Diseño de una sarta de perforación Objetivo El trabajo tiene como objetivo mencionar criterios básicos para el diseño de una sarta de perforación, resumiendo los conceptos básicos que un diseñador debe considerar para posteriormente seleccionar los componentes de la sarta. Desarrollo La sarta de perforación es parte del equipo de perforación, formado por diferentes componentes unidos, que tienen la finalidad transmitir rotación, torque, desde una mesa rotaria o top drive, y transportar el fluido de perforación a la barrena. estando sometida a diferentes esfuerzos, tales como: tensión, compresión, presión interna, presión externa, torsión, pandeo, etc. un adecuado diseño minimizara problemas asociados a la acción individual o combinada de los esfuerzos mencionados, permitiendo la reducción de costos por tiempo de perforación y fallas en los componentes. La sarta de perforación consta principalmente del drill pipe que es la sección más larga y el bha que su longitud no tiene más de 400 metros. La sección del drill pipe consta por el sondeo y el bha consta de sondeo de perforación, portamechas, tijeras de perforación, Mwd, amortiguadores, estabilizadores, motor de fondo, trepano entre otros.
Dillpipe Es la sección más larga de la sarta, se manufactura en varios tamaños y pesos. El grado del dillpipe describe la mínima fluencia del tubo, estos valores son utilizados en cálculos de reventamiento, colapso y tensión. Grado Fluencia PSI D-55 55000 E-75 75000 x-95 95000 En algunos diseños el grado del tubo es incrementado para una resistencia extra aumentando el grado del acero y no el peso. El api ha establecido una codificación de color para la clasificación del drillpipe. clase
Color de banda Nueva Una blanca Premium 2 blanca Clase 2 Una amarilla Clase 3 Una naranja Clase 4 Un verde chatarra Una roja los drill pipes son manufacturados por rangos como ser: Rango 1 2 3
Longitud 18-22 pies 27-30 pies 38-40 pies
Las tool joint son las conexiones tipo tornillo que son u sadas en la conexión del drill pipe, las más usadas son: - IEU donde el cuerpo es más grande que del tubo y el ID es menos que el ID del drillpipe.
-
IF donde el ID es el mismo que el ID del drill pipe y el OD es mayor que del cuerpo. IU donde el ID de la conexión es menos que el ID del cuerpo y los OD son el mismo.
Heavy weight Las barras pesadas o heavy wight son componentes del bha para la sarta de perforación, son tubos de pared gruesa unidas por juntas. Para facilitar su manejo tiene más mismas dimensiones de las tuberías de perforación este puede trabajar en compresión lo mismo que los protamechas. Un distintivo que tiene es la sección central que protege al tubo contra el desgaste por ab rasión y sirve de centralizador. Los heavy weight han sido diseñados para tener menor área de contacto los cual redunda en el menor torque de rotación, menor arrastre, control direccional.
Pony Collars •Los Pony Collars (Short Drill Collars) son collares de perforación cortos utilizados para controlar el espaciamiento entre herramientas. Usualmente
son utilizados para dar espaciamiento entre trépano – estabilizador o entre estabilizador – estabilizador.
•Las longitudes típicas para proveer la rigidez requerida son
Portamechas Los portamechas o drillcollars son predominante parte del bha entre sus funciones es proveer peso al trepano, proveer fuerza en compresión, minimizar los problemas con la estabilidad al trepano, darle mayor rigidez al bha.
Se seleccionará el portamechas que cumpla las condiciones de la ecuación y de acuerdo al material disponible se seleccionará siempre el de mayor peso. Ldc
WOB Ff Wudc PN
cos
Ff (1 0.01527 .lodo ) (WDc1 LDc1 WDc 2 LDc2) cos Ff PN WOB
Donde: WOB = peso sobre trépano, lbs WuDc = peso unitario, lbs. Ff = Factor de Flotación. PN = Punto neutro, 85% ά = ángulo de desviación.
El punto neutro es aquel punto en el cual las fuerzas de tensión, compresión y torsión se hacen acero.
Estabilizadores Su función principal es la de mantener la dirección programada del pozo demás de la estabilización del mismo evitando de esta forma el pandeo de la sarta de perforación, ya sea que se va a perforar un pozo vertical o direccional. Pueden ser herramientas fabricadas con aletas soldadas o integrales y camisas cambiables.
Análisis de Fuerzas
Para un diseño de sarta de perforación se debe tomar en cuenta un análisis de fuerzas, teniendo en claro las definiciones de estas fuerzas y como se ejerce.
Tensión: Es la fuerza que más afecta ya que está 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 vacía o medio llena. Torsión: Se dará sobre todo durante las operaciones de ajustado de roscas y en la perforación. Diseño a la Tensión. El principal factor que se toma en cuenta en el diseño es la resistencia a la tensión, que debe relacionarse con el peso de la herramienta y la 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
WDp
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.
Diseño al Colapso. Estará en función de la resistencia al colapso, característica propia de cada grado y diámetro de tubería. Es una relación directa con la máxima 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: - Arquímedes Fuerza y Área. - Flotabilidad.
Método de Arquímedes. Basado en el principio de Arquímedes se basa en el volumen de lodo que desplaza la herramienta. Procedimiento: 1. Dezp
OD 2 ID 2 1029.4
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 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 = fondo pozo, ft. PN = profundidad del punto neutro.
Método de Fuerza y Área. Es el más empleado y se basa en conceptos físicos simples.
Presión = Fuerza / Área Fuerza = Presión x Área Presión = Ph = 0.052 x ρlodo x L Area = π / 4 x(OD 2 – ID2 )
pasos : A1 A2
4
(OD
2
ID 2 ) Dc (OD 2 ID 2 ) Dp pu lg 2
(OD 2 ID 2 ) Dc pu lg 2
4 F 1 Ph1 A1
F 2 Ph2 A2 FE F 2 F 1 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 más empleado ya que permite mediante la relación de presión permite corregir variaciones de densidad
Método de Flotabilidad. Es más empleado para pozos direccionales por eso es q sus valores son mayores. WOB
WDc LDc cos PN Ff
Posteriormente se resolverá un ejercicio para tener más claro el tema de diseños de sartas de perforación. -
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
programó 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.
Portamechas
Tuberías
Solución. 1. Selección de los portamechas. Empleando la fórmula: Diámetro mínimo de los Drill Collars = (2 x CasingCoupling) – D. del Bit Diametro de cupla (de tabla) = 7.656” DPM = (2 x 7.656) – 8.5 = 6.812” = 6 7/8”
El diámetro del portamecha a escoger deberá ser menor que el calculado (por conveniencia) y se dará preferencia al más pesado. Portamecha seleccionado = 6 ½” 92.5 lbs/ft. 60 piezas disponibles
Longitud del portamecha y número de piezas Ff (1 0.01527 .lodo ) Ff (1 0.01527 10.2) 0.8443
Ldc Ldc
WOB cos Ff Wudc PN 15000 cos 2 0.08443 92.5 .85
Npiezas LrealDc
226.1 ft 30 ft / pieza
226.1 ft
7.54 8 piezas
8 30 240 ft 73.15mtrs
Whta 240 ft 92.5
lb ft
22200lb
Lres tan te 3754 73.15 3680.85mtrs
Diseño de los Drill Pipes. Siguiendo la regla de los grados y por uniformidad de la sarta la primera 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 almacén solo tenemos 2500 mtrs utilizamos los 2500. Lg t = 73.15 + 2500 = 2573.15ntrs Whta = 240 x 92.5 + (2500 x 3.281) x 21.9 = 201.834,75 lbs. Faltan = 3574 – 2573.15 = 1180.85 mtrs .
a) Calcular la presión de colapso si dejamos 3000 mtrs de la tubería vacíos. Pcolapso 0.052 .lodo LDpvacía Pcolapso 0.052 10.2 3000 3.281 5220.72 psi
Rc de la tubería más débil = 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
Siempre que no se emplee la longitud calculada para la primera tubería el MOP inicial cambiará.
-
Calcular el peso sobre el trépano y la longitud del punto neutro por los métodos de: Arquímedes, flotabilidad y Fuerza y Área, para una sa rta con las siguientes características Dp : 4 ½” x 3.826” ; 16.6 lbs/ft Hw : 5” x 3” ; 49.3 lbs/ft ; 100 mtrs. Dc : 6 ½” x 2¼” ; 99 lbs/ft ; 180 mtrs. MD = 5000 mtrs. TVD = 4950 mtrs. D lodo = 10.72 lpg.
Método de Arquímedes. 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
6.5
VHw VDp
2
2.25
2
314 5
2
2
21.32bbl
2
3
314 4.5
180
100
3.826
5.1bbl
4720 84.35bbl
2
314
Vtotal 110,77bbl
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
WOB
ft WDc 21.054,2
212,67 ft 64.8mtrs 99 PN FP LPN 5000 64.8 4935.2mtrs
LPN
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 WHw ) cos PN Ff
WOB
(58467,42 16175,33) cos 0 0.85 0.8363
WOB
53060,17lbs WOB
53060,17
53,96 ft 163,35mtrs WDc 99 PN 5000 163,35 4836,65mtrs.
LPN
Método de Fuerza y Área. Calculo de Áreas
A1 ADp
4
A2 AHw A3 ADc
(4,52 3.8262 ) 4.41 pg 2
4
4
(52 32 ) 12,57 pg 2
(6,52 2,252 ) 29,21 pg 2
Calculo de Presiones. PH 1 0,052 10,72 (4720 3,826) 8632,69 psi PH 2 0,052 10,72 ( 4820 3,826) 8815,59 psi PH 3 0,052 10,72 (5000 3,826) 9144,80 psi
Calculo de Fuerzas. F1=PH1 x (A2 – A1) = 8632,69 x (12,57 – 4,41) = 70442,75 lbs F2 = PH2 x (A3 – A2) = 8815,59 x (29,21 –12,57) = 146691,42 lbs F3 = PH3 x A3 = 9144,80 x 29,21 = 267119,61 lbs Por convención de signos: Fuerza Resultante: Fr = 267119,61 – (146691,42 + 70442,75) Fr = 49985,44 lbs. WOB =( (WDc+WHw) – Fr ) x 0.85 WOB = ( 74642,75 – 49985,44 ) x 0.85 WOB = 20958,71 lbs LPN = 20958,71 / 99 = 211,70 ft = 64,52 mtrs PN = 5000 – 64,52 = 4935,48 mtrs.
Conclusión Se logro concluir que para un buen diseño de sarte se debe tener en cuenta los distintos componentes mencionados, así mismo tener claro los conceptos básicos para así posteriormente poder realizar el diseño.
