccional. • Hidráulica • Características exteriores deseadas. DE Feb 2002
Seguridad y Factores de Diseño ¿Cual es la diferencia entre el factor de seguridad y el factor de diseño? La diferencia principal es que el factor de seguridad siempre utiliza un valor basado en una falla catastrófica. Con un factor de diseño, el valor se puede basar en prácticamente cualquier cosa (p.e. El limite elástico, un criterio de resistencia, falla, etc.).
DE Feb 2002
Factores de Seguridad El factor de seguridad se calcula de la siguiente manera:
Failure Load Safety Factor = Actual Applied Load
Cuando la carga aplicada alcanza la carga de falla, p.e. Cuando se alcanza el factor de seguridad de 1.0, la falla es inminente. Por esto, la falla va a ocurrir si el factor de seguridad es menor de 1.0. DE Feb 2002
Factores de Diseño ¿Porque se necesita emplear un factor de Diseño? ¿por qué no se utiliza la resistencia Mínima de API? 1. La resistencia mínima a la fluencia de API excede el límite elástico. Por esto API recomienda utilizar un factor de Diseño de 1.1 para prevenir la deformación permanente de los tubulares, a menos que el fabricante recomiende un factor de Diseño diferente. 2. Para tomar en cuenta fuerzas desconocidas o difíciles de calcular; como las cargas de impacto mientras se corre dentro del hoyo. DE Feb 2002
Factores de Diseño El Factor de Diseño se calcula de la siguiente manera;
Rating of thePipe Design Factor = Maximum Anticipated Service Load
El Factor de Diseño normalmente es mayor de 1. DE Feb 2002
Factores de Diseño
Diseño
•Peso en exceso del BHA (DF BHA): 1.15 •Tensión (DFT)>: 1.10 •Margen de Sobre Tensión (MOP): 160,000 lbs Peso en exceso del BHA : Este factor establece la cantidad de peso en exceso del BHA comparado con el peso el peso sobre la barrena a aplicar. Este peso adicional provee un margen para mantener el punto neutro abajo del tope del BHA. El valor recomendado es DFBHA = 1.15. Tensión (DFT): Este factor establece la máxima carga a la tensión permitida para un tubo específico. Los valores utilizados comúnmente del DFT varían entre 1.0 y 1.1. Margen de Sobre-Tensión (MOP): Es la capacidad de tensión en exceso deseada sobre la carga normal para soportar el arrastre en el hoyo y durante los casos de pega de tubería. El valor normal varía entre 50,000 y 150,000 lbs. DE Feb 2002
Diseño • Procedimiento de Diseño Otras revisiones que hacer: - Calcular el radio de rigidez - Localización de los Estabilizador - Presión de Estallido - Presión de Colapso - Pandeo de la tubería de perforación - Factor de flotación para componentes de material diferente al acero. - Colapso por las cuñas DE Feb 2002
Factores de Diseño - Tensión Los factores de diseño recomendados en la industria varían desde 1.3 (Neal Adams) hasta 1.8 (Preston Moore). IPM esta preparando un política para este caso. API recomienda un factor de diseño de alrededor de 1.1 aplicada a la resistencia mínima o según lo recomienda el fabricante de la tubería (API RP7G pág. 42). Shell utiliza 1.15 para el diseño de sartas de perforación y 1.3 para el diseño de revestidores. DE Feb 2002
Factores de Diseño - Compresión API indica que para la resistencia mínima a la tensión en aceros normales se calcula la carga requerida para producir un estiramiento de 0.5%. La misma carga en compresión produce una contracción de 0.5%. El Boletín 5C2 de API no indica valores para la resistencia a la compresión. Generalmente la mayoría de las compañías utilizan la resistencia mínima a la tensión como el valor para compresión sin modificarlo. Para un conductor que soporte las cargas de los revestidores, preventores, completación y cabezal, también se utiliza el valor de la resistencia mínima a la tensión sin modificarla (p.e. el factor de seguridad es 1). DE Feb 2002
Factores de Diseño - Estallido Los revestidores pueden ser sujetos a presiones de estallido en el transcurso de su vida útil. Generalmente se aplica un factor de diseño de 1.1 a la presión mínima de estallido.
DE Feb 2002
Factores de Diseño - Colapso Como con el estallido, los revestidores pueden estar sujetos a presiones de colapso a traves de su vida. Generalmente se aplica un factor de diseño de 1 a la presión minima de colapso. El boletin 5C2 de API presenta la resistencia a presiones de colapso (incluyendo las Biaxiales).
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Factor de Corrección Los factores de corrección por temperatura fueron cubiertos en el capítulo anterior. Si se va a aplicar un Factor de Corrección por Temperatura, también se debe aplicar el factor de diseño.
DE Feb 2002
Factores de Corrección por Temperatura (Nippon Steel) Temperatura °F
Factor de Corrección de la Resistencia
20
68
1.0
50
122
0.95
100
212
0.88
150
302
0.84
200
392
0.81
Temperatura
°C
DE Feb 2002
Corrección de Temperatura & Factores de Diseño •
Ejemplo; un revestidor con una resistencia mínima a la fluencia de 5,000 psi estará sometida a una temperatura de 200 C (TCF 0.81). La política es utilizar un factor de diseño de 1.1 al estallido. ¿Cual es la máxima presión al estallido que el revestidor va a estar sujeto durante su vida de servicio?
•
Ejercicio; una tubería de perforación con una resistencia mínima a la fluencia de 9,000 psi estará sometida a una temperatura de 150 C (TCF 0.84). La política es utilizar un factor de diseño de 1.1 al estallido. ¿Cual es la máxima presión al estallido que el revestidor va a estar sujeto durante su vida de servicio?
5000 × 0.81 = 3680 psi 1.1 DE Feb 2002
5000 × 0.84 = 6870 psi 1.1
Diseño de la Sarta de Perforación Pandeo
DE Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación Pandeo
E = 30 × 10 6 (acero) π I= × (OD 4 − ID 4 ) 64 W = peso en el aire x factor de flotación K = 1-(MW / 65.5)
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Diseño de la Sarta de Perforación Puntos de Interés
DE Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación ¿Cual es el peso máximo sobre la barrena para que no ocurra pandeo debajo del punto tangencial?
DE Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación ¿Cual es el peso máximo sobre la barrena para que no ocurra pandeo encima del punto de inicio de desviación?
DE Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación ¿Cual es el peso máximo sobre la barrena para que no ocurra pandeo?
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Diseño de la Sarta de Perforación Ejemplo
•Calcular la carga critica de pandeo para TP de 4 ½”, grado E, peso nominal de 16.6 lbs/pies. Angulo del hoyo es de 50° . Peso del Lodo es de 14ppg
Información Adicional OD conexión: 6 3/8” ID: 3 ¾” Peso Ajustado : 17.98
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Diseño de la Sarta de Perforación Ejemplo Tamaño del Hoyo:
12 ¼”
Angulo del Hoyo:
0° sobre KOP, 75° tangente
BUR:
6°/100’
MW:
10ppg
BHA:
95 ft - 140 ft/lb.
HWDP:
93 ft – 53.7 lb./ft
DP:
5”. 19.5 lbs/ft
La barrena esta a 1000 pies dentro de la tangente (75°) Factor de Diseño:
1.15
•Cual es el peso máximo sobre la barrena sin pandear en ninguna parte la tubería de perforación?
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Análisis de la Sarta de Perforación
DE Feb 2002
•Análisis de torque y arrastre para la perforación y los viajes •Proveer cargas criticas axiales y de pandeo •Proveer fuerzas y esfuerzos laterales •Tendencias del BHA y fuerza en la barrena con modelo de equilibrio ren 3D
Diseño de la Sarta de Perforación • Calcular el torque y arrastre • Analizar la sarta de perforación y el comportamiento del BHA • Investigar las diferentes operaciones de perforación • Calcular las cargas y fuerzas que actúan sobre la sarta de perforación • Calcular la tasa de construcción y giro del BHA DE Feb 2002
Análisis de la Sarta de Perforación TRIPPING LOADS ANALYSIS
CSG_FF= 0.00 OPH_FF= 0.00 CSG_FF= 0.20 OPH_FF= 0.20 Trip in CSG_FF= 0.20 OPH_FF= 0.30 Trip in
Bore Hole: Borehole #1 Engineer: Cooper Client: Oil Co.
CSG_FF= 0.20 OPH_FF= 0.40 Trip in CSG_FF= 0.20 OPH_FF= 0.50 Trip in 60
50
40
30
20
10
0 3000
3500
4000
4500
5000
-10
-20
-30
DE Feb 2002
Bit Depth (ft)
5500
6000
6500
Directional Control T&D Drilling T&D Casing Surveying and A/C ECD Drilling ECD Casing Hole Cleaning Wellbore Stability Mud Losses Low Temp Effect Cementing Well Control Signal Transmission Formation Evaluation Sidetracking Completion Running Communication DE Feb 2002
P6 "S" 9 7/8" OBM
P6 "S" 9 7/8" WBM
P6 OBM
P6 WBM
P4 OBM
P4 WBM
P2 OBM
P2 WBM
8 1/2" INJ "S" 12 1/4"
P6 "S" 81/2"
P6 12 1/4" - TD
P6 base
P4 12 1/4" - TD
P4 base
P2 12 1/4" - TD
12 1/4" P2 base
P6 base
P4 base
17 1/2" P2 base
Shallow Kick Off
P6 base
P4 base
P2 base
Top Hole
P6 "S" 12 1/4" - TD
Identificación de Riesgo
Diseño de la Sarta de Perforación
• Magnitud de las cargas (torsión, al levantar, flexión) • Pandeo • Limitaciones Hidráulicas • Arrastre
DE Feb 2002
Fuerzas Axiales Inc=0°
Inc=90 °
90° >Inc>0°
AF
W AF
DE Feb 2002
S F
SF = W W
Fuerzas Axiales
DE Feb 2002
