14 Diseño de Sartas de Perforación y BHA

El Top Drive Es basicamente una combinación de mesa rotaria y Kelly.

Ventajas del Top Drive sobre el sistema de Kelly: 1. Permite circular mientras se repasa el hoyo hacia arriba 2. Se puede circular el pozo mientras se baja o se saca la tubería en paradas (tramos dobles o triples) 3. El sistema de kelly sólo puede hacer lo anterior en tramos sencillos; o sea de 30 pies DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Schlumberger Private

Está impulsado por un motor independiente y le imprime rotación a la sarta de perforación a la cual está conectada en forma directa sin necesidad de una kelly o de mesa rotaria It is powered by a separate motor and transmits rotation to the drill string directly without the need for a rotary table. Funciona como una Kelly con impulso rotacional propio

Drill pipe GRADO El grado de la tubería de perforación describe la resistencia mínima a la cedencia del material.

•

En la mayoría de los diseños de sarta de perforación, se opta por incrementar el grado del material (acero) en lugar de aumentar el peso del tubular.

DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•

Grados de la Tubería de Perforación Cedencia Promedio

D or D-55

55,000

65,000

E or E-75

75,000

85,000

X or X-95

95,000

110,000

G or G-105

105,000

120,000

S or S-135

135,000

145,000



Grado

Cedencia Mínima

Clasificación de la Tubería de Perforación Basada en la publicación API – R P7G A diferencia de la tubería de revestimiento y la tubería de producción, que normalmente se usan nuevas, la tubería de perforación normalmente se utiliza ya usada. Por lo tanto tiene varias clases: Sin desgaste. No ha sido usada antes

Premium:

Desgaste uniforme y el espesor de pared remanente es por lo menos un 80% del tubular nuevo. Tubería con un espesor de pared remanente de al menos 65% con todo el desgaste sobre un lado con lo que el área seccional es todavía premium Tubería con espesor de pared de al menos 55% con el desgaste localizado sobre un lado.

Class 2:

Class 3:

Nota: El RP7G tiene diferente especificación…!!! (página 115) DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


New:

Tubería de Perforación Un tramo de DP es un ensamblaje de tres componentes: • Un cuerpo tubular de acero con extremos lisos y

El acople inferior se conoce como Macho o Espiga El acople superior se denomina Caja o Hembra. La conexión entre dos tramos se logra al enroscar la espiga DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA dentro de la caja


• Dos conexiones de acople fuerte - una en cada extremo. Los acoples en los extremos (Tool Joint) se unen al cuerpo del tubo de dos maneras: • Enroscados • Soldados o embonados al tubo con arco eléctrico en el horno

Pesos de la Tubería de Perforación Al referirse a los pesos de la tubería de perforación, hay tres que son importantes:

Peso Nominal - Se refiere a una norma obsoleta. (Peso de un tubo de Rango I con conexiones) actualmente se usa para referirse a una clase de tubo de perforación. Peso Aproximado – El peso promedio por pie del tubo y de las conexiones de un tubo Rango II. Este peso aproximado es el número que se debe usar en los cálculos de la carga del gancho. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Peso del tubular con Extremo Planos – Se refiere al peso por pie del cuerpo del tubo, sin acoples.

Peso Aproximado Ajustado • El peso nominal es un número de referencia pero no exacto. Se

emplea para especificar el tubular, y se refiere tan sólo al cuerpo.

• el peso extra de los acoples y • metal adicional que se agrega en los extremos del tubo par aumentar la rigidéz. • El espesor adicional agregado en los extremos se denomina “Refuerzo” y su función es reducir la frecuencia de fallas del tubular en los puntos donde se une a los acoples. • Los refuerzos a su vez puede ser de tres tipos: Refuerzo Interno (IU), Refuerzo Exterior (EU) y Refuerzo Interno y Externo (IEU) DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• El peso Ajustado incluye el cuerpo del tubo y el de los acoples en los extremos. Es mayor que el peso nominal por tener,

Cálculo de los Pesos Ajustados

Wt / ft =

peso .DP ×29 .4+ approx .wt .tool jo int 29 .4 + tool jo int adjusted length

Wt DP Adjusted ×29 .4 +Wt ToolJt

Approx

29 .4+ LToolJtAdj



Wt / ft =

Cálculo de los Pesos Ajustados Wt DP Adj

Nom upset Wt =Tube Wt + 29 .4

….(1)

Datos del API 5D

)

(

− 0 .501× d ×(D − DTE )

)

2

L= combined length of pin and box (in)

….(2)

D= outside diameter of pin (in)

d= inside diameter of pin (in) DTE= diameter of box at elevator upset (in) Datos de la Especif API 7 Fig 6 Tabla 7

L + 2 .253×(D − DTE ) LTool Jt Adj = ft 12

….(3) Datos de la Especif 7 Fig 6 Tabla 7



(

Wt Tool Jt Adj = 0 . 222 × L D 2 − d 2 + 0 . 167 × D 3 − D 3TE

Ejemplo DP - 01



Calcular el peso ajustado aproximado del cuerpo del tubo con acople incluído para una tubería de perforación de 5 pulg. OD, 19.5 lbm/pie, grado E con conexión NC50 y acople tipo IEU (con refuerzo interno y externo) y dimensiones 6.375pulg. OD x 3.5 pulg. ID.

Ejemplo DP - 01 PASO 1: Drill Pipe adjusted weight of drillpipe

Wt DP Adj

Nom upset Wt =Tube Wt + 29 .4

• El peso del refuerzo en acople IEU para tubería de 5pulg. 19.5 lbm/ft es 8.6 lbs. • El diámetro interno en el cuerpo del tubo, ID es 4.276pulg.

upset weight = plain _ end weight + 29 .4 π 2 1 ft 2 lbm 8 . 6 lbm 2 2 = 5 − 4 .276 in × × 489 . 5 + 2 3 4 144 in ft 29 . 4 ft

(

)

= 17.93 + 0.293 = 18.22 lbm / ft DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


De la Tabla 7 de la especificaciones para Tubería de Perforación ( API SPEC 5D):

Información del API RP7G



Información del API 5D



Ejemplo DP – 01 Paso 2: Peso Ajustado del Acople Refiriéndose a la tabla API RP7G , el acople NC50, 6.375” OD, 3.5” ID para una tubería con peso nominal 19.5 lbm/ft está disponible en Grado X-95 unicamente (ver columnas 4, 5 y 6 de la Tabla ).

Peso Ajustado aproximado del acople:

Wt

Tool

Jt Adj

= 0 . 222 × L (D 2 − d

2

)+ 0 . 167 × (D

− 0 . 501 × d 2 × (D − D TE

(

= 0 .2 2 2 × 1 7 ( 6 .3 7 5 ) 2 − 0 .5 0 1 × ( 3 .5 )

2

− ( 3 .5 )

( 6 .3 7 5 −

2

)

)

−D

3

TE

)

3 3 + 0 .1 6 7 ( 6 .3 7 5 ) − ( 5 .1 2 5 )

5 .1 2 5 )

=107 . 15+ 20 .79 −7 . 67 =120 . 27 lb

(

3



L = 17 pulg, DTE = 5.125 pulg, D = 6.375 pulg, y d = 3.5 pulg

)

Ejemplo DP – 01 PASO 3: Longitud ajustada por los acoples =

L + 2.253 × ( D − D TE ) 12

=1 . 651 ft

De aquí que el peso ajustado del cuerpo del tubo con los acoples será: Wt / ft =

Wt DP Adjusted ×29.4 +WtToolJt Approx 29.4+ LToolJtAdj

18.22 × 29.4 + 120.26 = 1.651 + 29.4

= 20.89 lbm / ft

Que es el mismo valor al indicado en la Tabla 8 pag 12 del API – RP7G DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


17 + 2 .253 × ( 6.375 − 5125 . ) = 12

API RP 7G • Tabla 1-3 Datos de Tubería Nueva • Tabla 4-5 Datos de Tubería Clase Premium

• Tabla 8 Datos de Acoples de tubería • Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexión • Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforación) • Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste • Fig 26-32 Datos de Rigidéz (BSR) de los DC DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Tabla 6-7 Datos de Tubería Clase 2

Acoples Todas los acoples API tienen un punto de cedencia mínimo de 120,000 psi independientemente del grado de la tubería de perforación en la que se usen (E, X, G, S) .

El torque para conectar se determina por el diámetro interno del pin y el diámetro externo de la caja. El torque de conexión es 60 % de la capacidad de torsión del acople. La ecuación para determinar la fuerza de conexión se puede obtener del apéndice de API RPG7. ( Numeral A.8.2 ). Esta ecuación es bastante compleja, así que API desarrolló una serie de tablas para encontrar el torque de conexión recomendado para cualquier conexión si se tiene el diámetro externo de la caja y el diámetro interno del macho para la junta. Estas tablas se pueden encontrar en API RP 7G ( Figuras 1 a 25 ) DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


API fija la resistencia a la torsión del acople en 80 % de la resistencia a la torsión del tubo: Esto equivale a una razón de resistencia a la torsión de 0.8.

Ejemplo DP – 02

¿Cómo se comparan estos valores con los valores reportados en la Tabla 10?



Usando las tablas 2 y 4 de API RP7G ¿cuál deberá ser el torque de conexión de tubería de perforación Nueva y Premium de 5” 19.5 ppf G105 y S135?

Ejemplo de Gráficas de Torque de Conexión



Ejemplo de Tablas de Torque de Conexión



Repita el Ejercicio 2 usando las Tablas y Gráficas de Torque de Conexión



Conexiones en la Sarta de Perforación Estilos y Formas de Rosca o Cuerda

a)

NC

0.038” V-038R

SST

0.025”

0.057”

V-040 V-050

SST (PINS) V-038R (BOXES)

d)

e)

IF XH PAC OH SH DSL H-90

0.015” V-065

0.025”

f) WEDGE THREAD


H-90

WEDGE THREAD

Formas

c)

Estilos

REG FH


b)

Conexiones en la Sarta de Perforación NC (Conexión Numerada) Es el estilo de cuerda (rosca) más común en la tubería de perforación. La rosca tiene una forma de V y se identifica por el diámetro de paso, medido en un punto que está a 5/8 de pulgada desde el hombro.

El tamaño de una conexión rotatoria con hombro se refiere a su diámetro de paso en punto de calibre a 5/8 de pulgada desde el hombro y se especifica NC (XY)

5/8” DIÁMETRO DE PASO DE PUNTO DE CALIBRE XY



El Número de Conexión es el diámetro del paso multiplicado por 10 y truncado a los dos primeros dígitos = XY

Conexiones Numeradas para Sarta de Perforación Si el diámetro de paso es 5.0417 pulgadas à Esta es una conexión NC50 Escoja los primeros dos dígitos → 50 Por lo tanto, la conexión numerada será: NC 50 Hay 17 NC’s en uso : desde la NC-10 (1-1/16”) hasta la NC-77 (7 ¾”) Tamaños típicos de Conexión Numerada, NC: NC 50 para acoples con diámetro externo de 6 ½” de la tubería de Perf. de 5” NC 38 para acoples con 4 3/4” OD en tubería de perforación de 3 ½” . DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Multiplique 5.0417 por 10 → 50.417

Ejemplo de Conexiones Intercambiables NC 38 NC 40 NC46

NC50

2-3/8

3-1/2

4

4-1/2

4-1/2

5

2-7/8

Int Flush

IF

Full Hole Extra Hole

FH XH

2-7/8 3-1/2

Dbl Streamline

DSL

3-1/2

SLIM HOLE

SH 2-7/8 EF

Ext Flush

4

3-1/2

4-1/2 4

4-1/2

4-1/2


5-1/2


NC 26 NC 31

Los Lastra Barrena, DC Los Collares (ó Lastra barrenas) tienen las siguientes funciones en la sarta de perforación: Protegen la Sarta de perforación de Doblamiento y la Torsión

•

Controlan la dirección y la inclinación de los pozos.

•

Para perforar pozos rectos y pozos verticales.

•

Reducen las “patas de perro”, asientos de llave y salientes.

•

Aseguran que la sarta de revestimiento sea bajada exitosamente

•

Mejoran el desempeño de la barrena.

•

Reducen la perforación irregular, tubería pegada y brincos.

•

Como herramientas de pesca, para pruebas de formación y en operaciones de terminación del pozo. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•

Lastra Barrena (DC) DC Liso

DC Espiralado

2. En áreas con posibilidad de que ocurra pega diferencial de la sarta se deben emplear (DC) y tubería de perforación pesada (HWDP) con superficie exterior espiralada para reducir el área de contacto con la formación.



1. Los dos tipos de lastra barrena son ampliamente utilizados.

Tamaños API de los Lastra Barrena



Tamaños API de los Lastra Barrena ID Range

2 7/8 3 3 1/8 3 1/4 3 1/2 3 3/4 4 4 1/8 4 1/4 4 1/2 4 3/4 5 5 1/4 5 1/2 5 3/4 6

1 - 1.5 1 - 1.5 1 - 1.5 1 - 1.5 1 - 1.5 1 - 1.5 1 - 2.25 1 - 2.25 1 - 2.25 1 - 2.25 1.5 - 2.5 1.5 - 2.5 1.5 - 2.5 1.5 - 2.8125 1.5 - 3.25 1.5 - 3.25

Weight Range ppf 16 - 19 18 - 21 20 - 22 22 - 26 27 - 30 32 - 35 29 - 40 32 - 43 35 - 46 41 - 51 44 - 54 50 - 61 57 - 68 60 - 75 60 - 82 68 - 90

OD

ID Range

6 1/4 6 1/2 6 3/4 7 7 1/4 7.5 7.75 8 8 1/4 8 1/2 9 9 1/2 9 3/4 10 11 12

1.5 - 3.5 1.5 - 3.5 1.5 - 3.5 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4 1.5 - 4


Weight Range ppf 72 - 98 80 - 107 89 - 116 84 - 125 93 - 134 102 - 144 112 - 154 122 - 165 133 - 176 150 - 187 174 - 210 198 - 234 211 - 248 225 - 261 281 - 317 342 - 379


OD

Selección de los lastra barrena



• Proveen el máximo peso con la mínima longitud (manejo) • Máximo OD; Mínimo ID • Tienen resistencia a la compresión •Conexiones Balanceadas • Estabilidad en vibración, bamboleo y saltos • Gran masa para resistir los efectos de inercia y de rueda volante • Rigidéz para trayectorias direccionales • La sarta no estará demasiado pandeada o recostada • Condiciones de pesca • Los conectores macho (pin) son más débiles • Espacio suficiente en los díametros OD/ID para acomodar los pescadores internos y externos

Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa (HWDP) HEAVY-WALLED DRILL PIPE (HWDP)

Se usa entre tubería de perforación normal y los lastra barrena para permitir que haya una transición suave entre los “módulos de sección” de los componentes de la sarta de perforación. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Tiene el mismo diámetro externo que la tubería de perforación normal pero el diámetro interno es mucho más reducido (normalmente 3”) y un refuerzo en la mitad del cuerpo del tubular del tamaño de los acoples para resistir el desgaste por abrasión contra la pared del hoyo.

Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa (HWDP) Opciones de Selección

b) Espiral



a) Lisa

Control Direccional de la Trayectoria • Los pozos se mueven debido a las fuerzas que actúan sobre la barrena.



• La rotación provoca caminado o efecto de tirabuzón • El combamiento provoca fuerzas laterales • Aplica fuerzas laterales sobre la barrena o la desgasta con afilado en la punta • La gravedad siempre ejerce una fuerza que jala hacia abajo • Los pozos desviados tienden a reducir el ángulo construído

Control Direccional CONFIGURACIONES ESTÁNDAR DE HERRAMIENTA DE FONDO

El principal medio para mantener el control de la dirección en un pozo es por medio del posicionamiento efectivo de estabilizadores dentro de la herramienta de fondo, BHA. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Todos los pozos ya sean verticales o desviados requieren un diseño cuidadoso de la herramienta de fondo para controlar la dirección del pozo con el propósito de lograr los objetivos del blanco.

Estabilizadores Razones para usar estabilizadores:



1. Se usan como el método fundamental para controlar el comportamiento direccional de la mayoría de las herramientas de fondo. 2. Ayudan a concentrar el peso de la herramienta de fondo sobre la barrena. 3. Reducen al mínimo el doblamiento y las vibraciones que causan el desgaste de los acoples y dañan los componentes de la herramienta de fondo tales como los MWDs. 4. Reducen el torque de perforación al evitar que haya contacto del collar con las paredes del pozo y los mantiene concéntricos dentro del hoyo. 5. Ayudan a evitar el que la tubería se pegue por presión diferencial y también la formación de asientos de llave.

Estabilizadores Tipos de Estabilizadores y Aplicaciones : Valioso en donde la logística es un problema

2. Cuchilla Soldada

Para Pozos diámetro grande y en formaciones blandas

3. Cuchilla Integral

Durabilidad máxima para aplicaciones rudas. Los de mayor uso en la actualidad

4. Camisa no rotaria

Para formaciones muy duras o abrasivas

5. Escariador de rodillos

Para formaciones duras



1. Camisa Reemplazable

Estabilizadores Tipos de Estabilizadores



Escariadores de Rodillos



Control Direccional Principios Básicos del Control Direccional en Perforación

2. El Principio de Estabilización – Se usa para mantener el ángulo y la dirección 3. El Principio del Péndulo – Se usa para hacer caer (reducir) el ángulo.



1. El Principio de Fulcrum – Se usa para construir el ángulo (incrementar la inclinación del agujero)

Control Direccional El Principio Fulcrum:

Distancia NBS – Estabilizador de Sarta

Desviación en grados esperada (grados / 100 pies ) 60 pies 1.5 – 2.5 45 pies 0.5 – 1.5 30 pies 0.5 – 1.0 Nota: En pozos de diámetros más pequeños utilizando lastra barrena más pequeños la tasa de incremento angular será mayor. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Un ensamblaje con un Estabilizador Cercano a la Barrena y de pleno calibre, seguido por 40’ – 120’ de lastra barrena antes del primer Estabilizador de Sarta, o aún sin estabilizador de sarta, va a desarrollar un ángulo cuando se aplica el peso sobre la barrena. Por ejemplo en un pozo de 17 ½” utilizando collares de perforación de 9 ½” si el primer estabilizador de la sarta se coloca a 90 pies de la barrena el ensamble puede desarrollar de 2.0 a 3.5 grados por 100 pies. Al reducir la distancia se disminuirá la tasa de construcción angular así:

Control Direccional Otros factores que afectan la tasa de construcción de ángulo: •Parámetros de Perforación:

•Tipo de Formación y el ángulo del echado de los estratos. •Inclinación del pozo.DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•Un incremento en el peso sobre la barrena incrementará la velocidad de construcción angular •Un incremento en la velocidad de rotación reducirá la tasa de aumento del ángulo •Un aumento en el caudal en la bomba (gasto) en formaciones blandas disminuirá la tasa de construcción angular debido a la tendencia al lavado por erosión.

Control Direccional El Principio de Estabilización –

El ensamble empacado estándar es: Barrena – FG NBS – lastra barrena corto – FG Stab. – lastra barrena estándar – FG Stab – lastra barrena estándar. …. Otros ensambles empacados son: Barrena – FG NBS – lastra barrena corto – UG Stab. – lastra barrena – FG Stab – lastra barrena – FG stab. Barrena – FG NBS – FG Estabilizador de Sarta - lastra barrena – FG Stab. – FG Stab. lastra barrena . …. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Si hay tres estabilizadores colocados en la sarta de tal forma que el espaciamiento entre ellos sea corto, la herramienta de fondo va a resistirse a seguir una curva y forzará la barrena a perforar en una trayectoria relativamente recta. Las Herramientas de Fondo con este tipo de configuración se llaman “Ensambles Empacados”.

Control Direccional El Principio de Péndulo:

Si los lastra barrena entre el estabilizador y la barrena hacen contacto con la pared del pozo la longitud del péndulo se va a reducir y si se coloca demasiado peso sobre la barrena el ensamble de péndulo de hecho podría empezar a construir ángulo; por lo tanto, se requiere de una selección cuidadosa de parámetros. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Como su nombre lo indica en un ensamble de péndulo la barrena va a tratar de llegar a la vertical debido al efecto de péndulo. Este ensamble se diseña colocando un Estabilizador de Sarta entre 15 y 60 pies distante de la barrena y no colocando un NBS ni de pleno calibre ni de calibre reducido.

Control Direccional Tipos de Ensamblajes de Fondo Rotacionales Ensamble de Péndulo

--x---x------>

•

Ensamble Empacado

---x---x---x-x>

•

Ensamble para construir rotando

------x------x>

•

Ensamble Dirigible

•

Ensamble de Motor de Lodo con Acople Torcido



•

Herramientas de Fondo Típicas Para Control Direccional

1. SLICK

2. PENDULUM

3. BUILD

4. PACKED II

5. PACKED III

6. PACKED IV

STAB

7. PACKED V STAB

STAB STAB DRILL COLLAR DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

STAB

DRILL COLLAR STAB

STAB STAB

DRILL COLLAR STAB

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR FULL GAUGE STAB SHOCK SUB FULL GAUGE STAB

DRILL COLLAR

STAB DRILL COLLAR

DRILL COLLAR DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

FULL GAUGE STAB

SHOCK SUB

DRILL COLLAR

PONY

FULL GAUGE STAB

STAB

STAB

SHOCK SUB

SHOCK SUB

PONY PONY SHOCK SUB

SHOCK SUB STAB

STAB

STAB



DRILL COLLAR

DRILL COLLAR



Diseño Mecánico De la Sarta de Perforación

Diseño de La Sarta de Perforación La sarta de perforación comprende: • Tubería de Perforación operando en Tensión

• Operando en Compresión o en Tensión

• Lastra barrena de varios tamaños • Por lo general operando en Compresión

• Accesorios tales como barrenas, estabilizadores, motores, escariadores, fresas, martillos,etc, etc para cumplir los objetivos de la perforación de POZOS VERTICALES Y DE ÁNGULO MODERADO DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Tubería Pesada (HWDP) y a veces también la TP

Factores de Diseño para la Sarta de Perforación



Factor de Diseño por Tensión, rige que la tensión máxima permisible en el sistema En SLB el DFt = 1.1 Margen de sobre tensión MOP, Capacidad de tensión en exceso deseada por encima del peso colgante de la sarta en la superficie. En SLB el MOP se fija entre 50K y 100K Lbs. Exceso de Peso DFbha de la Herramienta de Fondo (BHA). Cantidad de la Herramienta de Fondo en términos de peso en exceso del peso usado para perforar para asegurarse de que todas las cargas de compresión y de torsión se mantengan en los lastra barrena. En SLB el Dfbha = 1.15

Factores de Diseño para la Sarta de Perforación

Factor de Diseño al Colapso, La capacidad en el cuerpo de la tubería es considerada inferior para tomar en cuenta la reducción en el esfuerzo a la tensión biaxial y en SLB se usa un factor de diseño al colapso, DFc entre 1.1 y 1.15 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Factor de diseño por Torsión, No se requiere un factor de diseño. Los acoples se ajustan hasta un 60% de su capacidad torsional y están diseñados para resistir hasta un 80 % de la capacidad de torsión del tubo. De esta forma si el diseño limita el apretado del acople, hay un factor de diseño adecuado construido dentro del sistema.

Factores de Diseño para la Sarta de Perforación Factor de Diseño para el Estallido Se consideran estallidos simples sin tolerancia para efectos axiales. En SLB el factor de diseño al estallido, DFB = 1.0



Factor de Diseño Para Pandeamiento, DFb En pozos muy desviados es posible operar la tubería de perforación en compresión, siempre y cuando no esté pandeada. El factor de diseño al pandeamiento es análogo al factor para exceso de peso del BHA ya discutido, DFbha para pozos rectos o ligeramente desviados en el cual este factor tiene el efecto de alargar el el BHA, el DFb reducirá el peso permitido para perforar pozos altamente desviados

Proceso de Diseño de la Sarta de Perforación • Diseño de los lastra barrena



• Diámetro externo máximo del DC que se pueda manejar, pescar y usar para perforar. • Selección de Conexiones • Razón de Resistencia a la Flexión (BSR) • Capacidad de torque • Exceso de peso en la Herramienta de Fondo para proveere el peso sobre la barrena WOB y mantener la tubería en tensión • WOB • Estabilización

Proceso de Diseño de la Sarta de Perforación



• Fuerzas de aplastamiento de las cuñas sobre la tubería de perforación • Diseño de la Sobre Tensión aplicable en superficie • Longitudes de las secciones de tubería de perforación • Revisión de Diseño para estallido • Revisión de diseño contra el colapso por esfuerzos

Lastra barrena



Diseño Mecánico De la Sarta de Perforación

Conexiones de los Lastra Barrena Características de Liberación de Esfuerzos

• Por lo tanto las conexiones de la tubería de perforación están sujetas a menos doblamiento que el cuerpo de la misma • En cambio DC y otros componentes de la herramienta de fondo son mucho más rígidos que la tubería de perforación y en ellos gran parte de los esfuerzos por doblamiento se transfieren a las conexiones. • Estos esfuerzos por doblamiento pueden causar falla por fatiga en las conexiones. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Las conexiones (roscas) de la tubería de perforación no tienen características de liberación de esfuerzo puesto que el cuerpo flexible se dobla fácilmente y absorbe la mayor parte del esfuerzo de doblamiento que se aplica.

Fotografía de una Función del Perno de Liberación de Esfuerzos



Conexiones de los lastra barrena ¿Qué son las características de liberación de esfuerzo y cuándo se usan?

• Piñón (rosca macho) con ranura para alivio y conexión de caja ensanchada son diseños especiales para aliviar o liberar esfuerzos en la conexión.

• Estas características son benéficas también para la tubería pesada HWDP. • Las ranuras de liberación de esfuerzos en el pin no se recomiendan en conexiones más pequeñas que NC-38 porque pueden debilitar la resistencia a la tensión y la resistencia de torsión de la conexión. • Las conexiones de caja ensanchada se podrían usar en las conexiones más pequeñas. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Las características de liberación de esfuerzos se deben especificar en todas las conexiones de las herramienta de fondo tamaño NC-38 o mayores.

Conexiones de los Lastra Barrena

“RANURA PARA ALIVIO DE ESFUERZOS” en el PIN y/ó “ENSANCHADO EN EL DIÁMETRO SUPERIOR DE LA CAJA”.



Los efectos de los esfuerzos de doblamiento sobre las conexiones se pueden reducir al agregar

Selección de los lastra barrena ó DC • Normalmente el DC con el diámetro externo más grande que se puede correr con seguridad es la mejor opción.



• La rigidez mayor para resistir pandeamiento y tendencias de dirección lisas. • El movimiento cíclico está restringido debido a espacios más reducidos. • Se acorta la herramienta de fondo para • Reducir el tiempo de manejo en la superficie • Reducir la cantidad de conexiones (puntos de falla) en el pozo. • Disminuir la longitud de los DC en contacto con la pared para reducir la exposición a que se pegue la tubería por presión diferencial.

Diseño del Ensamblaje de Fondo, BHA Los DC proporcionan Peso a sobre la Barrena

2. Los DC tienen una rigidez significativamente mayor cuando se comparan con la tubería de perforación. 3. La tubería de perforación tiende a pandearse en compresión. 4. Un pandeo repetido va a hacer que haya una falla temprana de la tubería de perforación. 5. La falla por fatiga de la tubería se puede eliminar si se mantiene en condiciones de tensión constante. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


1. Los collares de perforación permiten colocar peso al apoyar la sarta sobre la barrena porque pueden rotar en compresión sin sufrir daños en las conexiones. Al mismo tiempo mantienen a la tubería de perforación en tensión.

Remember about Fishing



Módulo de la Sección para las Conexiones


El módulo de la Sección es un término refinado para referirse al área y al grado de alejamiento de una forma de material dividido por la distancia desde el extremo de la forma hasta el punto donde los esfuerzos son cero DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Razón o Relación de Resistencia a la Flexión •

. d= diámetro interior o agujero.

Z box BSR = Z pin

Z box BSR = Z pin

π ( D 4 − b4 ) = 32 4 D 4 π (R − d ) 32 R (D 4 − b4 ) = 4D 4 (R − d ) R

Se aplica a tanto a las conexiones y a los cambios de diámetro de los components de la sarta

( Ver el diagrama de la siguiente DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA lámina )


La razón de Resistencia a la Flexión es la rigidez relativa de la caja con respecto al perno de una conexión dada. • Describe el balance entre dos miembros de una conexión y cómo es probable que se comporten en un ambiente cíclico de rotación. Donde: Zbox = módulo de la sección de la caja Zpin = módulo de la sección del perno D = Diámetro exterior del perno y la caja b = Diámetro de la raíz de la rosca de la caja al final del perno R = Diámetro de la raíz de la rosca de las roscas del perno ¾ de pulgada del hombro del perno.

Módulo de Sección para Conexiones

Para el pin, el diámetro Externo es medido en la raíz de la rosca a una distancia de ¾” desde la cara o sello de espejo del acople, R Las dimensions son del API o de las especificaciónes del fabricante de la conexión DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Para la caja, el diámetro interno es medido en la base de la rosca, frente al extremo del pin, b

Razón o Relación de resistencia a la Flexión para las Conexiones •



•

Se dice que una conexión está balanceada si la razón de resistencia a la flexión es 2.5 • Cuando la razón de resistencia a la flexión es superior se tienden a ver fallas de pernos o pines. • Cuando la razón de resistencia a la flexión es inferior se tienden a ver más fallas en las cajas. Sin embargo, la experiencia en campo ha mostrado que: • Un collar de perforación de 8” que tiene una razón de resistencia a la flexión de 2.5 normalmente falla en la caja. • Un collar de perforación de 4-3/4” que tiene una razón de resistencia a la flexión tan baja como 1.8 muy rara vez falla en la caja.

Razón o Relación de resistencia a la Flexión para las Conexiones


Esta tabla está extraída de T.H. Hill & Associates Inc. Norma DS-1. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Directrices Adicionales para la Razón de Resistencia a la Flexión • RPM Elevadas, una Formación Blanda con collar de perforación pequeño (8 pulgadas en un pozo de 12.25 o 6 • RPM Bajas, formaciones duras, collar de perforación grande (10 pulgadas en pozo12-1/4, 2.5-3.2 (3.4 si se usa conexión tipo lo-torq) • Formaciones Abrasivas, 2.5-3.0 • Cargas de choque o torque / barrenas bi-céntricas para aplicaciones URWD URF ERD, 2.5-2.75 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


pulgadas en un pozo de 8.25), 2.25-2.75

Función Lo-Torq

•Esto permite tener un torque para conexión menor y mantener una carga de hombro adecuada. •Es una característica común en conexiones con diámetro externo grande. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•La función “low torque” consiste en quitar parte del área del hombro del perno y de la caja.

Razones BSR para Conexiones

• Las páginas 39-44 del API RP7G dan una lista de las razones de resistencia a la flexión para conexiones de acuerdo con el diámetro externo e interno del DC.



• Afortunadamente para usted API ya ha resuelto el problema.

Ejemplo de Tablas de Razón de Resistencia a la Flexión (Manual DS1 - T.H. Hill )



Relación de Rigidez para Transiciones


• Basados en experiencia de campo, en una transición de un tamaño de DC o tubería a otro, la razón de rigidez (SR) no deberá exceder • 5.5 para perforación de rutina • 3.5 para perforación en condiciones severas o difíciles

( (

4 4 ODupr ODlwr − IDlwr

Z lwr SR = = 4 4 Z upr ODlwr ODupr − IDupr

) )

Nota: Las razones de rigidez se calculan utilizando los diámetros externos y los diámetros internos de los tubos, no las conexiones. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Ejemplo DP-03 Razón de Resistencia a la Flexión



• Dado que vamos a perforar un pozo de 15 pulgadas, en un ambiente relativamente duro, de perforación difícil, ¿qué collar API usted recomendaría? ¿Cuál sería su recomendación para la razón de resistencia a la flexión para la conexión seleccionada y cuáles serían sus límites en los diámetros interno y externo permisibles para los collares? • ¿Cuál sería la razón de rigidez entre el DC y la tubería de perforación de 4-1/2? ¿Es aceptable? ¿Si no lo es, usted qué haría?

Diseño de la Herramienta de Fondo Peso Mínimo de DC para colocar sobre la barrena y mantener el Punto Neutral dentro del BHA

Max Available Wt = 1.15 Max Working Wt 2. El Punto Neutral (NP) a la tensión debe estar dentro de los collares de perforación



1. Factor de Diseño para exceso de herramienta de fondo =1.15

Diseño de la Herramienta de Fondo Peso de los lastra barrena y Punto Neutral Schlumberger Private

Tensión

Punto neutral Compresión

WOB de Diseño

WOB

WOB DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Diseño de la herramienta de Fondo Procedimiento para selección de los lastra barrena:

BF = 1- (MW/65.5) donde BF = Factor de Flotación, adimensional MW = Peso del lodo dentro del pozo, en lbs/gal 65.5 = Peso de un galón de acero, lbs/gal DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


1. Determine el factor de flotación para el peso del lodo que se está en el pozo empleando la fórmula siguiente:

Diseño de la Herramienta de Fondo Procedimiento para Seleccionar los collares de perforación: 2. Calcular la longitud de DC requerida para lograr el peso deseado en la barrena:

donde: WOB = Peso deseado en la barrena, lbf (x 1000) BF

= Factor de flotación, adimensional

W dc = Peso del collar de perforación en el aire, lb/ft 1.15

=15% factor de seguridad.

El factor de seguridad de 15% asegura que el punto neutro permanezca dentro de los collares cuando fuerzas imprevistas (rebote, desviación pequeña y fricción del pozo) están presentes. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Longitud del DC = 1.15* WOB / (BF*W dc)

Diseño de la Herramienta de Fondo Procedimiento para selección de los lastra barrena: 3. Para pozos direccionales:

donde: I = Inclinación del pozo Observe que para los pozos horizontales los collares de perforación no se usan normalmente y la selección de la herramienta de fondo se basa totalmente en la prevención del pandeo.



Longitud del DC = Longitud Vertical del DC / Cos I

Ejemplo DP-04 Cantidad y Tamaño de lastra barrena

Desviación del pozo = 0° Densidad de Lodo

= 12 ppg



Determine el tamaño y la cantidad de collares de perforación de 9 pulgadas de diámetro externo por 3 pulgadas de diámetro interno que se requieren para obtener un peso sobre la barrena de 55,000 lbf, suponiendo

Ejemplo DP-04 Solución

BF

=

1- (12/65.5) = 0.817

Peso en el aire de los lastra barrena

= 55,000/0.817 = 67,319 lbf

Por lo tanto, el peso en el aire requerido de los DC deberá ser un 15% adicional para asegurar que el NP esté en el BHA

Peso de los DC

=

67,319 x 1.15 = 77,416 lbf



Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotación

Ejemplo DP-04 Continuación de la Solución

Un lastra barrena pesa

= 30*192 = 5,760 lb

Cantidad de lastra barrena

= 77,416 / 5,760 = 13.54 ==> 14 Juntas



Suponga que los tamaños de lastra barrena disponibles son DE x DI, 9”x 3”. De los cálculos, el peso por pie para este tamaño es 192 lb/ft. (La mayoría de los DC están en longitudes de 30 pies)

Límites de Torsión para los lastra barrena

• Posible incremento del torque en la conexión • Uso de lastra barrena con menor Diámetro Interno, ID • Cambio de parámetros para reducir el torque en el BHA DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• El torque está limitado por la conexión del DC • Usualmente es mayor para la tubería en superficie y menor para los lastra barrena de fondo • Si el torque de ajuste en la conexión de los DC es mayor que el torque de ajuste en la conexión de la tubería de perforación no se deberán tener problemas rutinarios. • El torque del BHA en cualquier punto no deberá exceder de 80 % del torque de ajuste para las conexiones en el pozo para evitar sobre apretar las conexiones lo cual puede hacer que se dañen los sellos.

Límites de torsión para los lastra barrena TORQUE DE CONEXIÓN COMO PORCENTAJE DEL TORQUE TOTAL

PAC H-90 API NC


DC< 7 in DC>7 in 79.5% N/a 51.1% 56.2% 56.8% 62.5%


El torque de ajuste recomendado por el API para las conexiones es un porcentaje de la cedencia total a la torsión de la conexión

Tablas de Torque de Ajuste para Conexión los DC



Límites de torsión para los lastra barrena •Normativa del API Schlumberger Private

El torque de ajuste del acople deberá ser el 60% de la resistencia del acople a la cedencia que a su vez es el 80% de la cedencia torsional en el cuerpo del tubo


Ejemplo DP-05

• • • • • •

10,000 pies de 5” S135 NC50 6 ½” X 2 7/8” 5,000 pies de 5” G105 NC50 6 1/8” X 3 3/8” 24 tramos de 5 pulg tubería HW, NC50, 6 5/8” X 2 ¾” 18 tramos de DC de 6 ¾” x 2 ½” 12 tramos de DC de 8” x 3”. 6 tramos de DC de 9” x 3”

• Si se necesita, se podrían rentar hasta 6 DCde perforación de 11” x 3”



• Planeamos perforar un pozo recto de 16 pulgadas hasta 15,000 pies. Anticipamos que la perforación va a ser difícil y deseamos usar 6,000 lb por pulgada de diámetro para el peso de la barrena. El pozo se va a perforar en lodo de 10 ppg. En existencia tenemos

Ejemplo DP-05 continuación ¿Qué sarta de DC recomendaría usted y porqué? ¿Cuál es el peso permisible máximo? ¿Dónde está el punto neutral a la tensión? ¿Cuál es la relación de resistencia a la flexión de las conexiones que seleccionó? • ¿Cuál es la relación • de rigidez para cada transición? • ¿Cuál es el torque máximo permisible sobre la herramienta de fondo y cuál es su resistencia torsional? DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• • • •

Ejemplo DP-05 – Solución WOB requerido = 16 x 6000 = 96,000 lbs. Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotación

Peso en el aire de los lastra barrena

= 96,000/0.8473 = 113,301 lbf

Por lo tanto, peso requerido de los lastra barrena

= 113,301 x 1.15 = 130,296 lbf



BF = 1 - (10/65.5) = 0.8473

Ejemplo DP-05 – Solución Determinando Cantidad y Tamaños 12 jts DC de 6 ¾” x 2 ½” = 12 X 30 X 105 = 37,800 lbs 6 jts DC de 9” x 3” = 6 X 30 X 192 = 34,560 lbs 5 jts DC de 11”x 3” = 5 X 30 X 299 = 44,850 lbs Longitud de BHA = 960 ft. Peso Total BHA = 131,709 lbs. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


9 jts de HWDP de 5” = 9 X 30 X 53.7 = 14,499 lbs

Ejemplo DP-05 – Solución Selección de Conexiones •9 jts HDP de 5” = NC50 => BSR = •6 jts DC de 9” x 3” = NC61 => BSR = 3.22 •5 jts DC de 11” x 3” = 8 5/8” Reg => BSR = 2.84 •SR de 11”X 3” a 9”X 3” = 1.83 •SR de 9”X3” a 6 ¾”X 2.5” = 2.38 •SR de 6 ¾” X 2.5 a 5” X 3” = 2.77 •SR de 5” X 3” a 5” X 4.276” = 1.87 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•12 jts DC de 6 ¾”x 2 ½” = NC46 => BSR = 3.3

Ejemplo DP-05 – Solución Limitaciones de Torque •5” NC50, S135 DP = 34,190 ft/lb •NC 50 HWDP = 38,040 ft/lb •6 ¾” x 2 ½” NC46 = 25,850 ft/lb •9” x 3” NC61 = 74,090 ft/lb •11”x 3” 8 5/8” Reg = 130,680 ft/lb •Más bajo = 22,820 x 0.8 = 18,256 ft/lbs DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•5” NC50, G105 DP = 22,820 ft/lb

Diseño de Tubería de Perforación



Diseño de Sarta de Perforación

Parámetros de Diseño según el API – RP 7G • Tabla 1-3 Datos de Tubería Nueva • Tabla 4-5 Datos de Tubería Clase Premium

• Tabla 8 Datos de Acoples de tubería • Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexión • Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforación) • Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste • Fig 26-32 Datos de Rigidéz (BSR) de los DC DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Tabla 6-7 Datos de Tubería Clase 2

Diseño de la Sarta por Tensión

• Esto se hace utilizando un factor de seguridad a la tensión, SF de 1.1 • Esto también supone que nunca salimos del rango elástico de la tubería



• Una vez que ya se ha diseñado la herramienta de fondo, se necesita: • Añadir la tubería de perforación para que en la superficie se pueda • Sostener el peso de la herramienta de fondo • Sostener el peso de la tubería entre la herramienta de fondo y la superficie • Soportar el margen de sobre tensión seleccionado. • Soportar las fuerzas de las cuñas sobre la tubería que tratan de aplastarla.

Parámetros de Diseño P

Diseño para la Tensión


Tubería de perforación

Ldp

Collares de perforación

Ldc


La mayor tensión (carga de trabajo Pw) sobre la sarta de perforación se presenta en el tramo superior cuando se llega a la máxima profundidad perforada.

Working Strength

Parámetros de Diseño Resistencia de Trabajo

P

Diseño para la Tensión Peso Total, Tsurf, soportado por la junta superior de la tubería de perforación cuando la barrena está justo arriba del fondo;

]

….(1) Tubería de perforación

Ldp

Collares de perforación

Ldc

ρm BF = 1 − ρs Ldp


[

T surf = (L dp ×W dp + L dc ×W dc ) × BF

= longitud de la tubería de perforación

Wdp = peso de la tubería de perforación por unidad de longitud Ldc = Peso de los lastra barrena Wdc = peso de los lastra barrena por unidad de longitud. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Parámetros de Diseño Diseño para la Tensión

Si al tensionar la la tubería de perforación se alcanza su punto de cedencia: 1. Tendrá una deformación total que es la suma de las deformaciones elástica y plástica (permanente). 2. El estiramiento permanente se quedará en la tubería de perforación (no desaparecerá al quitar la tensión aplicada) 3. Será difícil conservar la tubería recta. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


La sarta de perforación no está diseñada de acuerdo con la resistencia de cedencia mínima.

Carga de Diseño Máxima Permisible Para evitar daño por deformación a la tubería de perforación, API recomienda que se use una carga máxima de diseño permisible ( Pa) = 0.9 x Tyield

….(2)

Pa

= Carga de diseño máxima permisible en tensión, lb

Tyield = Resistencia a la cedencia teórica dada en las tablas API, lbs 0.9 = Un límite proporcional constante relacionado con el punto de cedencia

IPM Define que un factor de diseño de tensión de 1.1 se debe aplicar a las cargas de diseño. Por medio de esto se logra lo mismo. NO HAGA DOBLE BUZAMIENTO DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Pa

Margen de sobre tensión El margen de sobre tensión es nominalmente de 50100 k, o en el límite de la diferencia entre la carga máxima permisible menos la carga real.

– Condiciones generales de perforación – Arrastre de la sarta en el pozo – Posibilidad de atrapamiento de la sarta –Aplastamiento con las cuñas al asentarse sobre la MR – Cargas dinámicas DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Opciones del Margen de Sobre Tensión que se deben considerar

Procedimiento de Diseño Margen de sobre tensión 1.

Tmax = 0.9 x Punto de Cedencia mínimo … lb Se debe considerar la clase de tubería



Determine la carga máxima de diseño (Tmax) : (máxima carga para la que se debe diseñar la sarta de perforación)

Procedimiento de Diseño 2. Calcule la carga total en superficie usando

]

….(1)

3. Margen de Sobre Tensión: Fuerza de tensión mínima por encima de la carga de trabajo esperada para tomar en cuenta cualquier arrastre o que se atore la tubería.

MOP = Tmax - Tsurf DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

….(3)


[

Tsurf = (Ldp ×W dp + Ldc ×W dc ) × BF

Procedimiento de Diseño

perforación.

L dp =

T yield ×0 . 9 − MOP W dp × BF

W dc − × Ldc W dp


….(4)


4. La longitud máxima de la tubería de perforación que se puede usar se obtiene al combinar las ecuaciones 1 y 3 y despejando la longitud de la tubería de

Ejemplo DP-06 Tubería de Perforación de un solo Grado



• Longitud de los collares de perforación: 600’ y peso en el aire es de 150 lb/ft. • Margen de sobretensión = 100,000 lbs. • 5” / 19.5 lb/ft Premium G-105 DP con conexiones NC50. Calcule la profundidad máxima del pozo que se puede perforar Suponga que BF= 0.85 • Realice los cálculos sin Margen de Sobre Tensión y con un Margen de Sobre Tensión de 100,000 lb • Utilice las tablas API - RP7G para los valores del Peso Aproximado (W dp) y para el Punto de Cedencia Mínimo.

Ejemplo DP-06 Tubería de Perforación de un solo Grado Solución sin Margen de sobre tensión Carga de diseño máxima ( Tmax) Pa = 0.9 x Mínimo punto de cedencia …(1)

(RP7G – T4)

Carga real soportada ( Pf) P = 0.85 [ 21.92 x Ldp + 150 x 600] … (2) L dp =

(RP7G T9)

392 ,535 − 0 150 − * 600 = 16 ,962 ft 21 .92 x 0 .85 21 . 92

Máxima profund.a perforar = Ldp + Ldc = 16,962 + 600 = 17,562 pies DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Pa = 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb

Ejemplo DP-06 Tubería de Perforación de un solo Grado Repita el ejemplo anterior con Margen de sobre tensión utilizando la fórmula;

W dp × BF

W dc − × Ldc W dp

Máxima Profundidad de Perforación = Ldp + Ldc



Ldp =

T yield ×0 .9 − MOP

Ejemplo DP-06 Tubería de Perforación de un solo Grado Solución con Margen de sobre tensión Carga de diseño máxima ( Pa)

Tmax= 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb

…(1)

(RP7G – T4)

Carga real soportada ( P) Tsurf= 0.85 [ 21.92 x Ldp + 150 x 600] L dp =

… (2)

(RP7G T9)

392 ,535 − 100 , 000 150 − * 600 = 11,595 ft 21 .92 x 0 .85 21 .92

Profund.Máxima a Perforar = Ldp + Ldc = 11,595 + 600 = 12,195 pies DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Tmax = 0.9 x Punto de cedencia mínimo

Fuerza de Aplastamiento por Las Cuñas

2

Hoop Stress S h DK  DK   = 1+ +  Tensile Stress St 2 Ls  2 Ls  D = Pipe OD (in) ; Ls = Slip length (in )

K = 1 / tan( y + z ) ; y = Slip Taper (9ο 27 ' 45'' )

z =ArcTan( µ ) ; µ = coeff Friction (0.08 for dope) DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Las cuñas debido a la forma cónica tratan de aplastar a la tubería de perforación. Este esfuerzo en anillo es resistido por el tubo y a la vez incrementa el esfuerzo global en el acero.

Fuerza de Aplastamiento por las Cuñas • Generalmente se expresa como un factor

PLoad

Sh = PAxial St

Horz to Tang Stress Ratio DP SLIP LENGTH TUBE 12 in 16 in 2 3/8 2 7/8 3 1/2 4 4 1/2 5 5 1/2 6 5/8


1.25 1.31 1.39 1.45 1.52 1.59 1.66 1.82

1.18 1.22 1.28 1.32 1.37 1.42 1.47 1.59


Hoop Stress Working load * = Equivalent Axial Load Tensile Stress

Como un Parámetro de Diseño

L dp

T yield × 0 . 9 Sh ST W dc = − × L dc W dp × BF W dp DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Únicamente puede perforar hasta donde pueda poner la tubería en las cuñas. • Diferente a la Sobre Tensión, este se basa en las cargas de trabajo.

Ejemplo DP-07 Diseño por Tensión con Margen de Sobre Tensión y Fuerza de Aplastamiento con las Cuñas

1)

La profundidad máxima que se puede perforar cuando (a) se usa tubería de perforación nueva y (b) tubería de perforación Premium. (únicamente Margen de sobre tensión)

2)

¿Cuál es la profundidad máxima a la que se puede perforar tomando en consideración la fuerza de aplastamiento por cuñas para (a) y (b) anteriores ? ¿Para qué carga de gancho corresponde esto? ¿Cuál es el Margen de sobre tensión en este caso?

L dp =

T yield × 0 . 9 − MOP W dp × BF

W dc − × L dc W dp



Una sarta de perforación consiste de 600 pies de collares de 8 ¼ “ x 2-13/16” y el resto es tubería de perforación de 5”, 19.5 lbm/pie, Grado X95 con conexiones NC50. Si el Margen de Sobre Tensión requerido es de 100,000 lb y el peso del lodo en el pozo es 10 ppg, calcule:

Ejemplo DP-07 Solución (a) El peso del collar de perforación por pie es:

(

)

=160.5 lbm / ft donde, ρs = densidad del acero = 489.5 lbm/ft A = área de la sección transversal (pulg). (Nota: De las tablas API, peso del collar de perforación = 161 lbm/ft). DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


π 1 2 2 ) × 1 × 4895 A × 1 ft × ρs = ( 825 . ) − ( 28125 . . × 4 144

Ejemplo DP – 07 L dp

Pt × 0.9 − MOP Wdc − × L dc Wdp × BF Wdp

Pt = 501,090 lb ( for Grade X 95 new pipe )

Margen de Sobre Tensión, MOP = 100,000 lb DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


ρm 10 BF = 1 − =1− ρs 65.44

Ejemplo DP-07

= 14,828 ft

La profundidad máxima del pozo que se puede perforar con una tubería de perforación nueva de Grado X95 bajo las condiciones de carga dadas es de

Profundidad de perforación máxima = Ldp + Ldc

14 ,828 + 600 =15 , 428 ft . DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


501,090×0 .9 −100 ,000 (160 .5 )×600 Ldp = − 21 .45×0 .847 21 .45

Ejemplo DP-07 considerando la Fuerza de Aplastamiento por las Cuñas

L dp

501 , 090 × 0 . 9 160 . 5 1 . 42 = − × 600 21 . 45 × 0 . 847 21 . 45

L dp = 12 ,991 ft Profundidad máxima a perforar = Ldp + Ldc= 12,991+600=13,591 ft DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


L dp

T yield × 0 . 9 − Drag Sh W dc ST = − × L dc W dp × BF W dp

Ejemplo DP-07 considerandoTubería Nueva



• En el caso de Tubería Nueva, las fuerzas de aplastamiento por las cuñas determinan la máxima profundidad a la que se puede perforar de 13,591 y no de 15,428 pies. • La carga de gancho máxima indicada que se puede fijar con seguridad en las cuñas es de 317,590 lb • El margen de sobre tensión en este caso es de 133,400 lbs

Ejemplo DP-07 considerandoTubería Premium Ahora,

Pt = 394 ,600 lb :

L pd = 9,553 ft Máxima Profundidad de Pozo Prof. de Perforación Maxima = Ldp + Ldc

= 9 ,553 + 600 =10 ,153 ft



394 ,600 * 0 .9 −100 ,000 160 .5 * 600 L pd = − 21 .45 * 0 .847 21 .45

Ejemplo DP-07 Aplastamiento por las Cuñas

L dp = 9 , 276 ft

Profundidad de Perforación Máxima = Ldp + Ldc= 9,276+600=9,876 pies



L dp

394 , 600 × 0 . 9 160 . 5 1 . 42 = − × 600 21 . 45 × 0 . 847 21 . 45

Ejemplo DP-07 Considerando Tubería Usada



• En el caso de Tubería Usada (Premium), las fuerzas de aplastamiento por las cuñas determinan la máxima profundidad a la que se puede perforar que es de 9,876, no 10,153. • La carga de gancho máxima indicada que se puede asentar en forma segura sobre las cuñas es de 250,098 lb • En este caso el margen de sobre tensión es de 105,000 lbs

Ejemplo DP – 08 Ejercicio

¿Cuál es la profundidad máxima a la que se puede perforar con este ensamble?

T yield ×0.9 − MOP W dc Ldp = − × Ldc W dp × BF W dp DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


La longitud de la Herramienta de Fondo es 600’ y el peso en el aire es de 70,000 lbs. Margen de Sobre Tensión = 80,000 lbs. Tubería de perforación de 5” 19.50 lb./ft, Clase Premium, Grado X95 con conexiones NC50. El peso del lodo en el pozo es MW = 13.0 ppg.

Diseño de Sarta Mixta •

Paso 1 • Si usamos diferentes tuberías de perforación, la tubería más débil es la que va en el fondo y la tubería más fuerte en la parte superior. • Aplique la ecuación primero a la tubería de perforación del fondo.

• Paso 2 • Los collares de perforación y la tubería de perforación del fondo actúan como el peso que es soportado por la sección superior… efectivamente el collar de perforación. • Aplique la ecuación para la tubería de perforación superior al último. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Ldp

Pt ×0.9 − MOP W dc = − × Ldc Wdp × BF W dp

Ejemplo DP-08 Tubería de Perforación Mixta Un equipo de perforación de exploración tiene los siguientes grados de tubería de perforación para correrlos en un pozo de 15,000 pies de profundidad: •

Grado E : Nueva, 5” OD, 19.5 lb/pie, NC 50

•

Grado G : Nueva, 5” OD, 19.5 lb/pie, NC 50

Calcule : 1. Máxima longitud de la tubería E que se puede usar. 2. Longitud de tubería G que se debe usar. 3. Margen de sobre tensión para la tubería G y para la tubería E. 4. Peso máximo en las cuñas para la tubería G y para la tubería E. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Se desea tener un Margen de sobre tensión de 50,000 lbs en la tubería Grado E. La longitud total y el peso total de los collares de perforación más la tubería de perforación con pared gruesa son de 984 pies y 101,000 lb respectivamente. MW a 15,000 pies = 13.4 ppg.

Ejemplo DP-08 Tubería de Perforación Mixta Solución: (a)

T yield ×0 .9 − MOP Wdc Ldp = − × Ldc W dp × BF Wdp

El grado más ligero (Grado E) se debe usar para la parte del fondo del pozo, mientras que la tubería de grado más elevado se debe usar en la sección superior. De esta manera, el Grado E va a soportar el peso de los lastra barrena y de la tubería de perforación de pared gruesa. El término debe incluir el peso combinado de estos artículos. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Ldp2

E

Ldp1


y,

13 .4 BF =1− = 0 .7954 65 .5

G 1 0 5

LBHA

Ejemplo DP-08 Tubería de Perforación Mixta W dc × L dc = weight of DCs + weight of HWDP =101 ,000 lb

Ldp =13,595 ft



395,600× 0.9−50,000 101,000 Ldp = − 20.85 × 0.796 20.85

Ejemplo DP – 08. Aplastamiento por las Cuñas en el tope de la tubería Grado E

L dp = 10 , 263 ft



L dp

395 , 600 × 0 . 9 101 , 000 1 . 42 = − 20 . 85 × 0 . 796 20 . 85

DP – 08. Margen de Sobre Tensión en la Junta Superior de la Tubería Grado “E” Peso colgando de la junta superior de la tubería Grado “E” 10,263 x 20.85

= 213,983 lb Grade “E”

Peso total en el aire = 314,983 Lbs Peso sumergido en el lodo de 13.4 ppg = 314,983 x 0.796=250,726 Lbs

MOP = P@ Yp * 0 .9 − PWorking = 395 ,600 ×0 .9 − 250 ,726 MOP = 105 ,314 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


más 101,000 lb BHA

Ejemplo DP-08. Procedimiento para el Diseño La longitud acumulada de la sarta esta compuesta por: =

984 pies

Tubería de Perforación, Grado “E”

= 10,263 pies

Longitud Total,

= 11,247 pies

La sección superior de la sarta estará compuesta por tubería Grado “G” de longitud: 15,000 – 11,247 = 3,752 pies Verificar que la tubería grado “G” sea adecuada: Ella va a soportar el peso de la tubería grado “E” más el peso del BHA DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Collares de perforación y tubería pesada

Ejemplo DP – 08. Longitud de tubería grado “G” para producirse el aplastamiento Wt Below " G " =10 , 263 × 20 .85 +101 ,000 = 314 ,984

L dp = 5 , 745 ft Por lo tanto, bajo las condiciones de carga existentes, se podrían utilizar 5,745 pies de tubería grado “G” en la sección superior de la sarta. En el ejemplo que se analiza, sólo se requieren 3,752 pies. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Ldp2

E

Ldp1


L dp

553 ,830 × 0 . 9 314 , 984 1 . 42 = − 21 . 93 × 0 . 796 21 . 93

G 1 0 5

LBHA

Ejemplo DP – 08. Margen de Sobre-Tensión. “G” Peso en la junta superior de la tubería grado “G” (Peso de toda la sarta) 3,752 ft x 21.93 = 88,281 lbs (peso de la tubería Grado “G”) más

314,983 lbs que pesan la tubería Grado “E” y el BHA

Peso total sumergido en el lodo de 13.4 ppg = 403,264 x 0.796 = 320,998 Lbs

MOP = P@ Yp * 0 .9 − PWorking = 553 ,830 ×0 .9 −320 ,998 MOP = 177 ,449 Max Slip Load =

P@ Yp * 0 .9 1.42 ( For 5 in DP )

= 553 ,830 ×0 .9 / 1 .42 = 351,090 lb MOP = 177 ,449 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

La sobre tensión está limitada por la tubería Grado “E”


Peso total de la sarta en el aire = 403,264 Lbs

Ejemplo DP – 08. Resultados del Diseño



• Herramienta de Fondo de 984 pies de longitud que pesa 101,000 lb en el aire • Aproximadamente 336 tramos son tubería Grado “E” con longitud máxima de 10,263 pies • Aproximadamente123 tramos de tubería Grado “G” con longitud máxima 3,752 pies • Sobre-Tensión máxima para tubería Grado “G” = 182,458 lbs • Sobre-Tensión máxima para tubería Grado “E “= 105,000 lbs (MOP limitado al menor valor de 105,000 lbs) • Máximo peso en las cuñas para Grado “G” 351,000 lbs • Máximo peso en las cuñas para Grado “E” 250,000 lbs

Ejemplo DP-09. Diseño con DP combinada

1. 2.

Cuál es la máxima profundidad de perforación posible? MOP disponible a la máxima profundidad? DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


Dada la siguiente información: • Longitud del BHA = 800’ • Peso en el aire del BHA = 80,000 lbs. • Margen de Sobre-Tensión deseado, MOP = 100,000 lbs. • Tuberías de perforación: (a) 5”OD, 19.5 lb./pie, Clase Premium, Grado “G”-105 , conexión NC50 y (b) 5”OD, 19.5 lb/pie, Clase Premium, grado “S”-135, NC 50 • Peso de lodo en el pozo = 11 lb/gal. Calcular:

Factores de Diseño MOP en un pozo desviado Se debe considerar siempre la profundidad vertical, TVD

TVD

Ldp

θ


1. Calcular la TVD para Ldp.

2. Calcular el peso del BHA en un pozo inclinado, multiplicando su peso en el aire por el coseno del ánulo: Peso = BHA x cos θ

LBHA


Procedimiento de Diseño MOP en un pozo desviado

TVD

80,000 lbs. x cos 30° = 69,282 lbs.

Prof. Vertical de Ldp=11500 x cos 30°

Long. De Tubería Ldp = 11500

12,000’ DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


30°

Peso del BHA =

Procedimiento de Diseño Ejercicio: Con los datos del gráfico, calcular el MOP para una sarta de DP combinada si el pozo tiene 40º de inclinación. Schlumberger Private

S135 40°

TVD

10,000’ G105 17200

BHA weight

=

80,000 lb


18000

Factores de Diseño

2. Si las cargas de impacto se cuantifican y se incluyen en los cálculos, se puede utilizar un factor de seguridad de 1.3



1. Un factor de diseño de 1.6 se deberá aplicar para las cargas de tensión debido a la naturaleza típica de tubería usada así como para considerar las posibles cargas de impacto que se produzcan cuando la tubería se asienta sobre las cuñas.

Diseño de Sartas de Perforación para pozos Desviados

1.Sección de Trayectoria Vertical 2.Sección de Construcción o Levantamiento de ángulo 3.Sección Tangente o de sostenimiento del ángulo 4.Sección de Reducción o Tumbado de ángulo 5.Sección de Navegación Horizontal DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


En un pozo desviado se pueden identificar las siguientes secciones:

Diseño de Sartas de Perforación para pozos Desviados Sección Vertical Schlumberger Private

KOP Sección de Construcción θT

Sección Tangente


BHA

Diseño de Sartas de Perforación para pozos Desviados 2. Sección de levantamiento de ángulo Weight =length ×W dp ×BF

Donde:

Wdp = peso de la tubería de perf. en lbs/pie BU = Tasa de construcción de ángulo en (grados/100 pies) BF = Factor de Flotación θ T = ángulo por debajo del punto de tangencia


)


(

 5729 .6  = Sin θ T   Wdp × BF  BU 

Sección Vertical

KOP Sección de Construcción θT Sección Tangente

BHA

Diseño de Sartas de Perforación para pozos Desviados 3.

Peso de la tubería en la sección tangente


]


[

= BF x Cosθ T W dp Ldp +W BHA LBHA

Ejemplo DP – 10 Pozo de Alcance Extendido


Dada la siguiente información para un pozo de Alcance Extendido: KOP = 8000 pies Angulo Final = 80 grados Rev. de 13 3/8” asentado en el tope de la sección tangente a 9,146 pies Tasa de construcción angular = 5 grados /100 pies BHA = 180 pies con peso de 100 lb/pie incluye herramientas (Barrena /Combinaciones / Motor de Fondo / MWD) Profundidad Total del Objetivo TD = 17,000 pies Tubería de perforación = 5”OD, 19.5 lb/pie, NC 50, Grado “S” Diámetro del Agujero = 12 ¼” Peso del lodo en el hoyo = 12.5 lbs/gal, Tipo SOBM La barrena está a 2000 pies por debajo de la zapata del revest. 13 3/8”. Calcular los pesos en lasDPTrespectivas secciones del agujero. Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

Ejemplo DP – 10 Solución: = 9146 + 2000 = 11,146 ft

BF

= 0.809

Wdp

= 22.6 lb/ft

Peso el BHA

= 180 pie x 100 lb/pie x 0.809 x cos 80º = 2,529 klb

Peso de Secc. Tangente = (2000-180)x22.6x0.809 x cos 80 = 5,651 klb Peso de Sección Curva

= ( 5729.6 x sin 80 ) x 22.6x 0.809 = 20,63 klb 5

Peso Secc. Vertical

=

8000 x 22.6x 0.809


= 146,267 klb


Current depth

Otras Cargas Cargas de Impacto

Fs =1500 ×W dp (lbf

)

Doblamiento La fuerza de tensión adicional generada por el doblamiento está dada por:

Fb = 63 ×θ ×W dp × OD (lbf


)


La fuerza de tensión adicional generada por los impactos está dada por:

Otras Cargas

• • • • •

Cargas de Impacto Cargas de doblamiento Cargas de Pandeo o Encombamiento Cargas de Torsión Torsión con Tensión Simultánea



• Colapso bajo Tensión • Estallido • Otras cargas no incluídas aquí

Colapso Biaxial • La carga de colapso es peor cuando se llevan a cabo pruebas en seco en las que la tubería se corre vacía

PNo min al Collapse

4 − 3Z 2 − Z = 2

Load Z= 0.7854(OD 2 − ID 2 ) * YpAverage • Observe que se utiliza el punto de cedencia promedio no el mínimo DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


PBiaxial Collapse

Colapso Biaxial

Grado E X G S DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

YpAvg 85,000 110,000 120,000 145,000


• Para Colapso Nominal • Use D/t y la fórmula correcta de la Spec 7G Apéndice A 3 • Use los resultados que se encuentran en la Tabla 3-6 RP-7G • Para Diámetro Externo y Diámetro Interno, use la Tabla 1 RP-7G • Para Punto de Cedencia Promedio use la Tabla que está en la Sección 12.8 RP 7G

Ejercicio DP-11

• Para una tubería de Perforación de 5”OD x 4.276” ID, Grado E, el punto de cedencia promedio es 85,000 psi



• Para hacer una prueba seca al traslape de un liner a 9,000 pies se corre un empacador en el extremo de una tubería de perforación de 5 pulgadas 19.5 #/ pies, Grado E, clase Premium y se asienta con 50,000 lb de tensió. En el momento de la prueba la tubería de perforación está vacía. El espacio anular está lleno con lodo de 12.0 lbs/gal. ¿Cuál es la carga de colapso en la junta del fondo de la tubería de perforación?

Ejemplo DP – 11. Solución

• El diámetro externo será: 4.276” + 2 x 0.2896” = 4.855”

Load Z= 0.7854(OD 2 − ID 2 ) * Yp Average 50,000 Z= 2 2 0.7854(4.855 − 4.276 ) * 85,000 Z = 0.1417 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• La Tubería Premium tienen todavía el 80% del espesor de pared de la tubería nueva remanente • El espesor será = 0.8 x (5.0” - 4.276”)/2 = 0.2896” • El diámetro interno es 4.276”

Ejemplo DP – 11. Solución PBiaxial Collapse PNo min al Collapse

4 − 3 * 0.14167 − 0.14167 2 2

PBiaxial Collapse PNo min al Collapse

= 0.922

• Colapso Nominal es 7,041 • El colapso Biaxial reducido es 6,489 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


=

4 − 3Z 2 − Z = 2

Ejemplo DP – 11. Solución

• El factor de diseño del colapso especificado por IPM es 1.1-1.15



• La carga de colapso es 9,000 x 0.052 x 12 = 5,616 psi • La carga de diseño es 5,616 x 1.15= 6,458 • El colapso con cambio de calidad de tubería es 6,489, así que estamos bien • El factor de diseño del colapso es 6,489/5,616=1.16

Diseño para el Estallido • Se aplica la formula de Barlows

espesor de pared • Algunos diseños utilizan un factor del 90% en el Yp para asegurar que nunca se caiga en la región de deformación plástica • Los resultados se encuentran en Spec 7G Tabla 3, 5 y 7 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


•

2 * Yp * t PBurst = D Note que no hay tolerancia para variaciones en el

Ejemplo DP – 12. Carga para el Estallido • El peor caso de carga sucede durante las operaciones de prueba de formación (DST), en un pozo para gas. La presión en superficie es la presión de fondo – gradiente de gas sin respaldo.



• En el último ejemplo suponga que estamos realizando una prueba de formación en el pozo a 9,000 pies con presión de fondo de 200 psi menos que la columna de lodo. ¿Cuál es el Factor de Diseño para Estallido en la parte superior de la tubería de perforación Premium Grado E?

Ejemplo DP – 12. Carga para el Estallido • Del último ejemplo: DP de 5” 19.5 # E, Premium

• Presión de Estallido = 8,688 psi • Presión en el Fondo (HP)lodo – 200 = 12 x 0.052 x 9,000 – 200 = 5,416 psi • P. en Superficie = 5,416 – 900 = 4,516 psi • Factor de Diseño = 8,688/4,516 = 1.92 DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


• Diámetro externo = 5”, Espesor de Pared = 0.2896” • Punto de Cedencia = 75,000 lbs

Diseño de Sartas de Perforación Ahora usted debe poder describir: 1. Funciones de la tubería de perforación, los lastra barrena y la selección de la herramienta de fondo.

3. 4. 5. 6.

Tipos de roscas y de acoples. Peso y punto neutral del lastra barrena. Relaciones de los esfuerzo de flexión y de rigidez. Margen de sobre tensión.

7. Cálculos de diseño basados en la profundidad a la que se va a perforar. 8. Conceptos básicos del control direccional usando ensamblajes de fondo rotacionales 9. Funciones de los estabilizadores y de los escariadores de rodillos. DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA


2. Los grados de la tubería de perforación y las propiedades de resistencia.

14 Diseño de Sartas de Perforación y BHA

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