UNIDAD II. DISEÑO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO Son tuberías especiales que se introducen en el agujero perforado y que luego son cementadas para lograr la protección del agujero y permitir posteriormente el flujo de fluidos desde el yacimiento hasta superficie. Se define como tubería de revestimiento o “Casing”, por su nombre en inglés, a la tubería de acero de pared delgada, con una geometría definida por el diámetro y el espesor del cuerpo que la conforma, generalmente sin costuras con longitudes que oscilan entre los 16 a 40 pies. Para fines prácticos se define mediante una geometría homogénea e idealizada. Es decir, un diámetro y espesor nominal constante en toda su longitud.
2.1 Propiedades De Las Tuberías La tubería de revestimiento está sujeta a diferentes cargas durante las operaciones de introducción o corrida, cementación, perforación y producción. Dichas cargas exigen que la tubería cuente con propiedades específicas que permitan conservar sus características principales y cumplan con los requerimientos de diseño. El API ha desarrollado especificaciones para la tubería de revestimiento, aceptadas internacionalmente por la industria petrolera. Entre las especificaciones incluidas para los revestidores y las conexiones están características físicas, propiedades de resistencias a los diferentes esfuerzos y procedimientos de pruebas de control de calidad. En los diseños se deben tomar en cuenta tales especificaciones para minimizar las posibilidades de fallas. Las propiedades más importantes de las tuberías de revestimiento, son los valores promedio de colapso, tensión y presión interna. En la mayoría de los casos los aspectos técnicos y las consideraciones que se tienen en cuenta no difieren demasiado de aquellas usadas para el diseño de un Casing o tubing convencional, pero de igual manera puede variar en alguna propiedad mecánica. Datos como gradientes de poro y de fractura, gradientes de temperatura y litología, son requeridos para el diseño convencional de una sarta y necesarios para saber que propiedades mecánicas debe tener la T.R.
2.1.1 Grado El acero en su estado natural usado para llevar a cabo la manufactura de la tubería de revestimiento no tiene una microestructura definida. Las propiedades mecánicas y físicas del acero pueden ser modificadas considerablemente con la adición de aleaciones y el tratamiento de calor que recibe durante su fabricación, razón por la cual, diferentes grados de tubería de revestimiento pueden ser fabricados con el fin de adaptarse a los diversos escenarios presentados durante la perforación. La calidad de la tubería que se desea seleccionar es normada por el API y se refiere a la composición química del acero, el tratamiento de calor que recibe durante su fabricación, se representa con una letra seguida por un número. La letra simboliza la composición química, garantizando una única designación para cada grado de tubería y la parte numérica representa la resistencia mínima a la cedencia del acero (deformación) expresada en miles de libras por pulgada cuadrada (psi). Por lo tanto, una tubería de revestimiento L-80 tiene un esfuerzo de resistencia de 80000 psi.
H40, J55, K55, M65, N80, L80, C90, C95, T95, P110 y Q125 Adicionalmente muchos grados no API se encuentran disponibles comercialmente y son ampliamente usados en la industria de perforación. Estos grados de aceros son empleados para aplicaciones especiales que requieren alta resistencia a la tensión, resistencia especial al colapso u otras propiedades que pueden hacer el acero más resistente en ambientes con presencia de H 2S.
2.1.2 Esfuerzo de cedencia *El esfuerzo de cedencia es el esfuerzo que produce en un material una deformación específica, permanente y limitadora. La resistencia de la tubería de revestimiento a las fallas por tensión, está expresada en términos de resistencia de la junta (joint strenght). La resistencia a la cedencia del cuerpo del tubo, es la mínima fuerza requerida para causar una deformación permanente del tubo. *Es aquella propiedad del material para soportar la resistencia que opone el material a la deformación ante la exposición de una carga. Se dice que un material alcanza la cedencia cuando experimenta una carga que le provoca una deformación permanente. Antes de esta deformación, al liberar la carga, el material recupera su estado original. Se dice entonces que el material es elástico. El punto a partir del cual el material se fractura, se dice que alcanza su último valor de resistencia a la cedencia. La cedencia se mide en unidades de fuerza por unidad de área (psi), que significa la fuerza aplicada en el área de exposición del material para hacer ceder al mismo. Es decir, aquel esfuerzo aplicado para alcanzar la deformación establecida.
2.1.3 Presión de colapso y presión interna Presión Interna. El promedio de presión interior se calcula como la mínima presión interior necesaria para ocasionar una deformación permanente o ruptura del tubo a causa de la cedencia del acero en ausencia de presión exterior y carga axial de tensión. Normalmente en el fondo del pozo la presión en el exterior de la tubería de revestimiento es mayor o igual que la presión interior. Esta presión se debe a la carga hidrostática o a la presión del agua en los poros de la roca.
Presión Al Colapso. El promedio de presión de colapso (aplastamiento) es la mínima presión requerida para aplastar un tubo en ausencia de presión interior y carga axial. El diseño de la resistencia al aplastamiento está generalmente basado en la carga hidrostática, al momento de correr la tubería de revestimiento dentro del pozo. Al analizar los factores que afectan la resistencia al colapso, se ha encontrado que la resistencia a la tensión del acero es uno de los elementos básicos; al aumentar esta resistencia también aumenta la resistencia al colapso de la tubería. Cuando la tubería de revestimiento se coloca en un pozo, las fuerzas que tienden a aplastarla no sólo se deben a la presión externa sino también al peso de la tubería abajo del punto de diseño. El colapso puede definirse como la fuerza mecánica capaz de deformar un tubo por efecto resultante de presiones externas. La resistencia de la tubería de revestimiento bajo la acción de presiones externas, depende en general de una serie de factores. Los factores considerados de mayor importancia al determinar la resistencia critica al colapso son: longitud, diámetro, espesor de pared y propiedades físicas del material. Es común atribuir el fenómeno de colapso a una supuesta calidad deficiente de las tuberías. Sin embargo, estudios señalan un conjunto de factores causales, tales como:
Desgaste de la tubería de revestimiento,
Desgaste por pandeo helicoidal. Incremento de presión exterior por temperatura. Cargas geo-estáticas por formaciones plásticas y actividad tectónica.
2.1.4 Tensión Las cargas axiales por tensión son producidas por fuerzas que actúan a lo largo del eje longitudinal de la tubería de revestimiento, principalmente generadas por su propio peso. Bajo la acción de carga por tensión la tubería puede sufrir tres tipos de deformación: elástico, elástico-plástico y plástico. Dentro del rango de deformación elástica, las propiedades metalúrgicas del acero del cuerpo del tubo, no sufren un daño permanente y regresan a sus condiciones iniciales, una vez las cargas dejan de actuar, más allá del límite elástico, el cuerpo del tubo sufre una deformación permanente. El valor de la fuerza de tensión (elongación) representa la mínima resistencia a la cedencia del cuerpo de la tubería para que exceda su límite a la deformación. Cualquier tramo de tubería de revestimiento en la columna debe soportar el peso de toda la tubería suspendida debajo de ella. En la tubería de revestimiento sin costura, la fuerza de unión en los acoplamientos es el lugar más fuerte siendo la fuerza de unión la que se usa para diseñar la resistencia a la tensión y la parte más débil seria la parte media de la tubería. La tensión se puede determinar a partir de la cedencia del material y el área de la sección transversal.
2.2 Criterios de diseño de tubería De acuerdo con las funciones de cada una de las tuberías de revestimiento, se clasifican como: tubería conductora, tubería superficial, tubería intermedia, tubería de explotación y tubería corta. Un diseño de tubería de revestimiento es exitoso, cuando ofrece resistencia mecánica y funcionabilidad suficiente para realizar maniobras de completamiento, profundización y workover (Reparación de pozo) durante la vida útil del pozo a un costo optimizado. El diseño de la tubería de revestimiento para pozos, consta de dos etapas principales: 1. La primera etapa se lleva a cabo durante el diseño preliminar del pozo e involucra la selección del diseño mecánico del pozo y la determinación de la profundidad de asentamiento de la tubería de revestimiento. 2. La segunda etapa se lleva a cabo durante el diseño detallado del pozo e incluye la determinación de las cargas a las cuales estará expuesta la tubería de revestimiento durante la vida del pozo y la selección de tuberías con las propiedades físicas y mecánicas apropiadas para soportar las cargas calculadas.
Diseño Preliminar La selección inicial de la profundidad de asentamiento de las tuberías de revestimiento está basada en el cálculo de los valores de los gradientes de presión de formación o poro y los gradientes de fractura. Por tal razón el diseñador debe asegurar, que toda la información existente sea considerada y evaluada durante la estimación de dichos valores.
Presión Hidrostática Presión de Sobrecarga (gradiente de sobrecarga) (Densidad Total) Presión de Formación Presión de Fractura (Evaluación de Gradiente de Fractura) Presiones Anormales de Pozos Formaciones Subnormales Formaciones Anormales o Sobrepresionadas
Determinación de la profundidad de asentamiento de la tubería de revestimiento.
Diseño Detallado La etapa de diseño detallado, es aquella en la cual se determinan las cargas a la que estará expuesta cada sarta de tubería de revestimiento durante la vida del pozo y llevar a cabo la selección de tuberías con propiedades mecánicas y físicas que pueden soportar las cargas pronosticadas.
Diseñar los Tipos de Cargas Factores de Diseño de Seguridad Diseño para Colapso Diseño Para Estallido (Presión Interna) Diseño Por Tensión
2.2.1 Diseño Uniaxial o Monoaxial En este diseño solo se toma en cuenta la acción de una fuerza, es decir la falla del material ocurre bajo la acción de un esfuerzo actuando en un solo plano del material. No toma en cuenta la acción de otras fuerzas actuantes en el cuerpo del material
2.2.2 Diseño biaxial En las condiciones reales de operación, cada sección de tubería de revestimiento está sujeta a las acciones combinadas de presiones externas e internas y cargas axiales debido a su propio peso o al peso de las secciones inferiores de diferentes tuberías, Así como el efecto de colapso en la tubería representa una adición de tensión axial, tiene también el mismo efecto como una reducción en la resistencia a la cedencia del material. Los esfuerzos biaxiales se definen como el cambio en el comportamiento de sus propiedades mecánicas que sufren las tuberías cuando son sometidos a las combinaciones de esfuerzos. Durante las operaciones que se realizan con las tuberías durante la introducción, cementación de la tubería y durante la vida productiva del pozo, las tuberías se encuentran sujetas a diferentes cargas combinadas. Cuando la tubería se encuentra a tensión la capacidad mecánica de la tubería de revestimiento a la presión interna se incrementa, mientras que al colapso disminuye. Compresión Cuando la tubería se encuentra a compresión la capacidad mecánica de la tubería de revestimiento al colapso se incrementa, mientras que la presión interna disminuye.
2.2.3 Introducción Al Criterio Triaxial Las cargas de colapso, estallido y tensión, en la mayoría de los cálculos asumen que los esfuerzos se encuentran en una sola dirección simple o uniaxial. En la práctica, las cargas de servicios generan esfuerzos triaxiales. Los esfuerzos principales para la tubería de revestimiento son: Axial Radial Cortante
La teoría recomendada para calcular el esfuerzo triaxial es conocida como la teoría de Von Mises, esta teoría consiste en definir un esfuerzo equivalente y relacionar este esfuerzo al mínimo especificado de resistencia de esfuerzo para cada tubería de revestimiento. El esfuerzo triaxial, se determina utilizando un software especializado para el diseño de la tubería de revestimiento. El diseño triaxial debe ser realizado cuando cualquiera de las siguientes condiciones se presente:
Presión de poro esperada es mayor a 12.000 psi. Temperatura mayor de 250°F Presencia de H2S OD/t menor de 15
2.2.4 Diseño De Tubería Conductora Según el manual de Diseño de Revestidores P.D.V.S.A. (1998) el revestidor es una tubería especial que se introduce en el hoyo perforado y luego se cementa para lograr la protección de éste y permitir posteriormente el flujo de fluidos desde el yacimiento hasta la superficie. Entre las funciones más importantes de la tubería de revestimiento están: Evitar derrumbes en el pozo durante la perforación, evitar contaminaciones de aguas superficiales, permitir un mejor control de las presiones de formación, al cementarlo se puede aislar la comunicación de las formaciones de interés, sirve como punto de apoyo del equipo de trabajo y permite facilidades de producción.
Tubería conductora: Es un tubo guía de diámetro grande (16” – 30”) que se hinca hidráulicamente con un martillo hidráulico a profundidades entre 90’ y 500’. Entre las funciones específicas de este tipo de revestidor se tiene: Reduce al mínimo las pérdidas de circulación a poca profundidad, conducto por donde el lodo regresa a la superficie al comienzo de la perforación, minimiza la erosión de sedimentos superficiales debajo del taladro, ejerce protección anticorrosiva al resto de a sarta de revestimiento, soporta cargasen el cabezal del pozo, permite la instalación de un sistema desviador de flujo (“Diverter”) y de un impide reventón en el anular.
Funciones
Es una tubería que va desde 50 a 150 m en tierra y de 150 a 500 m en el mar. Es común su uso en terrenos suaves pantanos o lechos marinos. Se pilotea. Evitar los derrumbes alrededor del equipo de perforación. Permitir el retorno del fluido. Soportar el cabezal del pozo o en él se instala el sistema de desviador de flujo. Las tuberías se utilizan con extremos lisos para soldarse o con conexiones rápidas.
2.2.5 Diseño De Tubería Intermedia Tubería de revestimiento intermedia: Tubería especial utilizada para proteger las formaciones de altos pesos de lodos y evitar contaminaciones del fluido de perforacióncuando existen zonas presurizadas más profundas. Entre sus funciones tenemos:Proporciona al hoyo integridad durante las operaciones de perforación, permite control de pozo si se encuentran zonas de presiones anormales y ocurre una arremetida, permite elcontrol del pozo si se generan presiones de succión (suabeo) durante un viaje de tubería,aísla formaciones con problemas (Lutitas inestables, flujos de agua salada o formacionesque contaminan el lodo de perforación) y permite bajar la densidad del lodo para perforar zonas de presiones normales que se encuentran debajo de zonas presurizadas.
presion Intera
Colapso
Se considera un brote de gas metano; por lo que la tubería contendrá en su interior fluido de perforación y gas. Tener cuidado de no sobrepasar la presión de fractura en la zapata (durante la circulación del brote). El respaldo se considera la presión de formación del área. El efecto de cemento despreciable. La carga es el fluido de perforación cuando se perforó esa etapa. Se considera una pérdida de circulación cuando se está perforando a la profundidad de la siguiente etapa, quedando el nivel a una altura equivalente a la presión de formación normal de la zona. El efecto de cemento despreciable.
2.2.6 Diseño De Tubería De Explotación Observaciones a considerar.
La tubería de explotación deberá ser diseñada a su máximo colapso, debido a que, en operaciones de terminación del pozo, porque pueden presentarse eventos que causan una evacuación total dentro del pozo. La tubería de explotación debe de ser diseñada a su máxima presión interna debido a que se considera un manejo de altas presiones por la inyección durante las estimulaciones o fracturamiento.
Presión Interna.
Se considera que se presenta una fuga de presión de la tubería de producción a la tubería de revestimiento cerca de la superficie. La presión será igual a la presión de formación. Se considera gas por la tubería de producción. Se considera el fluido por el exterior, que sufre una degradación.
Colapso
La tubería de explotación se considera completamente vacía. Se considera una fuga del fluido empacante. Se considera por el exterior de la tubería la densidad del fluido de perforación.
