Universidad Nacional Ingenieria
Sarta de Perforacion
Sarta de Perforacion Componentes: •
Vastago (Kelly)
•
Tuberia de Perforacion ( Drilll Pipe )
•
Tuberia extra pesada (Hevy Wate )
•
Portamechas ( Drill Collar )
•
Estabilizadores
•
Martillos
•
Herramientas Direccionales (Motor, MWD, etc)
Sarta de Perforacion Función: La Sarta de Perforación provee energia a la broca para que perfore Potencia de carga axial Potencia radial Potencia hidráulica
Sarta de Perforacion Drillpipe Fabricacion: Bajo normas API, acero Siemens-Martin, de horno eléctrico, o bien Bess Bessem emer er bási básico co sopl soplad ado o con con oxíg oxígen eno. o. No deben sobrepasar los valores: Fósforo 0,040% (máx.), Azufre 0,06 0,060% 0% (máx (máx). ). Alea Aleaci cion ones es al carb carbon ono, o, mang mangan anes eso o y sili silici cio. o. Cinco calidades de acero con resistencias desde 55,000 hasta 135,000 lb/ pulg2 (D, E, X, G y S) Tamb ambien ien se fabr fabric ican an tube tuberí rías as de alu alumini inio, fibr fibra a de vidri idrio. o.
Sarta de Perforacion Drillpipe Esfuerzos Sometidos: •Tracción •Torsión •Flexión •Presión interna •Aplastamiento •Vibraciones •(Puede estar sometida a esfuerzos de Compresión) •Combinación de algunos de estos esfuerzos provocando fatiga •Expuestos a Acción Química y Erosión.
Sarta de Perforacion Drillpipe Esfuerzos Traccion: •Tracción •Torsión •Flexión •Presión interna •Aplastamiento •Vibraciones •(Puede estar sometida a esfuerzos de Compresión) •Combinación de algunos de estos esfuerzos provocando fatiga •Expuestos a Acción Química y Erosión.
Sarta de Perforacion Drillpipe Datos de la tuberia de perforacion: •Diametro Nominal •Peso Nominal •Rango •Grado •Resistencia a la Tension •Colapso •Torsion
Sarta de Perforacion Drillpipe Fallas de la Tuberia de Perforacion
1. Carga Traccional (Gravedad, Levantamiento, Temperatura) 2. Presiones externas (Colapso o aplastamieto) 3. Presion Interna (Explosion, fuga) 4. Flexion (Corte, tension equivalente) 5. Fatiga (Rotacion en patas de perro) 6. Aplastamiento (Cunas y apilamiento) 7. Torsion, torcimiento (cuerpo, sobretorque ajuste, desenrosque) 8. Pandeo (Por sobrepeso, Incremento Temperatura) 9. Aceleracion (Frenado instantaneo) 10.Abrasion (tubos y conexiones) 11. Erosion (Desgaste por flujo de fluidos) 12.Corrosion (H2S, CO2, O2).
Sarta de Perforacion Drillpipe Diseno
1. Parametros de diseño: a) Profundidad Total b) Diametro del Hueco c) Factor de seguridad en Tension d) Peso de Lodo e) Factor de Seguridad en Colapso f) Longitud Drill Collar, OD, ID y peo lineal g) Tamaño Drill Pipe, Grado,clase de inspeccion, conexion. h) Margen de Sobretensión, MOP i) Tipo de Pozo (vertical, direccional, horizontal)
Sarta de Perforacion Drillpipe Diseno Tension: P= (Ldp Wdp + LcWc) x BF Pa = Pt * 0.9
SF = Pa / P MOP = Pa – P Ldp = Ldp =
Pa: Carga max. permitida de diseno Pt: Tablas, 0.9 Const. De proporcionalidad limite del esfuerzo de cedencia SF : Factor de seguridad MOP: Margen de sobretension
0.9 x Pt SF x BF x Wdp 0.9 x Pt - MOP BF x Wdp
-
Wc x Lc Wdp -
Wc x Lc Wdp
Sarta de Perforacion Drillpipe Colapso Se produce sólo cuando se baja las b/s al pozo vacías. Dálmine da la siguiente fórmula para verificar este esfuerzo: Pc = 2 x τf (d/t) – 1 (d/t)² Presion de Colapso expuesta: 0.052 x L x MW Presion Interna Pi = f ( 2 τf x t ) d F = 0.875 Clase 1, 0,8 Premium, 0.7 Clase 2
Sarta de Perforacion Drillpipe Torsion Torque = HP x 5250 RPM Aplastamiento de las cuñas Al colocar las cuñas a la tubería origina un esfuerzo radial que en casos de aplicarlo cuando la tubería se encuentra tensionada puede ocasionar el aplastamiento del tubo: (Pw) s ( Sh / St) < ( Pa) Pw : Carga de trabajo (lbs) Sh / St : Constante aplastamiento por cuñas Pa: Carga Tension Permisible
Sarta de Perforacion Drillpipe Ejercicio
En caso se requiera de tubos de mayor resistencia considerar:
Sarta de Perforacion Conjunto de Fondo Funcion –Proveer de peso sobre la Broca para perforar –Proteger el Drill Pipe –Controlar dirección e inclinación en Perforac.Direccional –Perforar huecos mas verticales ó derechos –Minimizar los problemas de perforación (vibración) –Asegurar que la sarta de revestimiento baje sin problemas
Sarta de Perforacion Conjunto de Fondo Portamechas Selección del diámetro •Se prefiere de mayor diametro para asegurar un mejor estabilidad direccional •Sin embargo esto dependera del inventario de medidas que se disponga en el equipo. •Pescabilidad
Sarta de Perforacion Conjunto de Fondo Portamechas Diametro Util = D broca
+ Diametro Collar (OD) 2
Motor PDM MAXIMUM BEARING LOAD BALANCED kips
PBIT MAXIMUM
Balance Empuje & Peso sobre la broca
Balance Empuje & Peso sobre la broca para Motor .
BALANCE
PBIT =
500 psi
WB = 12,000 lbf
FBIT = PBIT * A = 500 * 24 = 12,000 lbf
Conjuntos de Fondo.
Regular Drill Pipe Drillpipe Heavy Weight Drillpipe
Peso sobre la broca – fuerza axial afecta ROP. Fuerza lateral afectan cambio en inclinación
Smaller Drill Collars
Collars
Bit
BHA Liso
Collars Roller Reamer
Bit
BHA Multicomponente
Multi-Component BHA
Fuerza negativa causa tendencia de caida de angulo. Broca inclinada (tilt) causa tendencia de construcción de angulo. Mas WOB incrementa el “bit tilt” y reduce la fuerza negativa.
Ejemplo de “bit tilt” para un BHA pendular
Fuerza lateral negativa Angulo entre el eje del pozo y el eje de la broca y BHA (bit tilt angle)
Fuerza lateral en la Broca • Todos los BHA crean una fuerza lateral • Esta fuerza lateral puede ocasionar: * construcción de angulo, * mantenimiento de angulo, * caida de angulo, * giro a la derecha * giro a la izquierda
Tipico BHA liso perforando con una inclinacion ( ).
Diametro externo de los Drill collar Diametro interno de Drill Collar
El tipo y cantidad de metal en los drill collars genera el peso de los collares y su comportamiento elastico EI
Momento de Inercia para Portamechas
Iy y
y
2
dA
A
d 64
π
4
e
di
4
Jz r dA r 2rdr 2
A
di
de
A
2π r dr 2π 3
A
Jz
2
d 32 π
e
4
r 4 4
di
r 2
r 1
4
El momento de inercia axial para un cilindro de pared gruesa es expresado como sigue:
I
π
d 64
4
e
di
4
(bending)
El Momento de inercia polar de un cilindro
J
d 32 π
4 e
di
4
(twisting)
Ejemplo • Calcular el Momento de Inercia Axial y polar de * 6-in. drill collar con 2 3/16-in. ID (I6 and J6 respectively) and * for an 11-in. collar with a 3-in. ID (I11 and J11 respectively).
Solucion π
6
2.1875 62.5 in
I6
J6
262.5 125.0 in
64
4
4
4
4
π
11.0
3.0 715 in
I11
J11
2715 1,430 in
64
4
4
4
4
Notar el incremento de OD de 6 a 11 incrementa el factor de 111
Modulo elastico de Young, E E
F
F=kx
stress strain
E A L
DL
F/A ΔL/L
E A L
FL Δ L A
DL k
x
Ley de Hooke k = constante del resorte x = extension
Tangencia para Conjunto Liso y pendulares
Uso de estabilizador incrementa la longitud al punto de tangencia
LT = Longitud tangencial Wb = Carga axial, WOB
Example Flotabilidad de Portamechas • Determine el peso neto de 45 portamechas de acero, de 10” x 3 1/16” * 31’ . Densidad de lodo = 16 lb/gal 3
Densidad de acero = 490 lb/ftW
B
2
W AIR 1 MUD STEEL
2
Wair = /4(10 - 3.0626 )(31/144) * 45 * 490 = 337,852 lbs Wnet = 337,852 (1 - 16*7.48/490) = 255,300 lbs
Ejemplo • Determinar la fuerza negativa en u lodo de 9 ppg, para un BHA liso donde el peso en el aire es de 98.6 lbm/ft. Bit weight = 0. • El Pozo tiene una inclinacion de 4 grados y una longitud al punto de tangencia (LT) de 25 ft.
I
LT
Ejemplo Fuerza lateral, FP = - 0.5 W AIR LT (1-m/s) sin I 0.5
FP
* 1 FP
98.6 lbf/ft
I
25ft
9 lb/gal * 7.48gal/cu .ft 489 lb/cu.ft
sin 4o LT
74.1 lbf
W o
{ sin 4 = 0.0698 }
F
Carga Axial Punto de tangencia sin peso sobre la broca Nueva Longitud tangencial reducida Sin Fuerza de Flexion Direccion de broca
BHA Liso con y sin carga axial
Carga axial
BHA liso con carga axial.
Nueva longitud tangencial reducida
= (dH - dDC)/2
FP
Con peso sobre la broca, La fuerza lateral, FP = - 0.5 W AIR LT (1-m/s) sin I + (PB - 0.5 W AIR LT (1-m/s) cos I) / LT Donde PB = Carga axial sobre la broca From Timoshenko’s method of “Three Moment Equations”
Encontrar LT
LT where x
and u Also, PC
24EI
0.25
(1)
WcBc sinI x 3 tanu
u
3
(2)
u LT
PC
2
EI
PB
0.5
0.5 WCBCL T cos I
Donde PC = Carga compresiva sobre los PM PB = Carga axial sobre la broca
(3) (4)
Pasos para determinar LT • 1. Asumir un valor de LT • 2. Calcular PC de la ecuacion 4 • 3. Calcular u de la ecuacion 3 • 4. Calcular x de la ecuacion 2 • 5. Calcular LT de la ecuacion 1 y compararla con el valor asumido LT
Fuerza Lateral Resultante y Longitud Tangencial para varios WOB
FP
NOTE: Fza Lateral negativa Fza Lateral positiva
FP
tendencia caida tendencia crecer
Tipico BHA con estabilizador simple
Uso de estabilizador incrementa LT
Tangente
Que pasa cuando la distancia entre el estabilizador y la broca es cambiado?
0
. b l , l a r e t a l a z r e u F
50
40
30
-200 -400 -600
L1 60k 40k 20k
-800 100 70 60 80 90 Distancia broca - estabilizador, ft
Fuerza lateral vs. longitud pendular del collarh; 12 I/4-in. hole, 8-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud; 10 degrees inclination.
40
200
30
CONSTRUYE 60K
0
40K
-200
CAE
20K -400
L1
-600 -800 50
60
70
80
90
100
Distancia broca - estabilizador, ft
Fuerza lateral vs. longitud pendular; 12 I/4-in. hole, 6 1/2-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud, 10 degrees inclination. With flimsier drill collars, bit weight can be high enough to overcome the pendulum effect
Tipico BHA con dos estabiliza dores
Tangente
L3 es desconocido. Debera estimarse inicialmente
BHA con dos estabilizadores
-400
b l , l a r e t a l a z r e u F
60’
-500 60’+30’
Efecto de agregar un estab., 12 I/4-in. hole, 8-in. collars, 9-lbm/gal mud, 10 degrees inclination.
-600
-700 10
20
30
40
50
60
Peso sobre la broca, 1000 El efecto de agregar un segundo estabilizador es incrementar la fza. negativa. lb
90’ 70’ 50’ 30’
Punto de tangencia entre broca y estabilizador con respecto a la distancia del pendulo; 9 7/8in. hole, 6 3/4-in. collars, 8 degrees inclination, 30,000-lbf WOB. Si estabilizador esta muy lejos de la broca, el punto de tangencia puede ocurrir entre ellos.
Portamechas: 9 1/2”
8”
7”
6”
Fza Lateral = 814 lbf
Fza Lateral = 3,343 lbf
Broca:
14 3/4” 12 1/4” 9 7/8”
8 1/2”
Pto. Tangencia entre estab. Y broca; 90-ft. conjunto para construccion, 10 grados de inclinacion, 30,000-lbf WOB. Con conjuntos para construir, Portamechas mas pesados proveen una mayor fza positiva
