Colapso en tuberías

Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción

David Hernández Morales Servicios Técnicos Petroleros 22.06.10

Contenido ü Introducción ü Conceptos Generales ü Tipos de Colapso ü Factores Causales (casos de estudio) ü Pruebas de Laboratorio ü Conclusiones

Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Introducción General Los colapsos en tuberías de revestimiento y de producción pueden derivar en la pérdida de un pozo. Su estudio ha sido de gran interés para la industria petrolera. Actualmente se cuenta con tecnologías y sistemas que permiten identificar los factores causales más atribuibles a este fenómeno, con la finalidad de desarrollar medidas preventivas que ahorren importantes recursos económicos. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Conceptos generales Definición El colapso puede definirse como la: Fuerza mecánica capaz de deformar un tubo por el efecto resultante de las presiones externas.


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Conceptos generales Esfuerzos El colapso es un fenómeno complejo y un gran número de factores y parámetros influyen en su efecto.

ro

σr

r ri

Pi

σt

Pe

La teoría clásica de la elasticidad nos permite 2 2 2 2 2 2 P iri ro − r + P ero r − ri determinar los principales σ r = 2 2 2 r r o − ri esfuerzos radiales y tangenciales que actúan Piri 2 ro 2 + r 2 − Pero 2 ri 2 + r 2 σt = sobre la tubería. r 2 ro 2 − ri 2

(

(


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(

(

)

)

)

(

)

(

)

)

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Conceptos generales 15


14 13

Presión de colapso (1,000 psi)

Gráficas y ecuaciones El API 5C3 presenta cuatro fórmulas las cuales permiten predecir el valor mínimo de resistencia al colapso del material, de acuerdo con el tipo de falla que puede ser: elástico, transición, plástico y de cedencia.

Colapso plástico promedio

12 11 10 9

Inicio de los modos de colapso elástico-plástico

8

Colapso plástico mínimo

7 6

Colapso elástico promedio

5

Colapsos plástico y elástico mínimos

4 3

Colapso elástico mínimo

2

Colapso de transición

1 0 10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Relación diámetro/espesor TenarisTamsa

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Conceptos generales Colapso Elástico

Colapso de Transición

    2E  1  Pc = 2 2 1 − ν  D  D       − 1   t   t   

   F  Pc = σ y  − G  D      t  

Colapso Plástico

Colapso de Cedencia  D      − 1  t   Pc = 2σ y 2   D    t    

   A  Pc = σ y  − B − C  D      t   Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales

Es común atribuir el fenómeno del colapso a una supuesta calidad deficiente de las tuberías. Sin embargo, estudios señalan un conjunto de factores causales, tales como: üDesgaste de la tubería de revestimiento. üDesgaste por pandeo helicoidal. üIncremento de presión exterior por temperatura. üDepresionamientos inadecuados. üCargas geostáticas por formaciones plásticas y actividad tectónica. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Desgaste de la tubería de revestimiento Este factor está asociado a la rotación de las juntas de la sarta de perforación y a los viajes que se efectúan. La magnitud del desgaste en la tubería de revestimiento esta relacionada por: üMucho tiempo para perforar. üAltas severidades de la pata de perro. üProblemas de pegadura. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Desgaste de la tubería de revestimiento La reducción del espesor de la pared de la tubería resulta en una reducción de las propiedades mecánicas del tubo. Desgastes severos en tuberías de revestimiento han causado pérdidas de tiempo, operaciones fallidas y pérdida de pozos, en la cual existen muchos casos.


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Factores causales Fuerza de Tensión

Desgaste. Ej: Pozo Zaap 7D Durante la perforación de la etapa de 14 ¾” se presentó una pegadura, trabajando sarta con tensión, torsión y vibración; generándose una alta fuerza lateral sobre el lado alto de la TR de 16”, precisamente donde se ubicaba una alta severidad.

20” 1000 m

Fuerza Lateral

Alta severidad

Fuerza torsional 16” 2481 m

Fuerza de compresión

Pegadura 2625 m 2871 m


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Factores causales

Lodo 1.25 gr/cc

Evaluación del desgaste del orden del 4%, lo que generó una reducción en su resistencia al colapso de 1,480 psi a 1,300 psi

(m)

1991 m Bache 1.00 gr/cc 2144 m

Anomalía 2065 y 2144 m

Sep.145 gr/cc

2207 m

máximo colapso 1,300 psi

resistencia nominal del tubo 1,480 psi

p r o f u n d i d a d

2384 m 2481 m - PD 2429 m - PV

TR - 16”

Resultante de la presión ejercida sobre la TR de 16” (psi)

cemento agujero 14 3/4” Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

2868 m - PD 2758 m - PV TenarisTamsa

Desgaste de la TR

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Factores causales TR de 11 3/4”

Tensión Anomalía a 921 m Compresión p r o f u n d i d a d (m)

Retenedor de cemento B.L. de 9 5/8”

0

5 10 carga axial (toneladas)

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Molió 2.40 m en 97:30 horas con lodo de 1.80 gr/cc, posteriormente cambio a bajo balance Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Desgaste de la tubería de revestimiento Otros casos de desgaste son: Muspac 51, Cantarell 4D (México), CR-13 (Venezuela), entre otros. Por lo que es conveniente tomar en consideración el factor desgaste en el diseño de las tuberías de revestimiento, cuando se tenga indicios de esta posibilidad. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Desgaste por pandeo helicoidal Cuando las tuberías de revestimiento no son cementadas hasta la superficie, debe tomarse en cuenta la tensión requerida para asentarla adecuadamente en las cuñas del cabezal. El valor de esta tensión está relacionado con las propiedades mecánicas de la tubería, de los cambios en la densidad y de temperatura de la siguiente etapa de perforación. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Desgaste por pandeo helicoidal En la operación de anclaje deben conocerse el valor de la cima de cemento, determinar la tensión adicional y elongación, en función de los factores que provocan el pandeo helicoidal, los cuales son: üCambio en densidad de fluido interno-externo. üCambio de presiones en la TR interno-externo. üCambio de temperatura.


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Factores causales Desgaste por pandeo helicoidal WnL − ( Aeδcg − Aiδig )L + (1 − 2v )( Ae∆Pes − Ai∆Pis ) − EλAs∆t + Fs X= Wn − ( Aeδeg − Aiδig ) − (1 − v )( Ae∆δe − Ai∆δi ) − ( Aeδc − δe ) X = Altura del cemento (pies) L = Profundidad del pozo (pies) Wu = Peso Unitario de la tubería (lb/pie) Ae = Área exterior de la tubería (pg2) Ai = Área interior de la tubería (pg2) As = Área del acero de la tubería (pg2) = Ae-Ai δc = Gradiente del fluido por exterior de la tubería (psi/pie). (Cemento de alta densidad + cemento de baja densidad) δi = Gradiente del fluido por el interior de la tubería (psi/pie) ν = Relación de poisson = 0.3 (adimensional) E = Módulo de elasticidad (psi). Para el acero E = 30X106 psi e = Elongación de la tubería (pg) λ = Coeficiente de expansión termica del acero 6.9X10-6 (pg/pg-°F) ∆T = Varaciación de la temperatura desde la cima del cemento a la superficie (°F) ∆Pes = Cambio de la presión superficial en el exterior (psi) ∆Pis = Cambio de la presión superficial en el interior (psi) Fs = Fuerza de tensión durante el anclaje de la tubería para evitar el pandeo (lb-f) ∆δe = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por fuera de la tubería (psi/pie) Αδi = Cambio del gradiente de la densidad en la próxima etapa por entro de la tubería (psi/pie)


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Factores causales Desgaste por pandeo helicoidal Para evitar problemas por pandeo helicoidal, una recomendación práctica es tensionar el 80% del peso de la tubería que se encuentre libre, es decir de la cima de cemento hacía la superficie.

Tensión del 80% del peso TR libre

Cima de cemento 13 3/8”

9 5/8” Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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3000 m

4800 m David Hernández M

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Factores causales Incremento de presión externa por temperatura Cuando la cementación de la tubería de revestimiento no alcanza la superficie, el fluido de perforación que permanece en la parte exterior, por el paso del tiempo sufre una degradación física de sus fases, separando sólidos de líquidos.

50 m

30”

Vapor Aceite 20”

1000 m

Agua 13 3/8”

3100 m

Sólidos Cemento 9 5/8”

5300 m

7” 5” Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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5500 m 5700 m David Hernández M

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Factores causales Incremento de presión externa por temperatura El agua, puede ser sometida a una temperatura que pueda alcanzar valores por arriba de su punto de ebullición, de tal manera que comienza a evaporarse, lo que puede generar un incremento en la presión por el espacio anular, si esta no es desfogada.

50 m

30”

Vapor Aceite 20”

1000 m

Agua 13 3/8”

3100 m

Sólidos Cemento 9 5/8”

5300 m

7” 5”


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5500 m 5700 m David Hernández M

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Factores causales 30”

50 m

20”

1000 m

Vapor

Incremento de presión externa por temperatura Cuando el pozo está fluyendo, los hidrocarburos ascienden a la temperatura del yacimiento, la cual se puede presentarse una transferencia de calor a través de la tubería de producción hacia el fluido empacante, el cual, en algunas ocasiones puede alcanzar su punto de ebullición generando vapor. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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13 3/8”

3100 m

Fluido empacante

9 5/8” 7”

5300 m 5500 m

5700 m 5” Temperatura del yacimiento David Hernández M

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Factores causales 30”

50 m

20”

1000 m

Vapor

Incremento de presión externa por temperatura Ahora bien un incremento de presión en el espacio anular, puede alcanzar valores elevados que causando el colapsamiento de la tubería.

13 3/8”

3100 m

Fluido empacante

9 5/8” 7”

5300 m 5500 m

5700 m 5” Temperatura del yacimiento Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Incremento de presión externa por temperatura. Ejemplo


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Factores causales Depresionamientos inadecuados Este fenómeno se presenta en las inducciones de pozo, cuando el espacio anular se encuentra con fluido empacante y por el interior de la tubería se maneja un gas a presión. El fenómeno se vuele crítico especialmente cuando no se manifiestan los hidrocarburos o agua salada, quedando la tubería completamente vacía y sometida a una máxima carga por el exterior (efecto succión). Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Factores causales Depresionamientos inadecuados Esto se conjuga con los depresionamientos inadecuados, que generan los denominados “golpes de ariete”, incrementando la fuerza exterior y por ende, el colapso.


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Factores causales 50 m

30”

Depresionamientos inadecuados Un ejemplo fue en el pozo Gabanudo 1 que durante el manejo de presiones en superficie, el espacio anular fue abierto inadecuadamente, causando un golpe de ariete, el cual fue trasmitido hasta el empacador y al último tramo de tubería de producción, sobrepasando la resistencia nominal de 12,080 psi, provocando así su colapso. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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20”

1005 m

1953 m

13 3/8”

Golpe de ariete B.L. 4977 m

9 7/8”

5180 m

7” 5”

5780 m Intervalo 5935 -5915 m 6390 m David Hernández M

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30”

Depresionamientos inadecuados Un golpe de ariete se genera cuando se abre y se cierra el estrangulador sin tener un control. Se debe de considerar un tiempo de 3 segundos por cada 1000 m de profundidad para esperar la reacción de la presión en el manómetro.

20”

1005 m

1953 m

13 3/8”

Golpe de ariete B.L. 4977 m

9 7/8”

5180 m

7” 5” Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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5780 m Intervalo 5935 -5915 m 6390 m David Hernández M

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Factores causales Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica Durante la perforación se atraviesan formaciones tales como lutitas, domos arcillosos y salinos, etc., cuyos comportamientos químico-mecánicos son francamente plásticos (donde el material se extruye y fluye hacia el pozo), y ocasionan que la carga geostática se transmita radialmente hacia el pozo, lo cual puede propiciar el colapso de la tubería de revestimiento.


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30”

Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica Al estar perforando la última etapa de perforación con barrena de 5 7/8” y fluido de perforación de 1.75 gr/cc, se presentó la influencia de una carga geostática de sal en el intervalo de 5,301-5,419 m. Este intervalo había sido cubierto anteriormente con una tubería de revestimiento de 7". Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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20”

1005 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

13 3/8”

2996 m

Sal 4302 - 4590 m

9 5/8”

5248 m Sal 5301 - 5419 m

7”

5548 m

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30”

Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica Sin embargo, la sal generaba una deformación sobre la tubería, tratando de colapsarla.

20”

1005 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

13 3/8”

2996 m

Sal 4302 - 4590 m

9 5/8”

5248 m Sal 5301 - 5419 m

7”


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5548 m

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30


30”

Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica El efecto fue cuantificado en cerca de 30,000 psi al colapso. Para evitar esta deformación fue necesario incrementar la densidad del fluido hasta 2.03 gr/cc e introducir una tubería de revestimiento de contingencia de 5”.

20”

1005 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

13 3/8”

2996 m

Sal 4302 - 4590 m

9 5/8”

5248 m Sal 5301 - 5419 m

7”

5548 m

5” Agujero 4 1/8” 5762 m


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5694 m

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30”

Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica La zona de influencia de la sal ahora quedo cubierta por dos tuberías de revestimiento una de 7” y de 5”, terminando finalmente el pozo con agujero reducido de 4 1/8”.

20”

1005 m

B.L. 9 5/8” 2832 m

13 3/8”

2996 m

Sal 4302 - 4590 m

9 5/8”

5248 m Sal 5301 - 5419 m

7”

5548 m

5” Agujero 4 1/8” 5762 m


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5694 m

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Factores causales Cargas geostáticas por flujo de formaciones pláticas y actividad tectónica

30”

147.50 m

20”

551 m

13 3/8”

1788 m

B.L. 7 - 2845 m

2960 m SAL

B.L. 5” - 3492 m 7” a 3936 m

3655 m 9 5/8”-9 7/8”

3956 m 5”


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4260 m

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Factores causales – Mal Diseño Profundidad (m) 30”

50 m

20”

905 m

13 3/8”

2404 m

Resistencia de la tubería 7 5/8” TAC-140 39 lb/pie = 15,250 psi

BL 7 5/8” – 4000 m 9 7/8”

4212 m

Intersección 5077 m. Extender el liner de 5 ½”

BL 5 ½” – 5697 m

7 5/8” 5 ½”

5759 m

Anomalía a 5535 m

Diseño = 17,296 psi (factor = 1.125) Carga = 15,374 psi 5,000

5961 m

10,000

15,000

20,000

Presión (psi)


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Factores causales – Mal Diseño Profundid ad

20”

1,005 m

Resistencia al colapso 9 5/8” TRC-95 = 7,340 psi

Resultante

1,800 m

2957 m

13 3/8”

2,987 m

Intercepción de la carga con la capacidad mecánica de la tubería se ubicó por cálculo a 2,800 m. Resistencia al colapso 9 5/8” P-110 = 7,950 psi

δ = 2.02 gr/cm3

4,801 m

9 5/8” B.L.5046 m

13,770 psi 7” 5”

5,295 m

Nota: Resistencia del la tubería 7” TAC-140 de 35 lb/pie - 17,380 psi

5,874 m


5,000

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10,000

15,000

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35

16”

13 3/8”

d = 1.42 gr/cc

Factores causales – Mal Diseño Carga y Resultante

530 m

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” TRC-95 60 lb/pie = 3,440 psi

916 m

TXC 1800 m

La intercepción de la carga con la capacidad mecánica de la tubería se ubicó por cálculo a 1,800 m.

B.L. 9 5/8”

3070 m

11 ¾”

3275 m

Resistencia al colapso de la tubería 11 ¾” P-110 60 lb/pie = 3,610 psi

B.L. de 9 5/8”

6,600 psi 2,000

4,000

6,000

Presión (psi) 9 5/8”

3920 m


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Pruebas de laboratorio Descripción del equipo En el centro de Investigación de la Compañía Tenaris Tamsa, se cuenta con dos simuladores para pruebas de colapso en tiempo real.


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Pruebas de laboratorio Descripción del equipo La muestra es colocada dentro de la cámara. Se incrementa la presión por el exterior con agua hasta alcanzar el colapso.


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Pruebas de laboratorio 1a. PRUEBA TR 9 5/8” TAC-110, 53.5 lb/pie Presión de colapso real: 11,779 psi Presión de colapso de fábrica: 10,520 psi

2a. PRUEBA TR 9 5/8” TAC-140, 53.5 lb/pie Presión de colapso real: 11,910 psi Presión de colapso de fábrica: 11,700 psi 16000

12000

14000 P r e s i ó n (psi)

10000 P 12000 r e 10000 s i 8000 ó n 6000 (psi) 4000

8000 6000 4000

2000 2000 0

0 0

20 40 60 Tiempo de prueba (seg)

80


100

120

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0

10

20

30 40 Tiempo de prueba (seg)

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50

39

Pruebas de laboratorio 3a. PRUEBA TR 7” TAC 110, 35 lb/pie Presión de colapso real: 15,285 psi Presión de colapso de fábrica: 15,230 psi


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4a. PRUEBA TR 7” TAC-140, 38 lb/pie Presión de colapso real: 21,997 psi Presión de colapso de fábrica: 19,640 psi

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Pruebas de laboratorio 5a. PRUEBA Paquete de TR 7” TAC-110, 35 lb/pie dentro de TR 9 5/8” TAC-110, 53.5 lb/pie, bien cementado. Se alcanzó una presión de 18,604 psi, sin colapsarse.

20000 18000 16000 14000 12000 Presión (psi)

10000 8000 6000 4000 2000 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Tiempo de prueba (seg)


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Pruebas de laboratorio

6a. PRUEBA TR 9 5/8” L-80, 47 lb/pie Presión de colapso real: 7,653 psi Presión de colapso de fábrica: 4,760 psi


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7a. PRUEBA TR 7” L-80, 32 lb/pie Presión de colapso real: 4,858 psi Presión de colapso de fábrica: 3,830 psi

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La octava prueba consistió en acoplar el tubo de 7” dentro del de 9 5/8” mediante calzas de madera, simulando la ausencia de cemento entre ambas tuberías.


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Una vez realizado el acoplamiento, se procedió a instalar el paquete dentro del tanque de la máquina de prueba.


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Se ajustaron las calzas que separan ambos tubos, una vez que el conjunto quedó instalado en el tanque de la máquina de prueba.


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En el momento del colapso del tubo de 9 5/8 a los 7,511 psi, esta se impacto contra la de 7” con fuerza suficiente para deformarla.


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La deformación ocasionada por el colapso en el tubo de 9 5/8”, impidió que se pudiera substraer el tubo de 7”.


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Conclusiones ü El conjunto de resultados señalan que la calidad de las tuberías no es un factor que contribuya sistemáticamente al problema de los colapsos. ü Como lo han señalado otros autores, este fenómeno está más relacionado con: desgaste de tuberías, pandeo helicoidal, incrementos de presión exterior por temperatura, depresionamientos inadecuados, cargas geostáticas por flujo de formaciones plásticas y actividad tectónica. Investigación del fenómeno del colapso en tuberías de revestimiento y producción.

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Conclusiones ü Conviene enfatizar la importancia de seguir los procedimientos operativos adecuados clave de perforación a fin de minimizar los factores causales del colapso. ü La prueba con el arreglo de tuberías de 9 5/8" y 7" cementadas, indica que una buena cementación de tuberías permite incrementar su resistencia al colapso.


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