ESFUERZOS ESFUERZOS SOBRE LA SARTA DE PERFORACIÓN PERFORACIÓN La sarta de perforación, durante las operaciones de perforación está sometida generalmente a los siguientes esfuerzos: a) Esfuerzos axiales o Esfuerzos de tensión/compresión. Estos esfuerzos se generan tanto en condiciones estáticas o dinámicas de la herramienta de perforación, donde el esfuerzo máximo de tensión se encuentra en la parte superior de la sarta y el esfuerzo máximo de compresión se encuentra en la parte inferior de la sarta. b) Esfuerzos tangenciales. Se deben al esfuerzo de torsión o torque al que está sometida la sarta de perforación durante la perforación del pozo, por lo que solo se generan en condiciones dinámicas de operación de la herramienta. c) Esfuerzos laterales. Estos esfuerzos se producen debido a la geometría irregular del pozo durante la rotación de la sarta de perforación, la cual golpea de un lado a otro debido a la desviación y geometría del pozo. d) Esfuerzo de Reventamiento. Estos esfuerzos se generan en algunas operaciones especiales, en las cuales la presión interna (Dentro de la tubería) puede sobrepasar la resistencia del acero (En deficiencia de contrapresión externa), por lo cual la tubería de perforación puede fallar reventándose. e) Esfuerzo de colapso. Este esfuerzo se genera cuando una presión externa sobrepasa la resistencia del acero (En deficiencia de contrapresión interna), causando el aplastamiento de la tubería. A los esfuerzos axiales, de reventamiento y de colapso, se los considera factores de diseño, ya que son los que normalmente se consideran en el diseño de la sarta de perforación, diseño de cañerías, diseño de tubería de producción, etc. Aunque en este apartado no se realizará un diseño de la sarta de perforación, sin embargo se realizará un análisis de las cargas de tensión/compresión a la que está sometida la sarta de perforación ya sea en condiciones estáticas o dinámicas.
DETERMINACION DE ESFUERZOS DE TENSION EN LA SARTA DE PERFORACION Para la determinación del esfuerzo de tensión/compresión a la que está sometida cualquier parte de la sarta de perforación se debe recurrir al método de balance de fuerzas sobre toda la sarta. En este caso se consideran solo las cargas (peso) y fuerzas por debajo del punto en consideración.
Una forma de visualizar gráficamente los esfuerzos de tensión/compresión a los que está sometida la sarta de perforación, es construyendo el Diagrama de esfuerzos de Tensión a lo largo de la sarta, tomando como puntos de referencia los puntos de transición o de cambio de diámetro (Puntos críticos de esfuerzos) de la sarta. Para la determinación de los puntos críticos del Diagrama de esfuerzos a la Tensión (Puntos principales) se debe considerar: a) Un punto en la parte superior de la sarta. b) Un punto inmediatamente por encima de la zona de cambio de diámetro diámetro y otro punto inmediatamente por debajo de la misma zona de cambio de diámetro, y así sucesivamente. c) Un punto en la parte inferior de la sarta. Para fines prácticos, para los dos puntos en la zona de transición o zona de cambio de diámetro (Inciso b), se considera la misma profundidad. Para la determinación de los esfuerzos de tensión en cada uno de los puntos elegidos, se deben considerar los pesos y las fuerzas que intervienen por debajo del punto en análisis. Por ejemplo para la siguiente sarta totalmente suspendida en un fluido:
Datos de la sarta:
Longitud(m) Ldp: Lbp: Lpm:
Peso/u (lb/pie)
1200 Wdp: 36,5854 Wbp: 250 Wpm:
16,6 43,3 120
Diam (Pulg) ODdp:
4,5
IDdp: ODbp:
3,826 5
IDbp:
3
ODpm: IDpm:
7 2
Otros datos Dens.Lodo: 10
LPG
WOB:
lbs
0
WOB : Peso sobre el trépano. En este caso se considera 0 porque la sarta no se encuentra apoyada en el fondo. Determinando las áreas en los puntos de transición, Figura a): 2
2
2
2
A1 = 3.1416 (ODbp -ODdp )/4 = 3.1416 (5 -4.5 )/4 = 3.73065 pulg2. 2
2
2
2
A2 = 3.1416 (IDdp -IDbp )/4 = 3.1416 (3.826 -3 )/4 = 4.4283 pulg2. 2
2
2
2
A3 = 3.1416 (ODpm -ODbp )/4 = 3.1416 (7 -5 )/4 = 18.8496 pulg2. 2
2
2
2
A4 = 3.1416 (IDbp -IDpm )/4 = 3.1416 (3 -2 )/4 = 3.927 pulg2. 2
2
2
2
A5 = 3.1416 (ODpm -IDpm )/4 = 3.1416 (7 -2 )/4 = 35.343 pulg2. Determinando las presiones ejercidas por el fluido en cada área de estudio, fig.a), mediante la relación general para el cálculo de de la presión hidrostática: P = 0.05 0.052* 2* *H Se tiene: P1 = 0.052*10*Hdp = 0.052*10*1200*3.281 = 2047.34 psi. Si:
Hdp=Ldp=1200 m.
P2 = P1 = 2047.34 Por que se aplican a la misma profundidad. P3 = 0.052*10*Hbp = 0.052*10*(1200+36.5854)*3.281 = 2109.76 psi. Se consideró: Hbp=Ldp+Lbp P4 = P3 = 2109.76. Por que se aplican a la misma profundidad. P5 = 0.052*10*Hpm = 0.052*10*(1200+36.5854+250)*3.281 = 2450.24 psi. Se consideró:
Hpm=Ldp+Lbp+Lpm
Determinando las fuerzas aplicadas en cada área de estudio mediante la relación F=P*A: F1 = P1*A1 = 2047.34*3.73065 = 7637.906 lb. Repetimos los cálculos para las otras fuerzas y obtenemos la última columna de la tabla siguiente:
Área (Pulg2)
P (Lb/pulg2)
Fuerzas (Lbs)
A1:
3,73064128 P1:
2047,344 F1: 7637,906
A2:
4,42830197 P2:
2047,344 F2: 9066,257
A3: A4:
18,8496 P3: 3,927 P4:
2109,7631 F3: 39768,19 2109,7631 F4: 8285,04
A5:
35,3429174 P5:
2536,2931 F5:
89640
Luego se determinan las cargas de tensión/compresión aplicadas en los puntos críticos determinados en la Fig. b), considerando las fuerzas hacia abajo (+) y ascendentes (-): T1 = (Wdp*Ldp+Wbp*Lbp+Wpm*Lpm) + F1 + F2 + F3 + F4 T2 = (Wbp*Lbp+Wpm*Lpm) + F1 + F2 + F3 + F4 T3 = (Wbp*Lbp+Wpm*Lpm) (Wbp*Lbp+Wpm*Lpm) + F3 + F4 T4 = (Wpm*Lpm) + F3 + F4 T5 = (Wpm*Lpm) T6 =
F5;
A la Prof=0.
F5
F5
F5
F5
F5
En todos estos casos T1, T2, etc. Significan cargas de tensión o compresión, según resulten en valores positivos o negativos respectivamente. Reemplazando valores obtenemos la siguiente tabla:
Puntos para construir la grafica (Esfuerzos en zonas de cambio de diámetro): Peso Tens./comp. Prof. (m) Debajo del Puntos (Lbs) punto lb 0 168985,109
144102,506 1
1200 103627,589
78744,9855 2
1200 103627,589 1236,59 98430
62040,822 3 56843,233 4
1236,59 1436,59
98430 8790,0032 5 0 -89639,9968 6
Importante: Para caso de diseño del arreglo de fondo se considera el peso sobre el trépano, por lo cual, a cada carga de tensión estimada para cada punto crítico se le
deberá restar la carga aplicada sobre el trépano (WOB), ya que esta fuerza se manifiesta en sentido contrario al peso de la herramienta. Luego, con los datos de profundidad de cada punto crítico y los datos de carga de tensión aplicadas sobre cada punto, graficamos en papel normal y obtenemos el diagrama de esfuerzos de tensión siguiente:
ESTIMACIÓN DEL PUNTO NEUTRO (Pn) PARA UNA SARTA SUSPENDIDA EN EL FLUIDO FL UIDO.. El punto neutro (Pn), se define como un punto en la sarta, donde los esfuerzos de tensión y compresión se anulan; es decir se hacen cero. Durante la perforación este punto siempre debe encontrarse en la zona de los portamechas, por ser la parte más robusta y resistente. En condiciones dinámicas, debido al incremento de peso sobre el trépano y a problemas de vibración axial, este punto puede oscilar verticalmente; por esta razón se diseña el arreglo de fondo con un margen de seguridad, colocando la cantidad de portamechas suficiente para garantizar que el punto neutro siempre se encuentre en la zona de los portamechas cuando se está perforando. Generalmente se utiliza un factor de seguridad de 15 a 20 %, lo que se considera como un factor de punto neutro de 80 a 85 %.
La altura (Desde el fondo hacia arriba) en que se encuentra el punto neutro para una sarta suspendida, se obtiene aplicando la sumatoria de fuerzas en este punto:
Fpn = 0 Para el ejemplo anterior y considerando que el punto neutro se encuentra en la zona de los portamechas: W
F5 = 0
Por tanto: Wpm*X = F5 X = 89640/(120) = 747 pies = 227.67 m. Este resultado muestra que si se aplica peso sobre el trépano, el punto neutro se desplazará sobre la parte superior de los portamechas, ingresando quizás a la zona de las barras pesadas o del sondeo. Considerando el peso sobre el trépano (Caso real), la altura del punto neutro se lo obtiene mediante la siguiente expresión:
W
F5
WOB = 0,
Donde:
W = Wpm* X
