Se tiene una cañería de producción de 7” TRC-95; 35 lb/pie; ID= 6.004” de 0 a 1500 mts., una de 7” N-80; 38 lb/pie; ID=5.992” de 1500 a 3000 mts. Y una de 7” P -110; 35 lb/pie; ID= 6.004” de 3000 a 4500 mts. El
tope del cemento se encuentra a una profundidad de 3000 mts, la tubería se encuentra colgada en el cabezal de 10 ¾” x 7” : para alojar la tubería en las cuñas del cabezal se aplicó una tensión del 70% de su
peso libre, además presenta un traslape de cemento de 100 mts. Con respecto a la cañería intermedia de 10 ¾” N-80; 51 Lb/pie. La última etapa fue perforada con lodo de 1.6 gr/cc utilizando trepano de 8 ¾” y en la etapa de 10 ¾” se utilizó fluido de 1.3 gr/cc. El intervalo a probar se encuentra a una profundidad media
de 4450 mts. Diseñar a cargas máximas un arreglo de producción combinado para diámetros de 2 7/8” y 2 3/8” considerando la mejor opción técnica-económica, considerar 22 00 metros de tubería de 2 7/8”, el arreglo será introducido en seno de agua dulce, la profundidad de anclaje del packer será de 70 mts. Arriba del intervalo a probar. Realizar las gráficas de diseño a la tensión, colapso y reventamiento (Presión interna).
Tubería disponible a considerar: Considerar que un tramo equivale a 12 m.
Tipo de Tubería Tubería de producción de 3 ½” P -105 12.7 #/ft Tubería de producción de 3 ½” N -80 9.2 #/ft Tubería de producción de 3 ½” N -80 12.7 #/ft Tubería de producción de 3 ½” TRC -95 9.2 #/ft Tubería de producción de 3 ½” TRC-95 12.7 #/ft Tubería de producción de 3 ½” P -105 9.2 #/ft Tubería de producción de 2 7/8” N -80 6.4 #/ft Tubería de producción de 2 7/8” N -80 8.6 #/ft Tubería de producción de 2 7/8” TRC -95 6.4 #/ft Tubería de producción de 2 7/8” TRC-95 8.6 #/ft Tubería de producción de 2 7/8” P -110 6.4 #/ft Tubería de producción de 2 3/8” P -110 4.6 #/ft Tubería de producción de 2 3/8” N -80 4.6 #/ft
Tramos 100 200 100 200 200 100 200 200 100 200 200 200 200
Precio por metro de la tubería 9 8 9 10 11 8 3 4 6 7 4 2 1
Solución
Para diseñar el arreglo de producción se tiene que realizar un perfil de temperaturas para determinar la profundidad donde se pueden tener problemas de corrosión por efectos de la temperatura y presencia de gases ácidos (CO2 y H2S). La corrosión puede ser definida como la alteración y degradación de un material por su medio ambiente y los principales agentes que afectan a las tuberías t uberías son gases disueltos ( O 2, CO2 y H2S ), sales disueltas (cloros, carbonatos y sulfatos) y ácidos. La corrosión deteriora el acero, lo cual reduce drásticamente las propiedades mecanicas de la tubería. Por lo tanto, es fundamental detectar ambientes agresivos que propician este fenómeno para seleccionar correctamente el acero a emplear, y asi prevenir el deterioro del tubo, pues si esto ocurre, estaría en riesgo la integridad del pozo. La corrosión puede ocurrir durante la vida productiva del pozo reduciendo el espesor de la tubería, produciendo pérdida de acero en ciertos lugares o picaduras (pitting). Este fenómeno se incrementa conforme aumenta la concentración de agentes corrosivos, tales como: O 2, CO2 y H2S. Presiones Parciales Pparcial = Presión a la profundidad de interés durante la producción del pozo * %mol (CO2 , H2S). Para determinar el nivel de corrosión esperado en el pozo se determina la presión parcial de los gases presentes y se emplea la siguiente tabla.
Ejemplo: P= 1500 PSI (Cabeza de Pozo) % CO2 = 9.641 (Pozo SRW-X5 – YPFB Chaco) Pp CO2 = 1500 * (9.641/100) = 144.615 Psi
De acuerdo al ejemplo: ejemplo: El nivel de corrosión esperado esperado es alto (144.615 PSI > 30 PSI) y el grado de acero recomendado es TRC-95.
Efecto de la temperatura sobre la resistencia del acero y la corrosión
El incremento de temperatura produce una disminución en la resistencia a la cedencia de las tuberías. Otro fenómeno causado por por la temperatura es el efecto efecto de la corrosión. La norma NACE NACE indica que el el H2S incrementa su ataque al acero a temperaturas cercanas a 65 °C. A temperaturas mayores, el efecto es menor debido a que disminuye la solubilidad del acido sulfhídrico en el agua, y con esto la velocidad de reacción generada por el hidrogeno. Sin embargo, experiencias en pozos petroleros han indicado que la corrosión por sulfhídrico ocurre hasta a los 100 °C. El fenómeno por corrosión debido al CO2 tiene un comportamiento similar al del sulfhídrico con relación a la temperatura. El máximo ritmo de corrosión se presenta a temperaturas entre 60 °C y 80°C. Este comportamiento se ilustra en la figura II.56
Es importante considerar estos efectos para hacer una selección adecuada de la tubería de producción a un costo mínimo, pues cuando el ambiente corrosivo no es muy severo, puede ser conveniente colocar tubería especial para corrosión únicamente a partir de la profundidad donde se alcancen los 100 °C a la superficie. Considerando que los mayores efectos de corrosión se darán a 75°C con esta temperatura vamos a determinar la profundidad mínima donde debe colocarse una Tubería de producción resistente a la corrosión. Si tenemos los siguientes datos: Temperatura de superficie = 28°C Gradiente de temperatura estatico = 0.0224 °C/m. Tfondo = Tsuperficie + (Gradiente de temperatura * Profundidad)…… (1)
Tfondo = 28 °C + (0.0224 °C/m * 4450 m) = 127.68 °C Se realiza una gráfica Profundidad vs. Temperatura, y con la temperatura de 75 °C interceptamos el gradiente de temperatura y obtenemos la profundidad hasta donde se va a bajar una tubería resistente a la corrosión.
Perfil de d e Temperatura Temperatura (°C ) 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10
1 20
1 30
1 40
0
1000
) s t m ( 2000
d a d i d n u 3000 f o r P 4000
5000
De acuerdo a grafica la tubería resistente a la corrosión debe colocarse a 2100 m. (Considerando 2200 m.) Método Teórico. Despejando ecuación 1. Profundidad =
– –
Profundidad = = 2098.21 = 2100 m. Considerando las tuberías que son resistentes a la corrosión y el precio de cada una el arreglo es el siguiente: – 2200 m. 0 2200 – 4380 m.
Tubería de Producción 2 7/8” Tubería de Producción 2 3/8”
Resistente a la corrosión Resistente al colapso
Las tuberías seleccionadas de acuerdo a los criterios técnicos económicos serán: La tubería de 2 7/8”tiene que ser resistente a la corrosión y de acuerdo a la tabla II.11 el acero
recomendado es el TRC-95; luego las tuberías disponibles que se tienen de este grado son de : Tipo de Tubería
Tramos 100 200
Tubería de producción de 2 7/8” TRC -95 6.4 #/ft Tubería de producción de 2 7/8” TRC -95 8.6 #/ft
Precio por metro de la tubería 6 7
Si cada tramo equivale a 12 metr os; entonces la tubería 2 7/8” TRC-95 6.4#/ft no cumple con la longitud
requerida (1200 m. < 2100 m.) considerando que era la más económica. Entonces la que tenemos que co nsiderar es la Tubería de producción de 2 7 /8” TRC-95 8.6 #/ft que si cumple con la longitud requerida (2400 m. > 2100 m.) pero es más costosa. Para la selección de la tubería a la profundidad de 2100 – 4380 mts. Tenemos que considerar la tubería que sea resistente al colapso. (P-110, TAC-110, TAC-140). Las tuberías disponibles de 2 3/8” son las siguientes:
Tipo de Tubería Tubería de producción de 2 3/8 ” P-110 4.6 #/ft Tubería de producción de 2 3/8” N -80 4.6 #/ft
Tramos 200 200
Precio por metro de la tubería 2 1
La tubería a considerar es la P-110 por tener mayor resistencia al colapso que la N-80 aunque seas de mayor costo. De tablas: OD (pulg.) 2 3/8” 2 3/8”
Peso (#/pie) 4.6 4.6
ID (pulg.) 1.995 1.995
Grado P-110 N-80
R. Colapso (PSI) 16130 11780
R. Presión Interna (PSI) 15400 11200
Luego se procede a realizar los diseños a la tensión, al colapso y reventamiento mediante el método de cargas máximas para verificar si las tuberías de producción seleccionadas soportan las diferentes condiciones posibles de operación del pozo. DISEÑO A LA TENSION
Consideración de operación.operación.- Tubería colgada en el aire. Las tuberías seleccionadas son: De tabla completamos los siguientes datos:
Longitud (m.)
OD (pulg.)
Peso (#/pie)
ID (pulg.)
Grado
R. Colapso (PSI)
R. Presión Interna (PSI)
R. Tensión (Lbs.)
0-2200 2200-4380
2 7/8” 2 3/8”
8.6 4.6
2.259 1.995
TRC-95 P-110
18170 16130
17810 15400
¿? ¿?
W1
W2
Wtotal = W1 (TRC – 95) + W2 (P – 110) W x= Peso unitario (lbs/pie) * Longitud (pies) Wtotal = [(8.6 lb/pie * 2200 m) + (4.6 lb/pie * (4380-2200) m.)]*3.281 = 94978.388 L bs. Determinar la Resistencia a la tensión de cada tubería: Resistencia a la tensión para la tubería TRC – 95: T = As* Fx Donde: As = Área seccional de la Tubería Fx = Esfuerzo de cedencia de la tubería * 1000
TTRC-95 = *(2.8752 - 2.2592 )* 95000 = 235966. 34 Lbs.
Resistencia a la tensión para la tubería P – 110:
Tp-110 = *(2.3752 - 1.9952 )* 110000 = 143465.54 Lbs.
Estos valores se deben corregir con los respectivos factores de seguridad (1.4, 1.6, y 1.8) 1 .8)
Para la tubería TRC – 95:
Para la tubería P – 110:
Profundidad 0 2200 2200 4380
Tension (Mlbs - 1,8) Tension (Mlbs - 1,6) Tension (Mlbs - 1,4) 131,092 147,479 168,547 131,092 147,479 168,547 79,703 89,666 102,475 79,703 89,666 102,475
Diseño a la Tensión Tensión (MLbs)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
0 500 1000 1500
) m (
d2000 a d i d n u2500 f o r P
3000 3500
Peso de la Tuberia Fs - 1.8 Fs - 1.6
4000 Fs - 1.4 4500
Como margen de seguridad la resistencia r esistencia de la tubería cuando se aplica un factor de 1.8 debe estar arriba arr iba de la carga máxima de la tubería en un >(30-40 % de su peso), esto es: Margen de seguridad = Resistencia de la tubería (1.8) – Peso de la tubería => (30 -40 % del peso de la tubería) MS = 131.092 Mlbs. – 94.978388 Mlbs = 36.1136 Mlbs 94.978388
100%
36.1136
x
X = 38.02 % (Cumple con las condiciones condiciones de operación de diseño diseño a la tensión) DISEÑO AL COLAPSO Consideración de operación. Tubería de producción vacía.
V a c i o
Pc
Las tuberías seleccionadas son: Longitud (m.)
OD (pulg.)
Peso (#/pie)
ID (pulg.)
Grado
R. Colapso (PSI)
R. Presión Interna (PSI)
R. Tensión (Lbs.)
0-2200 2200-4380
2 7/8” 2 3/8”
8.6 4.6
2.259 1.995
TRC-95 P-110
18170 16130
17810 15400
235966.34 143465.54
Determinamos la Presión Hidrostática en el espacio anular: Ph = 0.052 * Densidad del fluido de terminación * altura(profundidad del packer) Ph = 0.052 * 1 gr/cc*8.33*4380m * 3.281 = 6224.847 PSI = Pc - Carga al colapso Pc1 = 0 Psi (Superficie) Pc2 = 6224.847 Psi (Profundidad del packer) - Contrapresión No existe contrapresión porque la tubería está vacía. - Resultante Pcx = Carga al colapso – (Contrapresión = 0) Pcx1 = 0 Psi. Pcx2 = 6224.847 Psi. - Línea de diseño (Factor de seguridad = 1.125) Pcd = Resultante * Fs Pcd1 = 0 * 1.125 = 0 Psi Pcd2 = 6224.847*1.125 = 7002.956 PSI
Diseño al Colapso Presión (PSI)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
22000
0 500 1000 ) . 1500 m (
d2000 a d i d n2500 u f o r P3000
Carga al colapso Linea de diseño
3500 TRC - 95 4000
P-110
4500
Tenemos un margen de seguridad de (16130 psi – 7002.956 Psi = 9127 Psi ) Cumple con el diseño al colapso!!
DISEÑO AL REVENTAMIENTO Consideración de operación. Fracturamiento Hidráulico o Cierre de Pozo.
Pr
Pc
El fracturamiento hidráulico consiste en mezclar químicos especiales e inyectarlos a la zona productora a una presión y caudal suficiente como para abrir y expandir hidráulicamente una fractura. Primeramente se bombea un “colchón” para iniciar una fractura y extender su pr opagación; éste es seguido por una solución gelatinosa mezclada con agente de sostén que continúa la extensión de la fractura y transporta al agente de sostén a través de la misma. Finalmente luego de finalizado el bombeo, el fluido de fractura es retirado del pozo, quedando una fractura empacada empacada altamente conductiva que facilita facilita el flujo de los hidrocarburos hidrocarburos del reservorio al pozo. Las tuberías seleccionadas son: Longitud (m.)
OD (pulg.)
Peso (#/pie)
ID (pulg.)
Grado
R. Colapso (PSI)
R. Presión Interna (PSI)
R. Tensión (Lbs.)
0-2200 2200-4380
2 7/8” 2 3/8”
8.6 4.6
2.259 1.995
TRC-95 P-110
18170 16130
17810 15400
235966.34 143465.54
Determinación de la presión de bomba en superficie ( Sin considerar pérdidas de carga por fricción en la tubería)
-
Presión de fractura = P bomba en superficie + Presión hidrostática
Presión de fractura = Gradiente de fractura de formación * profundidad de la formación productora
-
Presión de fractura (Dato) (Dato) = 801 kg/cm2* 14.22 = 11390.22 PSI
-
Presión hidrostática = 0.052 * 1 gr/cc*8.33*4380 m*3.281 = 6224.847 PSI Presión de bomba en superficie = 11390.22 – 6224.847 = 5165.373 PSI
Determinamos la presión equivalente a la altura del packer:
-
Carga al reventamiento
Pr1 = 5165.373 Psi (Presión de bomba en superficie) Pr2 = 11390.22 Psi (Máxima presión) -
Contrapresión (Espacio Anular)
Pc 1= 0 Psi (en superficie) Pc2 = 6224.847 Psi (En el packer) -
Resultante
Prx = Carga al reventamiento – contrapresión
Prx1 = 5165.373 – 0 = 5165.373 PSI (Superficie) Determinamos la presión equivalente a la altura del packer (Prx2)
Prx2 = 3342.938 PSI -
Linea de diseño (Factor de seguridad = 1.25)
Prd = Prx1 * Fs (1.25)
Prd1 = 5165.373 Psi * 1.25 = 6456.716 PSI
Prd2 = 3342.938 Psi * 1.25 = 4178.672 PSI
Diseño al reventamiento 0
2000
4000
6000
Presion (PSI) 8000 10000 12000
14000
16000
18000
20000
0 500 1000 1500
) . s t m ( 2000 d a d i d n 2500 u f o r P
3000 3500 4000
Contrapresión Resultante Carga al reventamiento Linea de diseño TRC-95
4500
Tenemos un margen de seguridad de (15400 psi – 4178.672 Psi = 11221.328 Psi) Cumple con el diseño al reventamiento!!
