Guía para el Diseño de Sartas de Perforación CONTENIDO 1. Objetivo 2. Introducción 3. Conceptos generales 4. Metodología práctica de diseño 4.1. Recopilación de la información 4.2. Selección del aparejo de fondo 4.3. Diseño de la tubería de trabajo 4.4. Criterios de estabilización de la sarta de perforación
5. Recomendaciones 6. Referencias 7. Nomenclatura
Este guía de diseño tiene como objetivo proporcionar los criterios básicos para el diseño de sartas de perforación, aplicando una metodología práctica que contempla los principales esfuerzos a los que se somete una sarta durante la perforación de un pozo.
Guía de Diseño
1. OBJETIVO Este trabajo tiene como objetivo proporcionar los criterios básicos para el diseño de sartas de perforación, aplicando una metodología práctica que contempla los principales esfuerzos a los que se somete una sarta durante la perforación de un pozo. Inicialmente, se resumen los conceptos básicos que el diseñador debe considerar, posteriormente se describe la metodología para seleccionar los principales componentes de la sarta (aparejo de fondo y tubería de trabajo) y finalmente se describen los criterios prácticos para la estabilización de sartas.
perforación es que los esfuerzos a que se someten sus componentes tubulares deben ser siempre inferiores a las resistencias de dichos componentes (especificados en tablas por el fabricante), sin deformarse permanentemente o alcanzar su límite elástico (Figura 1). Cuando el límite elástico de un componente tubular se rebasa, éste sufre una deformación permanente y, consecuentemente, una drástica reducción en su capacidad de resistencia. Desafortunadamente, en la mayoría de los casos esta deformación es difícil de detectar visualmente. Por lo tanto, el continuar usando este elemento deformado ocasiona los problemas comunes de pesca o fugas.
Cabe mencionar que esta guía no pretende que el diseñador prescinda del uso de software técnico, sino que lo emplee con criterio.
Ruptura
Límite Lím ite
2. INTRODUCCIÓN En el proceso de perforación de un pozo, la sarta es el componente del equipo de perforación que más se somete a esfuerzos (tensión, compresión, presión interna y externa, doblez, fatiga, torsión, abrasión, erosión y corrosión). La acción independiente o combinada de dichos esfuerzos puede causar problemas durante la perforación, tales como: desprendimientos, pegaduras por presión diferencial, altos arrastres y fugas en los elementos tubulares. Por supuesto, estos problemas son causa de altos costos y pérdidas de tiempo de perforación. Consecuentemente, un adecuado diseño de la sarta es fundamental para el éxito de la perforación. Por supuesto, debe tomarse en cuenta que un sobre diseño, que exija componentes con resistencias mayores (tuberías con mayor diámetro en el cuerpo y junta), también incrementa el costo de la perforación y pone en riesgo la integridad de las tuberías de revestimiento.
3. CONCEPTOS GENERALES El principio fundamental que debe respetarse al diseñar una sarta de 2
o z r e u f s E
e l á s t i c o
P l á s t i c o
Deformación Figura 1. Límite elástico y plástico.
Un adecuado diseño de la sarta de perforación permite reducir costos y tiempos de perforación a través de: 1. Optimizar el número de lastrabarrenas, tubería pesada y tubería de trabajo. 2. Reducir el riesgo de desprendimiento o ruptura de los componentes de la sarta de perforación. 3. Reducir la posibilidad de pegaduras por presión diferencial. 4. Mantener un control sobre la verticalidad o inclinación del pozo desde el inicio de la perforación y, por lo tanto, reducir arrastres por tortuosidad del agujero. Gerencia de Ingeniería
Sartas de Perforación
4. METODOLOGÍA DISEÑO
PRÁCTICA
DE
La metodología propuesta en esta guía se conforma básicamente de los siguientes puntos: 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.
Recopilación de información. Selección del aparejo de fondo. Diseño de la tubería de trabajo. Criterios de estabilización de la sarta de perforación.
esfuerzos de tensión y compresión son igual a cero) por debajo de la sección de la tubería de trabajo. La selección del tipo de configuración se hace en función de la severidad de las condiciones de operación a las que estará sometida la sarta de perforación, determinada en pozos de correlación.
Tubería de trabajo
4.1. Recopilación de información La información necesaria para el proceso de diseño y selección de la sarta se puede resumir en los siguientes puntos: • • • • •
• • • •
Profundidad total. Trayectoria y ángulo máximo. Peso sobre barrena requerido. Densidades de lodo. Factores de diseño para el peso sobre barrena. Factor de diseño a la tensión. Máximo margen de jalón Inventario de tubulares y herramientas Tabla de especificaciones de tuberías.
Como se indica más adelante, algunos cálculos del diseño de sartas se basan en experiencias y condiciones esperadas durante la perforación. Por lo tanto, es necesario estudiar los pozos de correlación para determinar variables como: posibles arrastres, posibles pegaduras por presión diferencial e hidráulica. 4.2. Selección del aparejo de fondo El diseño de la sarta de perforación se realiza de abajo hacia arriba, por lo que una vez que se cuenta con la información, se inicia el proceso de diseño seleccionando los lastrabarrenas y la tubería pesada. 4.2.1. Definir la configuración del ensamble de fondo. Existen tres tipos de configuraciones de ensambles de fondo (Figura 2), los cuales permiten mantener el punto neutro (punto en la sarta de perforación donde los Gerencia de Ingeniería
Punto neutro Tubería pesada Lastrabarrenas
Tipo 1
Tipo 2
Tipo 3
Figura 2. Configuraciones de ensambles de fondo.
Tipo 1. Es la configuración más simple y está compuesta por lastrabarrenas y tubería de trabajo. El peso sobre la barrena se aplica con los lastrabarrenas y el punto neutro es localizado en los lastrabarrenas. Tipo 2. Esta configuración utiliza tubería pesada por arriba de los lastrabarrenas, como transición entre lastrabarrenas y tubería de trabajo. En este arreglo, el peso sobre barrena también se aplica con los lastrabarrenas y el punto neutro es localizado dentro de la longitud de los mismos. Tipo 3. Esta configuración utiliza lastrabarrenas únicamente para lograr el control direccional, mantener la verticalidad del pozo o reducir la vibración de la sarta de perforación. El peso sobre la barrena se aplica con los lastrabarrenas y la tubería pesada, y el punto neutro se localiza en la tubería pesada. Esta configuración permite manejar el aparejo de fondo en forma rápida y sencilla, reduce la posibilidad de pegadura por presión diferencial y fallas en las 3
Guía de Diseño
conexiones de los lastrabarrenas. En la perforación direccional moderna, este arreglo es el más recomendado 1. 4.2.2 Determinar el diámetro de los lastrabarrenas. Cuando las posibilidades de pegaduras por presión diferencial sean mínimas, la experiencia establece que el diámetro de los lastrabarrenas debe ser el máximo permisible, de acuerdo con la geometría del pozo y el diámetro de la barrena 2. Esto permitirá un mejor control direccional, menor longitud del ensamble de fondo, menor probabilidad de pegaduras por presión diferencial y menor margen de movimiento lateral (menor esfuerzo de pandeo y fatiga de las conexiones). La siguiente ecuación práctica 3 proporciona una idea del diámetro mínimo de lastrabarrena d MLB (pg) requerido.
d MLB
=
2 * d eCTR − d b
(1)
Donde d eCTR es el diámetro exterior del cople de la TR (pg) y d b es el diámetro de la barrena en pulgadas. 4.2.3 Calcular la longitud de los lastrabarrenas según la configuración definida. Cuando el peso sobre la barrena es proporcionado únicamente por los lastrabarrenas (arreglos tipo 1 y 2), la longitud mínima de lastrabarrenas se calcula de la siguiente manera: 4.2.3.1. Calcular el factor de flotación F F (adimensional), con la siguiente ecuación:
ρ F F = 1 − lodo 7.856
(2 )
4.2.3.2. Calcular la longitud mínima de lastrabarrenas L LB (m) con la siguiente ecuación:
4
L LB Donde
=
671.4 * P SB * F d P LB * F F * cosθ
ρ lodo
(3)
es la densidad del lodo
(gr/cm3), pSB es el máximo peso requerido por la barrena en toneladas, F d es un factor de diseño para asegurar que el punto neutro se ubique por debajo de la cima de los lastrabarrenas. Este factor de diseño varía entre 1.1 y 1.2, siendo 1.15 el valor más común 4. P es el peso de los LB lastrabarrenas en el aire (lbs/pie) y θ es el ángulo del pozo con respecto a la vertical en grados. Cuando el peso de la barrena es proporcionado por los lastrabarrenas y por la tubería pesada (arreglo tipo 3), el número de lastrabarrenas debe ser el mínimo necesario para controlar la desviación del pozo. 4.2.4. Determinar el cambio de diámetro adecuado entre secciones de la sarta. En la practica, para seleccionar los diámetros de tuberías pesada y de trabajo que minimicen los esfuerzos de transición por cambio de diámetro, se calcula la relación de rigidez R R (adimensional) entre la sección inferior y superior, dada por la siguiente ecuación
d e4 − d i4 d e sec ción inferior R R = d e4 − d i4 d e sec ción superior
(4 )
De acuerdo con la experiencia 2, para perforación somera o con baja probabilidad de falla, R R debe ser menor de 5.5. Por otro lado, para perforación en condiciones más severas o con mayor probabilidad de falla R R debe mantenerse menor de 3.5.
Gerencia de Ingeniería
Sartas de Perforación
4.2.5 Calcular la longitud de la tubería pesada según la configuración definida. Cuando la tubería pesada se utiliza únicamente para reducir los niveles de esfuerzo en la zona de transición entre los lastrabarrenas y la tubería de trabajo (arreglo 2), el número de tramos de tubería pesada se selecciona de acuerdo con las condiciones de trabajo y la experiencia. Una práctica de campo recomendada por la API 4 es usar de nueve a diez tramos de tubería pesada. Por otro lado, cuando la tubería pesada se utiliza para reducir los niveles de esfuerzo en la zona de transición, entre los lastrabarrenas y la tubería de trabajo, y adicionalmente para proporcionar peso a la barrena (arreglo 3), la mínima longitud de tubería pesada LTP (m) se calcula con la siguiente ecuación:
LTP =
671.4 * P SB * F d P LB * L LB P TP * F F * cos θ P TP
(5)
Donde P TP es el peso de la tubería pesada en el aire (lbs/pie). 4.3. Diseño de la Tubería de Trabajo Después de calcular el diámetro y número de tramos de lastrabarrenas y de tubería pesada, se procede a diseñar la tubería de perforación, proceso en el cual se revisan las condiciones más críticas a las que será sometida la tubería y se comparan con su resistencia especificada en tablas. 4.3.1. Calcular la máxima tensión permisible y la tensión de trabajo para cada sección de tubería. Para diseñar la tubería de trabajo bajo el criterio de la tensión, es necesario considerar los siguientes factores (Figura 3): a) resistencia a la tensión de la tubería RT proporcionada en tablas por el fabricante; b) factor de diseño a la tensión F dT , el cual se establece de acuerdo con la máxima tensión permisible M TP a la que estará expuesta la tubería; c) tensión de trabajo T T , a la que estará expuesta la tubería durante operaciones normales, y d) margen Gerencia de Ingeniería
de jalón M J o tensión máxima a la que podrá someterse la tubería, sin rebasar la máxima tensión permisible establecida por la resistencia a la tensión de la tubería y el factor de diseño. 4.3.1.1 La máxima tensión permisible M TP (toneladas) se calcula con la siguiente ecuación:
4.54 × 10 4 RT −
M TP =
(6 )
F dT
RT
Donde
está
en
libras,
como
normalmente se reporta en tablas, y F dT es adimensional. Los valores típicos del factor de diseño a la tensión F dT varían en el rango de 1.0 a 1.15 2. El valor de este factor se define considerando la severidad de las condiciones de perforación de pozos de correlación y las condiciones o clasificación de la tubería en función de su desgaste. 4.3.1.2 Establecer el margen de jalón M J (toneladas). Las prácticas operativas establecen que para seleccionar el margen de jalón es necesario considerar principalmente las siguientes variables: 1) posibilidades de atrapamiento, 2) posibles arrastres durante la perforación, y 3) efecto de cuñas. La primera variable se establece de acuerdo con la experiencia y las condiciones de perforación esperadas. El arrastre se puede obtener de pozos de correlación o estimar con la siguiente ecuación empírica. 5
ASección
=
4.17 ×10 4 F F P Sección LSección senoθ
(7 )
−
Donde ASección (toneladas) es el arrastre por sección, P Sección (lbs/pie) es el peso en el aire del tubular de la sección y LSección (m) es la longitud del tubular de la sección. Para estimar el arrastre total de la sarta de perforación, se calculan los arrastres de las secciones comprendidas entre la barrena y 5
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el punto de desviación (KOP), usando la ecuación (7), y se suman los mismos. 6HFRQVLGHUDXQDW XEHUÞDGH JUDGR GH OEPSLHFODVH QXHYDXQIDFWRUGH GLVHâRDODWHQVLäQGH\GHDFXHUGR FRQ HO HIHFWRGH FXâDVHO PDUJHQ GH MDOäQ PÞQLPRHV GH WRQHODGDVF RQVLGHUDQGRXQDORQJLWXGGHFXâDVGHSXOJDGDV Resist encia a la tensión de la tubería = 146.54 t on
Máxima tensión permisible
Margen de jalon
Tensión de trabajo
Factor de diseño a la tensión
F dT
M j 85.6
139.6
146.5
Tensión (Tonel adas )
Tabla 1. Constante de efecto de cuñas
cuñas siempre sea menor a la máxima tensión permisible, es decir:
Figura 3. Cargas de tensión en la tubería de trabajo.
T T ( E T E C ) < M TP Adicionalmente, el efecto de cuñas resulta ser también un buen indicador para establecer el margen de jalón. El esfuerzo de tensión E T que se causa al aplicar las cuñas, resulta en un esfuerzo compresivo E C alrededor del área del tubo donde trabajan las cuñas. Este esfuerzo compresivo reduce la resistencia a la tensión de la tubería. La relación del esfuerzo de tensión sobre el esfuerzo compresivo ( E T E C ) , conocida como constante de efecto de cuñas, permite determinar la reducción en resistencia a la tensión de la tubería por efecto de cuñas. La Tabla 1 muestra los valores de esta constante para las tuberías más usadas en perforación2, considerando longitudes de cuñas de 12 y 16 pulgadas. Por lo tanto, el margen de jalón mínimo debe ser mayor al arrastre calculado y satisfacer la siguiente ecuación:
M j
>
M TP [( E T E C ) − 1]
(8)
Satisfaciendo la ecuación 8, se garantiza que la tensión de trabajo afectada por las
6
(9 )
En la práctica, los valores típicos del margen de jalón varían de 25 a 70 toneladas 4. 4.3.1.3 Determinar la tensión de trabajo T T (toneladas) de cada una de las secciones de tubería de trabajo. La tensión de trabajo a la cual estará expuesta la tubería en condiciones normales es igual a la máxima tensión permisible menos el margen de jalón, y se calcula de la siguiente manera:
T T
=
M TP − M J
(10)
4.3.2 Calcular la máxima longitud de las secciones de tubería de trabajo (grado y peso). El principio para calcular las longitudes, grados y pesos de las secciones de tubería de trabajo es mantener durante todo el proceso de perforación, y a lo largo de toda la sarta de trabajo, la tensión de la misma menor o igual a la máxima tensión permisible (Figura 3). Bajo este principio, y de acuerdo con el arreglo de la sarta de trabajo seleccionado, la tubería de menor resistencia se coloca inmediatamente arriba de los lastrabarrenas o tubería pesada. La máxima longitud de Gerencia de Ingeniería
Sartas de Perforación
esta primera sección de tubería de trabajo está limitada por la tensión de trabajo T T ( SEC 1) determinada previamente, y se calcula con la siguiente ecuación:
T T ( SEC 1) −1.49×10 3 ( P LTP ) LB L LB + P TP F F (11) = 3 −
LTT ( SEC 1)
1.49×10 P TT ( SEC 1) −
Si la longitud de la primera sección no es suficiente para la profundidad total del pozo, la longitud máxima de la segunda sección se calcula con la siguiente ecuación:
LTT ( SEC 2 )
=
T T ( SEC 2 ) − T T ( SEC 1)
1.49 ×10 3 P TT ( SEC 2 ) F F −
(12)
Si, adicionalmente, es necesaria una tercera sección de tubería de trabajo, la longitud de ésta se calcula con la siguiente ecuación:
LTT (SEC 3)
=
(T T (SEC 3) − T T ( SEC 2) ) 1.49 ×10 3 P TT (SEC 3) F F −
(13)
Donde P TT (SEC 1) , P TT ( SEC 2 ) y P TT ( SEC 3 ) es el peso de la tubería de trabajo en lbs/pie de las secciones uno, dos y tres, respectivamente. 4.3.3 Determinar la capacidad de presión interna y colapso de la tubería de trabajo. La premisa en este punto es comparar las condiciones más críticas a las que se someterá la tubería (adicionando un factor de seguridad) contra su resistencia. Cabe mencionar que la falla de la tubería de perforación, ya sea por presión interna o de colapso, es una situación que difícilmente se da. Sin embargo, es necesario considerarla en el diseño de la sarta, por situaciones críticas que pudieran presentarse. Gerencia de Ingeniería
4.3.3.1 Presión interna. La sarta de perforación está sujeta a una presión interna de cedencia cuando la presión interna ejercida es mayor que la presión externa. Esta diferencial de presión se puede presentar, por ejemplo, cuando se inducen presiones en la superficie para algún control de brote en el pozo o alguna operación de cementación forzada. La condición que debe cumplirse para el diseño es:
R pI
>
p I F dpI
(14)
Donde R pI es la resistencia a la presión interna de la tubería que se va a utilizar, p I es la máxima presión interna de trabajo esperada, y F dpI es el factor de diseño a la presión interna (adimensional). 4.3.3.2 Presión de colapso. Fallas por presión de colapso pueden presentarse cuando se realizan pruebas de formación durante la perforación usando la sarta de perforación (prueba DST, drill stem test), o cuando se genera poca presión por el interior de la tubería, como en el caso de operaciones de perforación con aire, espuma o niebla. En este caso, la condición que debe cumplirse para el diseño por presión de colapso es:
R pC > pC F dpC
(15)
Donde R pC es la resistencia a la presión de colapso de la tubería que se va a utilizar, pC es la máxima presión de colapso de trabajo esperada, y F dpC es el factor de diseño a la presión de colapso (adimensional). Los valores de resistencia al colapso y a la presión interna de las tuberías de perforación se encuentran en Tablas del API 4, así como en catálogos de fabricantes . Los factores de diseño a la presión interna F dpI y colapso F dpC oscilan entre 1.1 y 1.5. 7
Guía de Diseño
Sin embargo, 1.3 es el valor más utilizado para ambos. 4.4. Criterios de estabilización de la sarta de perforación. Como se ilustra en la Figura 4, los ensambles de fondo de las sartas de perforación originan fuerzas en la barrena que varían de acuerdo con las condiciones de operación (peso sobre barrena) y a las características de la formación. Durante la perforación estas fuerzas gobiernan el ángulo de inclinación del pozo. Para mantener bajo control estas fuerzas generadas en la barrena, y consecuentemente la inclinación del pozo, se utilizan las fuerzas laterales ejercidas por los estabilizadores al hacer contacto con las paredes del agujero o TR. Por lo tanto, la manipulación de la posición y el número de estabilizadores (puntos de tangencia o contacto) es fundamental para un buen control del ángulo del pozo. Los algoritmos que permiten calcular las longitudes de la barrena al punto de tangencia (Figura 4) y las fuerzas laterales que éstos originan en la barrena, son complejos. Sin embargo, los principios que gobiernan el comportamiento de un ensamble de fondo liso (sin estabilizadores) proporcionan las bases para determinar la posición y número de estabilizadores. Sin peso sobre barrena
Con peso sobre barrena
Punto de tangencia
Punto de tangencia
L Fuerzade pandeo > 0
Dirección de la Bna.
(a) L =
Máxima fuerzade péndulo
L
Nueva dirección de la barrena
Menor fuerza de péndulo
(b)
4.4.1 Principios de estabilización de aparejos de fondo. Como se ilustra en las Figuras 4(b) y 5, cuando se aplica peso sobre la barrena P SB , se originan dos fuerzas en la misma barrena: una fuerza negativa o de péndulo, causada por la gravedad, y una fuerza positiva o de pandeo, causada por el peso sobre la barrena, y la consecuente deflexión de los lastrabarrenas. La resultante de estas fuerzas laterales depende de la longitud del punto de tangencia LT (distancia de la barrena al primer punto donde el ensamble de fondo, por flambeo, hace contacto con las paredes del agujero o TR). La tendencia de la barrena a incrementar el ángulo del pozo depende de la fuerza de pandeo, mientras que la tendencia a reducir el ángulo depende de la fuerza de péndulo. Por otro lado, la tendencia a mantener el ángulo ocurre cuando ambas fuerzas se neutralizan. Finalmente, si se tiene un buen control de la longitud del punto de tangencia con la posición adecuada de los estabilizadores en el ensamble de fondo, se tendrá también un buen control del ángulo del pozo. La fuerza resultante en la barrena F B (toneladas), causada por las fuerzas de pandeo y péndulo, cuando se aplica peso sobre barrena, se puede determinar con la siguiente ecuación 6: F B
7.45 × 10
= −
Longitud de la barrena al primer punto de tangencia
Figura 4. Fuerzas laterales en la barrena y componentes del ensamble de fondo.
8
En esta guía práctica de diseño se presentan estos principios básicos y se resumen los resultados de algoritmos más complejos que toman en cuenta fenómenos dinámicos. Cabe decir que estos algoritmos, complementados con la experiencia, han generado reglas prácticas para estabilizar la sarta de perforación, de acuerdo con el ángulo de inclinación requerido.
+
4
−
0.0254( P
P LB F F LT
SB
−
sin θ θ
7.45 ×10 LT
−
4
) (16)
P LB F F LT conθ θ
Gerencia de Ingeniería
Sartas de Perforación
Donde LT (m) es la longitud de la barrena
INICIO
al primer punto de tangencia (Figura 4) y (pulgadas) es el claro entre el agujero y el diámetro exterior del lastrabarrena, calculado como sigue:
=
0.5(d b − d eLB )
Suponer Longitud PT (LT1)
PLB (tablas), Factor Flotación (F F), Carga Compresiva (C CLB), Rigidez RLB
(17 )
u
F Pandeo
=
(
0.0 2 5 4 P SB
−4
− 7. 45 ×1 0
)
P SB
=
X
C CLB R LB
0.5
924 LT
=
3(tan u
−
u)
3
u
P F L co sθ LB F T
LT Longitud PT (LT2),
θ Punto tangenci de a
Fuerza de pandeo
1.2 ∗10 4 R LB ∗ l θ X P LB ∗ F F ∗ senθ
0.25
−
LT 2 =
F(+) NO
LT1 = LT2
LT
LTi-1=(LT1 + LT2)/ 2
SI Fuerza Resultante FB
Dirección de la Bna.
Fuerza de péndulo
F(-)
F Péndulo
= −7.45 × 10
P F L senθ LB F T
Como puede observarse, la ecuación 16 tiene dos incógnitas: la fuerza resultante en la barrena F B y la longitud de la barrena al primer punto de tangencia LT . Para calcular estas dos variables, se recomienda el siguiente procedimiento, el cual se ilustra en la Figura 6. 1. Suponer la longitud de la barrena al primer punto de tangencia LT (m), para el sobre
LT
−4
Figura 5. Fuerzas de pandeo y péndulo.
peso
FB,
barrena
P SB
(toneladas)
requerido. De acuerdo con la experiencia, se sugiere un valor inicial de 10 m. 2. Determinar, en tablas, el peso en el aire de los lastrabarrenas P LB (lbs/pie). 3. Calcular el factor de flotación F F , usando la ecuación 2. 4. Calcular la carga compresiva de los lastra barrenas C CLB (toneladas) con la siguiente
FIN
Figura 6 Diagrama para determinar el Punto de Tangencia.
C CLB = P SB
−
7.45 ×10 4 P LB F F LT sinθ −
5. Determinar la lastrabarrenas R LB siguiente ecuación:
R LB
=
rigidez (lbs-pg2)
4 4 1.424 ×10 6 (d eLB − d iLB )
(18)
de los con la
(19)
6. Calcular la variable u (adimensional) con la siguiente ecuación:
C u = 924 LT CLB R LB
0 .5
(20)
7. Calcular la función trascendental X (adimensional) con la siguiente expresión:
X =
3(tan u − u ) u3
(21)
ecuación: Gerencia de Ingeniería
9
Guía de Diseño
8. Calcular el claro entre el agujero y el diámetro exterior de los lastrabarrenas (pulgadas) con la ecuación 17.
incrementar, reducir o mantener el ángulo del pozo. Nuevo punto de tangencia
9. Calcular la longitud de la barrena al primer punto de tangencia LT (m) con la siguiente ecuación:
1.2 ×10 4 R LB LT = LB F F (sin θ ) X P −
0.25
(22) LT(1)
10. Si el valor de LT , calculado en el paso 9, es diferente del supuesto en el paso 1, calcular un promedio de ambos valores con la siguiente ecuación:
LT =
LT ( PASO 1 ) + LT ( PASO 2 )
2
(23)
11. Tomar el valor de LT , calculado en el paso 10, como el nuevo valor de LT supuesto, y repetir los cálculos hasta que el valor de LT calculado en el paso 9 sea aproximadamente igual al supuesto. 12. Calcular la fuerza resultante en la barrena F B en toneladas con la ecuación 16. Este proceso de cálculo nos permite determinar la longitud de la barrena al primer punto de tangencia y la fuerza resultante en la barrena. Si la fuerza resultante es positiva, el ángulo se incrementa; si es negativa, el ángulo se reduce; y si es cero, el ángulo se mantiene. Como se ilustra esquemáticamente en la Figura 7, una vez determinada la fuerza resultante y la longitud del punto de tangencia, la colocación de un estabilizador a este nivel cambiará la posición de un subsecuente punto de tangencia hacia una posición superior, así como las respectivas fuerzas laterales que actúan en la barrena. Bajo este principio, puede obtenerse el número y posición de estabilizadores para
10
LT(2)
Nueva fuerza de pandeo
Nueva fuerza de péndulo Dirección de la barrena
Figura 7. Cambio de punto de tangencia y fuerzas laterales que actúan en la barrena.
4.4.2 Reglas prácticas para estabilizar la sarta de perforación. Como resultado de modelos complejos (3D)7, que consideran fuerzas de inclinación y direccional en la barrena, curvatura del agujero, diferentes diámetros de agujero y componentes del ensamble de fondo, rotación de la sarta y puntos de tangencia entre barrena y estabilizador y entre estabilizadores, a continuación se presentan algunas reglas prácticas para determinar el número y posición de los estabilizadores 1. 4.4.2.1 Ensambles de fondo para incrementar el ángulo de inclinación. La Figura 8 muestra los arreglos de ensamble de fondo comúnmente usados para incrementar el ángulo de inclinación. Un ensamble de fondo típico para incrementar el ángulo del pozo cuenta con un portabarrena estabilizador o un estabilizador a 1 ó 1.5 m de la barrena. Este estabilizador permite que la flexión o pandeo que sufren los lastrabarrenas colocados arriba de este primer estabilizador, originado por el peso sobre barrena, se convierta en una fuerza lateral de pandeo, la cual tiende a incrementar el ángulo.
Gerencia de Ingeniería
Sartas de Perforación
m 9 m 9
m 9
m 5 - 1 9
m 3 - 2 7 1
m 3 - 2 7 1
(1)
(2)
(3)
Respuest a mínima Respuesta
m 7 2
(4)
(5)
m 7 2
(6)
Respuest a má máxima xima
Figura 8. Ensambles de fondo para incrementar el ángulo de inclinación.
Como se ilustra en la Figura 8, la mejor respuesta para incrementar el ángulo del pozo se obtiene con los arreglos 5 y 6. Esto ocurre porque la separación entre los dos primeros estabilizadores (27 m) permite la flexión de los lastrabarrenas (punto de contacto o tangencia entre estabilizadores) incrementando la fuerza lateral de pandeo. En agujeros con inclinación menor a 8°, el arreglo de fondo número 4 proporciona mayor fuerza de pandeo o mayor respuesta a incrementar el ángulo que los arreglos 5 y 6. Sin embargo, para agujeros con inclinaciones mayores de 8° la mayor respuesta para incrementar el ángulo se obtiene con los arreglos 5 y 6. Estos tres arreglos de ensamble de fondo (4, 5, y 6) permiten incrementos de ángulo entre 2 y 5°/30 m. Los arreglos 2 y 3 permiten incrementos de ángulo medianos (1 y 3°/30 m). Por otro lado, el arreglo 1 es utilizado para generar moderados incrementos de ángulo, de tal manera que, en ocasiones, éste se puede utilizar para mantener el ángulo del pozo. En los arreglos de ensambles de fondo utilizados para incrementar el ángulo de inclinación, el aumento del peso sobre la barrena, dependiendo del diámetro del lastrabarrena, aumenta el ritmo de incremento de ángulo. A menor diámetro de Gerencia de Ingeniería
lastrabarrena, relativo al diámetro del agujero, mayor será este ritmo de incremento, debido a que hay más espacio para la flexión o pandeo del lastrabarrena, efecto que causa el incremento de la fuerza lateral de pandeo. Adicionalmente, cuando la inclinación del agujero aumenta, estos arreglos tienden a mejorar su respuesta a incrementar el ángulo del pozo, debido a que, por gravedad, los lastrabarrenas tienden a pegarse a la parte baja de las paredes del agujero. Por lo tanto, es necesaria menor flexión del lastrabarrena para lograr puntos de contacto y aumentar las fuerzas laterales de pandeo. 4.4.2.2 Ensambles de fondo para reducir el ángulo de inclinación. La Figura 9 muestra los ensambles de fondo comúnmente usados para reducir el ángulo de inclinación. A este tipo de arreglos se les conoce como arreglos tipo péndulo, debido a que la fuerza lateral, de péndulo, ejercida por la gravedad, es superior a la fuerza de pandeo. Como se muestra en la Figura 9, este efecto de péndulo se logra eliminando el estabilizador colocado arriba de la barrena e instalando el primer estabilizador antes del primer punto de tangencia para evitar con esto los efectos de flexión en los lastrabarrenas que generan las fuerzas laterales de pandeo.
m 9
m 9 m 9
m 8 - 1 9
m 8 - 1 9
(1)
(2)
Respuest a mínim a Respuesta
m 3 - 2 8 1
m 3 - 2 8 1
(3)
(4)
m 7 - 2 3 2
(5)
m 7 - 2 3 2
(6)
Respuest a máxima
Figura 9. Ensambles de fondo para reducir el ángulo de inclinación. 11
Guía de Diseño
Como se indica en la Figura 9, los arreglos 5 y 6 proporcionan la mejor respuesta para reducir el ángulo de inclinación del pozo. En los arreglos de ensambles de fondo utilizados para reducir el ángulo de inclinación, cuando la inclinación es alta, el número de puntos de contacto entre la barrena y el primer estabilizador se incrementa causando una reducción en la fuerza de péndulo y, por lo tanto, una menor respuesta a reducir el ángulo del pozo. Luego entonces, la distancia de la barrena al primer estabilizador debe reducirse, como se indica en los arreglos 1 al 4. Estos arreglos tipo péndulo son raramente usados para perforación direccional. En general, son más utilizados para controlar la desviación del pozo. 4.4.2.3 Ensambles de fondo para mantener el ángulo de inclinación. Estos ensambles de fondo son conocidos como sartas empacadas. La Figura 10 muestra las sartas empacadas comúnmente empleadas para mantener el ángulo de inclinación. Como se puede observar, en estos arreglos los estabilizadores se colocan de tal manera que las fuerzas laterales de pandeo y péndulo se neutralicen. Este efecto generalmente se logra colocando dos estabilizadores cerca de la barrena. El primero inmediatamente arriba de la barrena y el segundo a una longitud menor o igual a 6 m. Como se indica en la Figura 10, los ensambles de fondo empacados, en realidad tienen la función de incrementar o reducir paulatinamente el ángulo de inclinación del pozo, evitando un cambio repentino de ángulo. Una característica de estos ensambles de fondo es que la variación de las fuerzas laterales de pandeo y péndulo con cambios de peso sobre barrena deben ser nulos. Los arreglos 1 y 2, en la Figura 10, tienen la característica de mantener el ángulo de incremento. Por otro lado, los arreglos 4 y 5 tienen la tendencia a mantener la reducción 12
m 9
m 9
m 9
(1)
m 9
m 9 m 9
m 9
m 9
m 9
m 9
m . 5 4 . 5 1
m - 5 4
m - 5 4
m - 6 5
(2)
(3)
Tendencia a in crementar ángulo
(4)
(5)
Tendencia a reducir ángulo
Figura 10. Ensambles de fondo para mantener el ángulo de inclinación.
del ángulo del pozo. El arreglo número 3, para ángulos de inclinación menores a 10°, mantiene el incremento de ángulo, mientras que a inclinaciones mayores de 10° mantiene la reducción de ángulo.
5. Recomendaciones 1. En situaciones donde la sarta de perforación estará sometida a condiciones extremadamente severas, como pozos de alta inclinación o de largo alcance, se recomienda diseñar la sarta tomando en cuenta esfuerzos combinados (tensión/colapso, tensión/torsión, etc). 2. Durante el diseño de una sarta de perforación, se recomienda contar con tablas de especificaciones de tubería completas y actualizadas. 3. Existe software técnico como herramienta de cálculo para el diseño de la sarta de perforación, por lo que se recomienda su empleo, una vez que se comprenden los conceptos y criterios vertidos en esta guía.
6. Referencias 1. Bourgoyne Jr., A. T., Chenevert, M. E., Millheim, K. K, y Young Jr., F. S.: Gerencia de Ingeniería
Sartas de Perforación
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Applied Drilling Engineering; SPE Textbook Series. T H Hill Associates, Inc. Standard DS-1 Drill Stem Design and Inspection, First Edition, 1992. Proyecto PEMEX-IMP, Procedimientos para el Diseño de la Perforación de Pozos, 2a. Fase, julio, 2000. American Petroleum Institute: Recommended Practices for Drill Stem Design and Operating Limits. API Recommended Practice 7G sixteenth edition, December 1, 1998. Mitchell Engineering: Advanced Oil Well Drilling Engineering Handbook & th Computer. Program 10 Edition, 1 st Revision, July 1995. Jiazhi, B: “Bottomhole Assembly Problems Solved by BeamColumn Theory”; paper SPE 10561 presented at the 1982 SPE International Meeting on Petroleum Engineering, Beijing, March 19-22. Millheim, K.K.: Directional Drilling; Oil and Gas Journal (eight part series) beginning Nov. 6, 1978 and ending Feb. 12, 1979.
M TP
= Factor de diseño por presión interna (adimensional) = Factor de diseño para la presión de colapso (adimensional) = Factor de diseño a la tensión (adimensional) = Factor de flotación (adimensional) = Longitud mínima de lastrabarrenas (m) = Mínima longitud de tubería pesada (m) = Máxima longitud de una sección de tubería de trabajo (m) = Longitud de la barrena al primer punto de tangencia (m) = Claro entre el agujero y el diámetro exterior del lastrabarrena (pg) = Máxima tensión permisible (ton)
M J
= Margen de jalón (ton)
F dpI F dpC
F dT F F L LB LTP LTT
LT
pID pI pCD pC
7. Nomenclatura
pSB
d e
= Carga compresiva de los lastrabarrenas (ton) = Diámetro mínimo de lastrabarrenas (pg) = Diámetro exterior del cople de la TR en (pg) = Diámetro exterior de tubería (pg)
d i
= Diámetro interior de tubería (pg)
d b
= Diámetro de la barrena (in)
RT
D E T
= Profundidad (m) = Esfuerzo de tensión (lb/pg 2)
T T
E C
2
C CLB d MLB d eCTR
P LB P TP R R R LB
= Presión interna de diseño (lb/pg 2). = Presión interna (lb/pg 2). = Presión de colapso de diseño (lb/pg 2) = Presión de colapso, (lb/pg 2). = Peso requerido por la barrena (ton.) = Peso de los lastrabarrenas en el aire (lbs/pie) = Peso de la tubería pesada en el aire (lbs/pie). = Relación de rigidez (adimensional) = Rígidez de los lastrabarrenas (lbs-pg2) = Resistencia a la tensión de la tubería (ton) = Determinar la tensión de trabajo
= Esfuerzo compresivo (lb/pg )
u X
F B
= Fuerza resultante en la barrena F B (ton) = Factor de diseño (adimensional)
Letras griegas
F d
Gerencia de Ingeniería
= variable (adimensional) = Función trascendental (adimensional)
ρ lodo
= Densidad del lodo (gr/cm 3)
θ
=
Ángulo del pozo con respecto a la vertical (grados). 13
Guía de Diseño
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Gerencia de Ingeniería
