Download - Sarta de Perforacion 1
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
Fabricacion:
Bajo normas API, acero Siemens-Martin, de horno eléctrico, o bien
Bessemer básico soplado con oxígeno.
No deben sobrepasar los valores: Fósforo 0,040% (máx.), Azufre
0,060% (máx).
Aleaciones al carbono, manganeso y silicio.
Cinco calidades de acero con resistencias desde 55,000 hasta
135,000 lb/ pulg2 (D, E, X, G y S)
Tambien se fabrican tuberías de aluminio, fibra de vidrio.
Sarta de Perforacion
Drillpipe
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
DrillpipeDiseno
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
DrillpipeDiseno
Tension:
P= (Ldp Wdp + LcWc) x BF
Pa = Pt * 0.9 Pa: Carga max. permitida de disenoPt: Tablas, 0.9 Const. De proporcionalidad
limite del esfuerzo de cedencia
SF = Pa / P SF : Factor de seguridad
MOP = Pa – P MOP: Margen de sobretension
Ldp = 0.9 x Pt - Wc x LcSF x BF x Wdp Wdp
Ldp = 0.9 x Pt - MOP - Wc x LcBF x Wdp Wdp
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
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
Balance Empuje & Peso sobre la broca
MAXIMUM
BEARING
LOAD
MAXIMUM
DPBIT
kips
BALANCED
Motor PDM
Balance Empuje & Peso sobre la broca para Motor.
DPBIT =
BALANCE
500 psi
WB = 12,000 lbf
FBIT = DPBIT * A
= 500 * 24
= 12,000 lbf
Conjuntos
de Fondo.
Regular Drill
Pipe
BHA Liso
Collars
Bit
Drillpipe
BHA Multicomponente
Heavy Weight
Drillpipe
Smaller Drill
Collars
Roller Reamer
Collars
Bit
Peso sobre la broca
– fuerza axial -
afecta ROP.
Fuerza lateral
afectan cambio en
inclinación
Multi-Component
BHA
Ejemplo de
“bit tilt”
para un
BHA
pendular
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.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
(a).
Diametro interno de
Drill Collar
Diametro externo de los
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
A
4
i
4
e
2
yy dd64
dAyIπ
A
43
4
r2drr2
2
1
r
r
ππ
A A
22
z rdr2 rdArJ
4
i
4
ez dd32
J π
di
de
Momento de Inercia
El momento de inercia axial para un cilindro de
pared gruesa es expresado como sigue:
El Momento de inercia polar de un cilindro
4
i
4
e dd32
J π
(bending)
(twisting)
4
i
4
e dd64
πI
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
4
11
444
11
4
6
444
6
in 1,4307152J
in 7153.011.064
πI
in 125.062.52J
in 62.52.1875664
πI
Notar el incremento de OD de 6 a 11 incrementa el factor de 111
Modulo elastico de Young, E
F = k x Ley de Hooke
k = constante del resorte
x = extension
AL
LF
ΔL/L
F/A
strain
stressE
Δ
xkLL
AE
L
LAEF D
D
LT = Longitud
tangencial
Wb = Carga axial, WOB
Uso de estabilizador
incrementa la
longitud al punto de
tangencia
Tangencia para Conjunto Liso y pendulares
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
Densidad de acero = 490 lb/ft3
Wair = /4(102
- 3.06262)(31/144) * 45 * 490
= 337,852 lbs
Wnet = 337,852 (1 - 16*7.48/490) = 255,300 lbs
STEEL
MUDAIRB WW 1
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.
LT
I
Ejemplo
LT
I
lbf74.1F
4sinlb/cu.ft489
.ft7.48gal/cu*lb/gal91*
25ftlbf/ft98.6F
P
o
P
5.0
Fuerza lateral,
FP = - 0.5 WAIR LT (1-m/s) sin I
W
FP
{ sin 4o
= 0.0698 }
BHA Liso con y sin carga axial
Carga
Axial
Nueva Longitud
tangencial reducidaSin
Fuerza de
Flexion
Punto de
tangencia
sin peso
sobre la
broca
Direccion de broca
Carga
axial
Nueva longitud
tangencial reducida
BHA liso con
carga axial.
Con peso sobre la broca, La fuerza lateral,
FP = - 0.5 WAIR LT (1-m/s) sin I+ (PB - 0.5 WAIR LT (1-m/s) cos I) / LT
= (dH - dDC)/2 FP
From Timoshenko’s method of “Three Moment Equations”
Donde PB = Carga axial sobre la broca
IcosLBW0.5PP Also,
EI
P
2
Lu and
u
utanu3 xwhere
xIsinBW
24EIL
TCCBC
0.5
CT
3
0.25
cc
T
Donde PC = Carga compresiva sobre los PM
PB = Carga axial sobre la broca
(1)
(2)
(3)
(4)
Encontrar LT
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
NOTE: Fza Lateral negativa tendencia caida
Fza Lateral positiva tendencia crecer
FPFP
Tipico BHA
con
estabilizador
simple
Tangente
Que pasa
cuando la
distancia
entre el
estabilizador y
la broca es
cambiado?
Uso de
estabilizador
incrementa LT
Fuerza lateral vs. longitud pendular del collarh; 12
I/4-in. hole, 8-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud; 10
degrees inclination.
Distancia broca - estabilizador, ft
Fuerz
a late
ral,lb
.
60k
40k
20k
0
-200
-400
-600
-800
10090807060
50 40 30
L1
Fuerza lateral vs. longitud pendular; 12 I/4-in. hole, 6
1/2-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud, 10 degrees
inclination.
Distancia broca - estabilizador, ft
60K
40K
20K
200
0
-200
-400
-600
-800
1009080706050
40 30 CONSTRUYE
CAE
With flimsier drill collars, bit weight can be high enough to overcome the pendulum effect
L1
Tipico
BHA con
dos
estabiliza
dores
Tangente
L3 es
desconocido.
Debera
estimarse
inicialmente
BHA con dos estabilizadores
Efecto de agregar un estab.,
12 I/4-in. hole, 8-in. collars,
9-lbm/gal mud, 10 degrees
inclination.
Peso sobre la broca, 1000
lb
Fu
erz
a late
ral,
lb
-400
-500
-600
-700
60’
60’+30’
605040302010
El efecto de agregar un segundo estabilizador es incrementar la fza. negativa.
WHY?
Punto de tangencia entre broca y estabilizador
con respecto a la distancia del pendulo; 9 7/8-
in. hole, 6 3/4-in. collars, 8 degrees inclination,
30,000-lbf WOB.
30’
50’
70’
90’
Si estabilizador esta muy lejos de la broca, el punto de tangencia puede ocurrir entre ellos.
Pto. Tangencia entre estab. Y broca; 90-ft. conjunto para
construccion, 10 grados de inclinacion, 30,000-lbf WOB.
14 3/4” 12 1/4” 9 7/8” 8 1/2”Broca:
Portamechas: 9 1/2” 6”7”8”
Con conjuntos para construir, Portamechas mas pesados proveen una mayor fza positiva
Fza
Lateral =
3,343 lbf
Fza Lateral =
814 lbf
Incrementando el WOB aumenta la fuerza lateral; 8
1/2-in. hole, 6-in. collars, 10 degrees inclination, 70
ft. tangency length.
70 ft
WOB : 20,000 30,000 40,000 lbf
Fza lateral: 855 962 1,002 lbf