WELLCAT
Diseño de Tubulares
Jessica Garcia
Introducción
Bienvenida Seguridad Cortesía necesidades
Introducción
Bienvenida Seguridad Cortesía necesidades
Horario
Inicio de Actividades 8:00 a.m.
Receso 9:30 a.m. (15 min)
Almuerzo 12:00 p.m. p.m. (1 hora)
Regreso de almuerzo 1:00 p.m
Receso 2:30 p.m. (15 min)
Final del Día 4:00 p.m
Introducción a EDM – Diseñado para la Integración Tubular Design CasingSeat
WELLCAT
StressCheck
Well site
Data Management
Visualize & Analyze
Cost Management
iWellFile Data Analyzer
OpenWorks
Profile
Database
Drilling & completions operations
Well Costing
EDM OpenWells
OpenWire
Real-time formation evaluation
Well Planning & Design WELLPLAN
COMPASS
WELLCAT
Drillworks
OpenWells
Well Planning Reports
WELLCAT software forma parte de EDT, el cual permite ser integrado por medio de EDM con otras aplicaciones, en sus operaciones, reportes, Ingeniería de perforación y completamiento, flujos de trabajo de Planeación de Pozos.
EDM
WELLCAT? software nos provee análisis complejos de diseño para configuraciones de casing y Tubing. El software calcula perfiles exactos de presiones y temperaturas, y la acumulación de presión anular para analizar las cargas, esfuerzos y la interacción de todas las sartas en todo el sistema de casing y tubing.
WELLCAT™
Diseño de Tubulares Tecnologías para el análisis y diseño de Tubulares, resultados basados en gráficas de soluciones integradas de los diseños de casing, liner y tubing; herramientas para determinar profundidades de asentamientos y la clasificación viable para el estado mecánico del pozo. Ambientes complejos a Altas presiones / Altas temperaturas (HP/HT), nuestra tecnología calcula perfiles exactos de presiones y temperaturas para la evaluación de las cargas del tubing y esfuerzos así como movimiento de la tubería del cuerpo de todo el sistema de casing, que garantiza la integridad de la cabeza del pozo. El análisis y diseño de tubulares incluye las siguientes tecnologías: CasingSeat™ StressCheck™ WELLCAT™
Diseño Preliminar 0 ft 600 ft 2000 ft
CasingSeat Prof. zapatos
5400 ft
. t s e v e R e d o r e m ú N
RKB Mud Line 18 5/8" Conductor Casing Diám. Hueco y TR
13 3/8" Surface Casing TOC
MW 9700 ft
9 5/8" Production Casing
Diseño Detallado 0 ft 600 ft
RKB Mud Line 2000 ft
18 5/8" Conductor Casing 18 5/8", 87.50 lbm/ft, H-40
StressCheck 5400 ft
Weight & Grade
13 3/8" Surface Casing 13 3/8", 54.50 lbm/ft, K-55
Pipe Connector Min Cost
9700 ft
9 5/8" Production Casing 9 5/8", 53.50 lbm/ft, N-80
Diseño Avanzado 0 f t 600 ft
RKB Mud Line 2000 ft
18 5/8" Conductor Casing
WellCat APB
5400 ft
13 3/8" Surface Casing
Casing and Tubular Stress Analysis
Drilling & Prod Thermal Analysis
Packer Loads and Tubing Movement
9700 ft
9 5/8" Production Casing HP- HT Wells
WELLCAT
Funciones EDT
Well Explorer
Asociación de la vista de Datos compartidos.
Catálogos (tuberías and conexiones)
EDM Formato Tubular Template and Espacios de trabajos
Import, export en archivos WCD. Guardar en la base de datos.
Integration
(WELLCAT -> WellPlan) Compass-> Casing Seat -> StressCheck -> WELLCAT WELLCAT -> OpenWells Well Planning Reports
WELLCAT El software está formado por cinco módulos integrados y dos módulos futuros (Steam and Deep water) dentro de un ambiente común para proveer soluciones exactas y seguras a problema de diseños complejos.
El software calcula perfiles de presión y temperaturas exactas en el fondo del pozo. El cual puede ser usado para el movimiento del cuerpo de la tubería, análisis de cargas del Casing y tubing y trampa de presión anular y análisis de movimiento del cabezal.
Módulo de Perforación
Este módulo simula tranferencia de calor y flujo durante las operaciones de perforación con análisis transitorio completo.
Applications: – Comportamiento de Temperaturas en operaciones de cementación. – Hidraulicas (HPHT) – Temperaturas de herramientas en el fondo del pozo – Servicio de cargas de casing durante la perforación. – Pérfil de temperatura normal de los datos de perforación y registros. – Condiciones iniciales de presión anular acumulada en Multisartas.
Módulo de Producción
Este módulo simula transferencia de calor y fluido, durante operaciones de completamiento producción, estimulación, pruebas, y operaciones de reacondicionamiento de pozos. Incluyendo Vacuum insulated tubing (VIT). El software permite hacer análisis transitorios y estáticos estables para una o multiples fases de flujo y adicionalmente para proveer condiciones iniciales enlazado con resultados térmicos del diseño en el módulo de perforación. Este también realiza enlaces con el modulo de Tube y Casing. El modulo Incluye VLE (Vapor liquid equilibrium) diagrama de fases con puntos críticos definidos de presión y temperatura.
Módulo de Casing
Este módulo analiza cargas del casing, integridad del diseño y comportamiento de buckling bajo un complejo mecánico, presión de fluido y condiciones de cargas térmicas, con generación estándar y automática de casos de cargas.
Incluye numerosos casos de cargas estándar.
El análisis de los diseños puede ser realizado en conjunto con el módulo de perforación y producción.
Módulo de Tube
Este módulo analiza cargas y movimientos del tubing, comportamiento de buckling e integridad del diseño bajo un complejo mecánico, presión de fluido y condiciones de cargas térmicas, con generación estándar y automática de casos de cargas. Incluye numerosos casos de cargas estándar. Ofrece enlaces de análisis con el módulo de producción.
Multi-string Design Module
Este módulo predice cambios de presiones y volúmenes debido a la presión anular acumulada (APB) cuando el sistema del pozo se calienta como resultado de las operaciones de producción o la inyección de fluidos calientes dentro del pozo.
El diseño de Multisartas determina movimientos ocurridos al cabezal durante la vida del pozo.
Objetivos del curso
Comprender los fundamentos para el diseño mecánico de los aparejos de producción.
Aplicar los procedimientos de cálculo para predecir los diferentes escenarios de producción que aplican en el comportamiento mecánico de aparejos de producción.
Identificar y aplicar los conceptos básicos para el análisis mecánico de los aparejos de producción.
Desarrollar las habilidades para utilizar convenientemente el producto de software WELLCAT para la optimización de los diseños de aparejos de producción.
Entender la mecánica en el uso de WELLCAT para el análisis de las sartas de tuberías de revestimiento sujetas a diversidad de escenarios de carga.
Obtener un entendimiento fundamental del proceso de diseño de revestidores y de la completación.
Responsabilidades del Ingeniero de Diseño
Asegurar la integridad mecánica del pozo, proporcionando una base de diseño que considere todas las cargas anticipadas que pueden encontrarse durante la vida del pozo.
Diseño de sartas para optimizar los costos del pozo cubriendo la vida del pozo.
Proporcionar documentación de la base de diseño al personal operacional en la localización. Esto ayudará a asegurar que la envolvente operacional diseñada no sea excedida por la aplicación de cargas no consideradas en el plan original.
Falla de Tubulares: Una perspectiva Histórica
La mayoría de las fallas documentadas, ocurren porque la tubería se expuso a cargas para las que no fue diseñada. Estas fallas son llamadas fallas “fuera de diseño”.
Las fallas “Dentro del diseño” son muy raras. Esto implica que las prácticas de diseño de
Revestimientos son conservadoras.
La mayoría de las fallas ocurre en las conexiones. Esto implica que las prácticas de enrosque de campo no son adecuadas o la base de diseño de la conexión no es consistente con la base de diseño del cuerpo de tubería.
Tipos y Funciones de los Revestimientos
Conductor – Es la primera sarta que se coloca. – El conductor aisla formaciones no consolidadas y arenas de agua y protege contra gas
poco profundo. – Normalmente es la sarta en donde se instala el cabezal del pozo. – Un desviador o un conjunto de BOPs se pueden instalar sobre esta sarta. – Típicamente cementado hasta superficie o hasta la línea de lodo.
Tipos y Funciones de los Revestimientos
Superficie – Revestimiento asentado para proveer protección contra una arremetida descontrolada,
aislar arenas de agua y prevenir pérdidas de circulación. – Proporciona también a menudo adecuada resistencia en el Zapato para perforar a
mayores presiones en zonas de transición. – En pozos desviados, el Revestimiento de superficie puede cubrir la sección de
construcción de ángulo para prevenir key-seats en la formación durante la perforación más profunda. – Típicamente cementado hasta la superficie o hasta la línea de lodo.
Tipos y Funciones de los Revestimientos
Intermedio – El Revestimiento es asentado para aislar secciones del hoyo inestables, zonas de
pérdida de circulación, zonas de bajas presiones, y zonas productoras. – Frecuentemente es asentado en la zona de la transición de presión normal a anormal. – El tope de cemento debe aislar cualquier zona de hidrocarburos. Algunos pozos
requieren múltiples revestimientos intermedios. – Algunos revestimientos intermedios, pueden ser revestimientos de producción, si un
liner de producción se corre colgado de ellos.
Tipos y Funciones de los Revestimientos
Producción – Revestimiento usado para aislar zonas productoras y confinar presiones de la formación
en un evento de fuga en el tubing. – Puede también ser expuesto a presiones de inyección en trabajos de fracturamiento,
levantamiento con gas o la inyección de inhibidores. – Un buen trabajo de cementación primaria es mucho más crítico para este
Revestimiento.
Tipos y Funciones de los Revestimientos
Liner de Producción – Un Revestimiento que no se extiende hasta el cabezal del pozo, sino que se cuelga de
otro Revestimiento. – Los liner son usados en lugar de revestimientos completos, para reducir costos, mejorar
el desempeño hidráulico cuando se perfora profundo, permitir el uso de tubería más grande hacia arriba, y evitar limitaciones de tensión del taladro. – Los liners pueden también ser revestimientos intermedios y de producción. – Típicamente cementados a lo largo de su longitud.
Tipos y Funciones de los Revestimientos
Extensión de Revestimientos (Tiebacks) – Una sarta de Revestimiento que provee una integridad de presión adicional, desde el
tope del liner de producción hasta el cabezal del pozo. – Una extensión de revestimiento intermedio se usa para aislar una sarta de
Revestimiento, que no puede resistir posibles cargas de presión si se continúa la perforación (usualmente debido al desgaste excesivo o mayores presiones anticipadas). – Similarmente, una extensión del revestimiento de producción aísla una sarta de
Revestimiento intermedio de las cargas de producción. – Las extensiones de Revestimientos, pueden ser no cementadas o parcialmente
cementadas.
Metodología de Diseño
Diseño preliminar (CS) – Recolección de Datos e interpretación – Determinación de presiones de poro y gradientes de fractura. Ventana Operacional. – Determinación de profundidades de asentamiento y número de sartas – Selección del tamaño del hoyo y Revestimientos – Plan del peso de lodo – Plan direccional
Metodología de Diseño
Plan detallado (SCK) – La selección de pesos de los tubulares y los grados para cada sarta de Revestimiento. – Selección de las conexiones. – El proceso de la selección consiste en comparar las resistencias de los tubulares con
cargas de diseño, aplicando los mínimos factores de seguridad estándares (factores de diseño). – Un costo efectivo del diseño cumple con todos los criterios del diseño, usando las
tuberías disponibles menos costosas. Los diseños a mano son posibles pero son dispendiosos e ineficientes.
Información Requerida: Propiedades de la Formación
Presión de poro Esfuerzo de Tensión de la Formación (presión de fractura) Esfuerzo compresivo de formación (falla del hoyo) Perfil de temperatura Localización de zonas de derrumbe de sal y arcillas Localización de zonas permeables Inestabilidad química/arcillas sensibles (tipo de lodo y tiempo de exposición) Zonas de pérdidas de circulación Gas somero Localización de arenas de agua dulce Presencia de H2S y/o CO2
Información Requerida: Datos Direccionales
Localización en superficie Objetivos geológicos Datos de interferencia de pozos
Información Requerida: Diámetro Mínimo Requerido
Mínimo tamaño del hoyo requerido Diámetro externo de la herramientas de registro Tamaños de las tuberías Empacadura y requisitos de equipos relacionados Diámetro externo de la Válvula de Seguridad de Subsuelo (pozos costa afuera) Requerimientos de completamiento
Información Requerida: Datos de Producción
Densidad del fluido de la Empacadura
Composición de los fluidos producidos
El peor caso, una carga que puede ocurrir durante el completamiento, la producción u operaciones de rehabilitación
Otra Información Requerida:
Inventario disponible
Requerimientos Gubernamentales
Limitaciones del equipo del taladro
Diseño Preliminar: Programa de Lodo •
El programa de lodo está determinado por: – Presión de poro – Esfuerzo de la formación (fractura y estabilidad del hoyo) – Litología – Limpieza del hoyo y capacidad de transporte de los cortes – Daño potencial de la formación, problemas de estabilidad y tasa de perforación – Requerimiento de evaluación de formación – Requerimientos ambientales y gubernamentales
Diseño Preliminar: Profundidad y Número de Revestimientos (CS)
El peso del lodo y la ventana operacional determinan las profundidades de los Zapatos y el número de revestimientos requeridos
Casing Setting Depths - Bottom Up Design
0.00 2000.00
16 in.
4000.00 Frac Gradient
F
11.75 in.
6000.00 8000.00
Pore Pressure
E
D
9.625 in.
10000.00 C
12000.00
B
7.625 in.
14000.00 A
16000.00 8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
EMW (ppg)
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
Restricciones del Diseño y Otros Factores
Factores que afectan la profundidad del zapato: – Requerimientos Gubernamentales. – Tolerancia a una arremetida de gas. Es frecuentemente usado un volumen de
arremetida de 50-100 Bls. – Estabilidad del hoyo. Puede ser función del peso del lodo, el perfil direccional y el
esfuerzo de la pared del hoyo o puede ser de naturaleza química. Frecuentemente, los problemas de estabilidad de hoyo exhiben dependencia del tiempo (haciendo de la selección del zapato una función de la velocidad de perforación). El comportamiento del flujo plástico de zonas de sal también debe ser considerado.
Restricciones del Diseño y Otros Factores
Otros factores que afectan la profundidad del Zapato: – Pega Diferencial. La probabilidad de pegarse diferencialmente aumenta con el aumento de la presión diferencial entre el hoyo y la formación y el incremento de la permeabilidad de la formación, incrementando la pérdida de fluido de perforación (y el grosor de la torta del lodo). – Aislamiento zonal. Las arenas de aguas dulces poco profundas deben ser aisladas para
prevenir su contaminación. Las zonas de pérdida de circulación deben ser aisladas antes de ser perforadas con lodos de mayor peso.
Restricciones del Diseño y Otros Factores
Otros factores que afectan la profundidad del Zapato: – La dirección de la perforación. Se corre frecuentemente una sarta de revestimiento
después de perforar una sección de levantamiento de ángulo. Esto evita problemas de “key seats” en la sección curva del hoyo debido al incremento de la fuerza normal entre
la pared del hoyo y la tubería de perforación. – Incertidumbre en propiedades de la formación. Los pozos de exploración requieren
revestimientos adicionales, para compensar la incertidumbre en las predicciones de presión de poro y de gradiente de fractura.
Diseño Preliminar: Diámetros de Hoyo y Tuberías
Requerimientos: – Producción: Los requerimientos del equipo de producción incluyen tubería, válvula de seguridad de sub-superficie, bomba semi-sumergible y tamaño de los mandriles de levantamiento por gas, requerimientos de la completación (ejemplo: empaque con grava), y sopesando los beneficios de incrementar el desempeño de la tubería de mayor diámetro, contra los altos costos de los revestidores de mayor diámetro sobre la vida del pozo. – Evaluación: requerimientos de los registros de interpretación y diámetros de las
herramientas.
– Perforación: Mínimo diámetro de la mecha para un adecuado control direccional y
desempeño del taladro, disponibilidad del equipo de fondo, especificaciones del equipo, disponibilidad del equipo de preventoras.
– Los mayores ahorros de costos son posibles, por venir mas agresivamente durante esta
porción de la fase preliminar del diseño. Ésta ha sido la principal motivación en el incremento de popularidad de la perforación de hoyos reducidos.
Diseño Preliminar: Tope de Cemento (TOC)
Deben seleccionarse profundidades de TOC para cada sarta de revestidor durante la fase preliminar del diseño. Esta selección influye en las distribuciones de carga axiales y perfil de presión externo usado durante la fase del diseño detallada.
Las profundidades del TOC típicamente están basados en lo siguiente: – Aislamiento zonal – Requerimientos Gubernamentales – Profundidades de la zapata anteriores – Esfuerzo de la formación – Pandeo – Incremento de presión anular en pozos sub-marinos
Diseño Preliminar: Plan Drireccional
Para propósitos del diseño de revestidores, establece que un plan direccional consiste en determinar una vía de acceso desde de la superficie hasta los objetivos geológicos.
El plan direccional influirá en todos los aspectos del diseño de revestidores, incluyendo: – Selección de peso de lodo para estabilidad del hoyo – Selección del asiento de la zapata – Perfiles de cargas axiales de los revestidores – Desgaste del revestidor – Esfuerzo de flexión y pandeo.
El plan direccional esta basado en los siguientes factores: – Objetivos geológicos – Localización de superficie – Interferencia de otros hoyos – Consideraciones de torque y arrastre – Consideraciones de desgaste de revestidores – Ensamblaje de fondo de hoyo y desempeño de la mecha en los objetivos geológicos locales
Diseño Detallado: Casos de Carga (SCK)
Cargas de estallido – Cargas de Perforación – Cargas de Producción
Cargas de Colapso – Cargas de Perforación – Cargas de Producción
Cargas axiales – Corrida y cargas de cementación – Cargas de servicio
Diseño Detallado: Factores de Diseño
Donde DF = factor de diseño (Factor de Seguridad Mínimo Aceptable).
Por consiguiente:
Al multiplicar la carga por el DF, puede hacerse una comparación directa con la resistencia de la tubería.
Diseño Detallado: Líneas de Carga 0 1500 3000 4500 A load line consisting of the maximum differential pressure with depth is formed from the two load cases.
6000 7500 9000 10500
Displacement to Gas Tubing Leak
12000 500
1000
1500
2000
2500
3000
Differential Burst (psig)
3500
4000
4500
5000
Diseño Detallado: Gráfico de Desempeño del Diseño 0 1500 3000 Al multiplicar la carga actual por el Factor de diseño, se obtiene la línea de carga de diseño
4500 6000 7500 9000 10500 12000 2400
Carga de diseño Carga actual 2800
3200
3600
4000 4400 4800 Presión de estallido (psig)
5200
5600
6000
Diseño Detallado: Gráfico de Desempeño del Diseño 0
Design Load Line Rating Line
1500 3000 4500
El tubo seleccionado cumple el diseño. Su resistencia al estallido excede la línea de carga para todas las profundidades.
6000 7500 9000 10500 12000 1500
3000
4500
6000
7500 9000 10500 Burst Pressure (psig)
12000
13500
15000
Diseño Detallado: Otras Consideraciones
Selección de la conexión
Desgaste
Corrosión
Efectos triaxiales debido a cargas combinadas (ejemplo: efectos de balón y temperatura). Frecuentemente llamados “Cargas de Servicio”
Otros efectos de temperatura
Pandeo
Propiedades Mecánicas
Conceptos Fundamentales del Diseño: Esfuerzo de Cedencia
Con la excepción de los efectos de cargas combinadas sobre el colapso, todas las ecuaciones de esfuerzo en la tubería dadas en el Boletín API 5C3, están basadas en un estado de esfuerzo uniaxial (estado donde solamente uno de los esfuerzos principales no es cero).
Esta situación idealizada esencialmente nunca ocurre en las aplicaciones del campo petrolero, ya que la tubería en un pozo está siempre sujeta a condiciones de cargas combinadas.
Conceptos Fundamentales del Diseño: Esfuerzo de Cedencia
El fundamento básico del diseño de revestimientos es que si un esfuerzo en la pared de la tubería excede el esfuerzo de cedencia del material, existe una condición de falla.
El esfuerzo de cedencia está definido como el esfuerzo uniaxial nominal en el cual el material exhibe una deformación específica basada sobre la prueba de tensión.
Conceptos Fundamentales del Diseño: Esfuerzo de Cedencia
La especificación API 5CT define el esfuerzo de cedencia como el esfuerzo con el cual ocurre un porcentaje de la deformación total:
Grado
%Deformación
H-40
0.50
J-55
0.50
K-55
0.50
L-80
0.50
N-80
0.50
C-90
0.50
C-95, T-95
0.50
P-110
0.60
Q-125
0.65
S-135
0.70
Comportamiento de la Curva Esfuerzo/Deformación
Presión de Estallido
Presión de Estallido
2Y pt P 0.875 D
P Yp t D
= = = =
Presión Mínima Interna de Cedencia Esfuerzo Mínimo de Cedencia Espesor de Pared Nominal Diámetro Externo Nominal
Esta ecuación, normalmente conocida como la Ecuación de Barlow, calcula la presión interna en la cual el esfuerzo tangencial (o aro) en la pared interna de la tubería, alcanza el esfuerzo de cedencia (YS) del material.
Puede derivarse la expresión de la ecuación de Lamé, para el esfuerzo tangencial haciendo la suposición de que para una pared delgada D/t15.
Muchos Revestimientos usados en el campo tienen una relación geométrica de D/t entre 15 y 25.
El factor de 0.875 que aparece en la ecuación, representa la tolerancia de fabricación permitida de -12.5% sobre el espesor de la pared especificado en la norma API 5CT.
Presión de Estallido
Una falla por estallido no ocurrirá hasta después de que el esfuerzo exceda el esfuerzo último de tensión (UTS), usando el criterio de esfuerzo de cedencia como medida del esfuerzo de estallido, una suposición inherentemente conservadora.
Esto es particularmente cierto para materiales de grados bajos, tales como H-40, K-55 y N-80, donde la relación UTS/YS es significativamente mayor que para los materiales de grados mayores como P-110 y Q-125.
Formula Clásica para predecir presión de ruptura propuesta por Hill, para un material Von Mises Plástico
D P r U p ln 3 d 2
Pr = Presión interna de ruptura del cuerpo del tubo, (Psi) Up = Esfuerzo último de tensión, (Psi) D = Diámetro externo del tubo, (in) d = Díametro interno del tubo, (in) Nota: Nunca use esta formula para diseño.
Carga Uniaxial vs Estallido
El efecto de carga axial es ignorado. Ésta es una suposición no-conservadora si la tubería está en compresión, una suposición conservadora para cargas de tensión baja a moderada, y una suposición no-conservadora para cargas de tensión alta.
Para tuberías de pared gruesa, con una relación de D/t 12, la suposición de la pared delgada es no-conservadora.
Si una verificación de esfuerzo de triaxial es realizado, después de que un diseño axial ha sido establecido, pueden cuantificarse las tres deficiencias y modificar el diseño, si necesario
Deficiencias de la Resistencia al Estallido Uniaxial
150 API rating is non-
Thin wall assumption is non-
conservative in
conservative for thick wall pipes.
compression g n i t a R t s r u B I P A f o e g a t n e c r e P
100 API rating is conservative
API Burst Rating
for most tensile loads
50 Triaxial Rating Compression
Tension
0 -100
-50
0
50
Percentage of Pipe Body Yield Strength
100
150
Presión de Colapso
Presión de Colapso D 1 2 (A 2) 8(B C/Y p ) (A 2) t P Yp 2Y p ,(D/t)YP 2 2(B C/Y p ) D t
Colapso por Esfuerzo de Cedencia – Basado en el esfuerzo de cedencia en la pared interna, usando la solución elástica de Lamé para pared gruesa. – Este criterio no representa una presión de “colapso” absoluta. – Para espesores gruesos de pared (D/t 15), el esfuerzo tangencial excederá el esfuerzo
de cedencia del material antes de que ocurra una falla de inestabilidad por colapso.
Presión de Colapso
Y p (A F) A P p Y p B C,(D/t) PT D C Y p (B G) t
Colapso Plástico – Basado en datos empíricos de 2488 pruebas de K-55, N-80 y P-110 de revestimiento. – Ninguna expresión analítica se ha derivado que modele con precisión el comportamiento de colapso en este régimen. – El análisis de regresión genera un nivel de confiabilidad del 95%, donde el 99.5% de toda la tubería fabricada con las especificaciones API fallará a una presión de colapso mayor que la presión de colapso plástico.
Presión de Colapso
B 2 F A G ,(D/t)TE P T Y p D B 3 A t
Colapso de Transición – Curva numérica de ajuste entre los regímenes de colapso plástico y elástico.
Presión de Colapso
2E 1 P E 0.7125 2 1 υ 2 D D t t 1
Colapso elástico – Basado en la falla de inestabilidad elástica teórica, este criterio es independiente del esfuerzo de cedencia y aplicable a tubería de pared delgada (D/t 25).
Correlaciones y Factores de las Formulas de Colapso Plástico y Transición A 2.8762 0.10679x105 Y p 0.21301x1010 Y p2 0.53132x1016 Y p3 B 0.026233 0.50609x106 Y p C 465.93 0.030867Y p 0.10483x10 7 Y p2 0.36989x10 13 Y p3
F
B 3 2E A 0.7125 2 1 υ 2 B A
3
B B 3 3 A B A Y P 1 B A B 2 2 A A
B G F A
2
Comportamiento del Colapso
El esfuerzo de colapso es primariamente una función del esfuerzo de colapso del material y su razón de rigidez, (D/t), lo cual se muestra en el diagrama siguiente.
La mayoría de las tuberías usadas en el campo exhiben un esfuerzo de colapso que no puede ser modelado analíticamente por las ecuaciones de cedencia o colapso elástico.
Comportamiento del Colapso
Factores que afectan la Presión de Colapso
Relación de Rigidez, (D/t) Esfuerzo de Cedencia API Forma de la curva del esfuerzo/deformación Ovalidad Esfuerzos residuales Excentricidad Para tubería de aceros al carbono de baja aleación, que han sido revenidos y templados (Quenched & Tempered) y enderezados con rotación en caliente (alivio de esfuerzos), con estos tratamientos se cubre el 95% de la resistencia al colapso.
Tubería de “Alto Colapso”.
Unas pocas palabras de Precaución
Muchos fabricantes comercializan revestimientos de “Alto Colapso”, arguyendo que han
mejorado el desempeño en las propiedades del colapso, excediendo las resistencias calculadas según la formula del Boletín API 5C3.
Este desempeño mejorado se ha logrado principalmente por el uso de mejores prácticas de fabricación y estrictos programas de aseguramiento de calidad para reducir la ovalidad, el esfuerzo residual y la excentricidad.
Los Revestimientos de alto colapso fueron desarrollados para el uso en las secciones más profundas de pozos de alta presión.
El uso de Revestimientos de alto colapso ha ganado una amplia aceptación en la industria, pero su uso permanece controversial entre algunos operadores.
Desafortunadamente, todos los fabricantes no han sustentado con el nivel apropiado las pruebas de calificación.
“Si en un diseño necesariamente se requiere un revestimiento de alto
colapso, debería pedirse el consejo de un especialista apropiado, para evaluar los datos de las pruebas de calificación del fabricante.” – Klementich, Erich F., Una Caracterización Racional de los Grados Propietarios de Revestimientos de Alto Colapso, SPE30526, Proc,. 1995 Conferencia de SPE, 1995 de Octubre.
Efecto de la Tensión sobre el Colapso 2 S a S a Y pa 1 0.75 Y p 0.5 Y Y p p
Ypa = Esfuerzo de Cedencia reducida del grado equivalente, debido a la tensión axial. Sa = Esfuerzo axial. Yp = Mínimo Esfuerzo de Cedencia.
Efecto de la Tensión sobre el Colapso
El efecto de la carga de tensión sobre el esfuerzo de colapso es un efecto biaxial.
La ecuación reducida del esfuerzo de colapso está basada en la Máxima Energía de Deformación de la Teoría de Distorsión de Cedencia o análisis triaxial de Hencky Von Mises. En este caso se ignora el esfuerzo radial.
Esta teoría sólo aplica para falla por cedencia elástica, pero la reducción es aplicada a todos los regímenes de colapso. Esto tiende a ser una suposición conservadora.
La resistencia al colapso no se incrementa con la compresión.
Efecto de la Presión Interna sobre el Colapso Para Cilindros de Pared Delgada(usado por la API):
2 2 P i P e P o 1 P i ΔP D/t D/t Para Cilindros de Pared Gruesa :
2 2 2 2 P P e P o 1 P ΔP 2 i 2 i D/t D/t D/t D/t Pe = Presión externa equivalente. Po = Presión externa Pi = Presión interna P = Po-Pi.
Efecto de la Presión Interna sobre el Colapso
P i
P o
P 0
P e
Efecto de la Presión Interna sobre el Colapso
La API decidió usar la presión de colapso aplicada aparente en lugar de incluir Po y Pi en las fórmulas de colapso (que son sólo una función de P). Para todas las cargas de colapso, PeP. Esta relación puede derivarse de la ecuación de Lamé, ignorando otros términos. Para proveer un entendimiento más intuitivo de esta relación, la ecuación se puede reescribir como:
P e D P o D P i d
Donde, d = diámetro interno nominal
Resistencia Axial
La fuerza axial de cedencia del cuerpo de la tubería es determinada por el esfuerzo de cedencia del cuerpo de la tubería, fórmula encontrada en Boletín API 5C3. La fuerza axial de cedencia es el producto del área transversal y el esfuerzo de cedencia del cuerpo de la tubería. Son usadas dimensiones nominales.
F y Donde: Fy Yp D d
= = = =
π
4
D
2
d Y p 2
Fuerza axial de cedencia del cuerpo de la tubería esfuerzo mínimo de cedencia. Diámetro exterior nominal. Diámetro interior nominal.
Pared Reducida vs Dimensiones Nominales
87.5% del espesor nominal del tubo.
El área de la sección transversal del tubo permanece constante, cuando el espesor no es uniforme debido a la excentricidad.
Pared Reducida vs Dimensiones Nominales
Estallido: usa la mínima sección. Representa un 12.5% de pérdida de pared permisible, debido a tolerancias aceptables del conformado del tubo (sección transversal) y procesos de enrolado de fabricación de la tubería.
Colapso: uso de dimensiones nominales. La fórmula API para colapsos plástico, de transición y elástico, ha sido ajustada usando análisis de regresión para diferentes tolerancias API. No ha sido ajustada para el régimen de colapso por esfuerzo de cedencia.
Axial: usa las dimensiones nominales. El proceso de agujereado (conformado) del tubo durante la fabricación puede producir un espesor de pared no uniforme, pero el área de la sección transversal de la tubería permanecerá constante. La ecuación usada en el Boletín API 5C3, para definir la resistencia axial está basada en el producto del área transversal por el esfuerzo de cedencia del material.
Cargas de Estallido (Perforación): Desplazamiento por Gas
Este caso de carga modela un perfil de presión interna, que consiste en un gradiente de gas que se extiende hacia arriba desde una presión de formación en un intervalo de hoyo más profundo, o desde la presión de la fractura del zapato.
Representa físicamente una situación de control de pozo, donde una burbuja de gas desplaza completamente el anular durante la perforación, desde el Zapato del Revestimiento hasta la superficie.
Este es el peor caso de carga de estallido durante la perforación que una sarta de Revestimiento podría experimentar, y si la presión de fractura en el zapato se usa para determinar el perfil de presión, el punto débil en el sistema estará en el zapato del Revestimiento y no en la superficie.
Esto, a su vez, evita una falla de estallido del revestimiento cerca de la superficie durante una situación severa de control de pozo.
Cargas de Estallido (Perforación): Desplazamiento por Gas
Gas gradient Limit load case by the fracture pressure at the shoe.
Fracture pressure at shoe Pore pressure Internal Casing Pressure
Influx depth
Cargas de Estallido (Perforación): Arremetida de Gas
Este caso de carga modela un perfil de presión interior que refleja la máxima presión que experimenta el Revestimiento mientras se circula hacia afuera una burbuja de gas usando el método del perforador.
Debería representar el peor caso de arremetida de gas al que un revestimiento corriente puede exponerse mientras se esté perforando el intervalo más profundo.
Típicamente, esto significa tener una arremetida de gas en el TD de la siguiente sección del pozo.
Si la intensidad o el volumen de la arremetida de gas hace que se exceda la presión de fractura en el zapato, el volumen de la arremetida debe reducirse, para maximizar el volumen que puede ser circulado sin exceder la presión de la fractura en el Zapato.
La máxima presión experimentada en cualquier profundidad del Revestimiento ocurre cuando el tope de la burbuja de gas alcanza esa profundidad.
