Universidad Nacional de Salta Año 2015Sede Regional Tartagal Ingeniería en Perforaciones

PERFORACIONES III

TP Nº 3: DISEÑO DE CASING

Introducción teórica:

Propiedades mecánicas de los aceros:Resistencia: Es la capacidad para soportar una carga.Resistencia a la fluencia: Es la máxima carga que puede soportar un material sin tener deformaciones permanentes (límite mínimo de cedencia).Dureza.Plasticidad.Resistencia a la fatiga.

IMPORTANTES CONCEPTOS A TENER EN CUENTA:

1. Para un diámetro determinado el peso lineal de la cañería determina el espesor de la misma.

2. La relación entre el diámetro y el espesor resulta en un diámetro drift de la cañería.

3. La designación del diámetro y el libraje determina la masa de acero de la cañería por unidad de longitud.

4. El grado de acero de la cañería establece las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión para cada tipo de producto lo cual implica ciertas restricciones en la composición química del acero, proceso de manufactura y tratamiento térmico.

5. La tensión de fluencia mínima es la carga mínima por unidad de área que debe soportar un determinado grado de acero.

6. La tensión máxima de fluencia es la máxima tensión que exhibe el material para una deformación determinada.

7. Elongación mínima es el porcentaje de la mínima deformación permanente para un ensayo de tracción API.

8. Limite elástico es el valor de carga por sobre el cual la deformación plástica permanente ocurre en el material.

CALCULOS PARA DETERMINAR LAS PRESTACIONES DE LAS CAÑERÍAS

TRACCIÓN: El mayor porcentaje del esfuerzo axial en una cañería es debido a su propio peso, sin embargo grandes esfuerzos axiales (estáticos o dinámicos) se pueden generar por golpes, ángulos de flexión, fuerzas de arrastres y ensayos de presión interna. Las cañerías deben estar diseñadas para resistir estos esfuerzos.

Resistencia a la tracción en la unión del tubing:

Res. a la rotura(Pj) = 0,7854 x Yp x (( D – 2h)2 – d2)Donde D = diámetro mayor. h = altura de los filetes en pulg. 0,05560 para 10 hpp y 0,07125 para 8 hpp.Resistencia a la tracción en el cuerpo del tubing:

Pc = 0,7854 x Yp x (D2 – d2)

Considerando un 2,5 % de estiramiento

Pc = Ap x ( Yp + (( Up – Yp) /(e – offset)) x (0,025 – offset))

Donde e = 6250 x (A0,2 / Up0,9) y A = t x (ancho)

Efectos de los cambios de temperatura sobre la tensión:

F temp. = a1 x E x AT x ApSiendo a1 = 6,9 x 10-6 ºF E = 3 x 106 psi AT = variación de la temperatura

Efecto de los cambios de presión sobre la tensión:

Finf = 2 x V x (Aint x Apint – Aext x Apext)Siendo V = relación de poisson Aint = área interior en pulg2 Aext = área exterior en pulg2 APint = cambio en la presión interna psi Apext = cambio en la presión externa psi

Efecto de la flotación sobre la tensión:

Ff = (Dens. del acero – Dens. del lodo) / densidad del acero

COMPRESIÓN: Normalmente las cañerías están sometidas a cargas compresivas en el fondo del pozo, las cuales se ven incrementadas cuando se cuelga un liner o bien cuando se les transfiere el peso de las demás cañerías internas. Las fuerzas de arrastre cuando se baja el casing son de carácter compresivo, al igual que los esfuerzos generados en la cañería en la parte interna de la curvatura de un pozo desviado por lo tanto se deben calcular y comparar su resistencia.

Para el cálculo se deberá tomar el valor mínimo que se obtenga de las tres siguientes ecuaciones:

1. Pj = 0,95 x Ap x Up x (1,008 – 0,0396 x (1,083 – (Yp / Up) x D )2. Pj = 0,95 x Ac x Uc3. Pj = Ap x Up

PRESION INTERNA:

Para el diseño de cañerías en lo que respecta a presión interna se contemplan las siguientes hipótesis de cargas:

1. surgencia durante la perforación de la sección correspondiente a la próxima cañería.

2. perdida en la cañería de producción3. ensayos de presión o fractura a través del casing.

Calculo de la resistencia a la presión interna para el cuerpo del caño y la unión P = (0,875 x 2 x Yp x t) / DP = Yc x ((W – d1) / W) ó Pr = Up x ln x ( D / d)

RESITENCIA AL COLAPSO:

Normalmente el colapso se considera para la situación en donde la tubería esta parcial o totalmente vacía y con la columna de lodo o fluidos de formación actuando en el exterior.Se calculan para fluencia, para plástico, para transición y para elástico.

Pyp = ((D / t) – 1) / (D / t)2) (régimen de fluencia)

Pp = Yp x (( A/ D/ t) - B)) – C (régimen plástico)

Pt = Yp x (( F / D/t) – G) (régimen de transición)

Pe = 46,95 x 106 / (D / t) x ((D / t) – 1)2 (régimen de colapso elástico)

Ypa = (( 1 – 0,75 x (Sa / Yp)2 )1/2 - 0,5 x (Sa / Yp) x Yp ( colapso baja cargas axiales de tensión)

Con: Sa: Tensión axial (positiva para tracción) en psi.Yp: Tensión mínima de fluencia del tubo, en psi.Ypa: Tensión de fluencia equivalente en psi.

Tubulares utilizados en la industria del petróleo:

Debajo de la cabeza de pozo: Tuberías de revestimiento (Casing). Tuberías de perforación (Drill pipe). Tuberías de producción (Tubing)

Tuberías para conducción y transporte de fluidos (superficiales).

Modos de carga en tubulares:

Axial: Tensión, compresión Presión interna o externa. Flexión. Corte o torsión. Cargas no uniformes:

Puntuales (capas fallas). Lineales (secciones curvas). Areales (patas de perro, domos de sal).

Cargas dinámicas:

1. Debidas a impactos:i. Golpe contra salientesii. Freno o ascenso brusco de la columna.iii. Rebote por impacto.

2. Fuerzas de arrastre.3. Contacto entre casing y barras de sondeo.

Pandeo (buckling).

Genera los siguientes inconvenientes:

Dificultad para correr herramientas por el interior de la tubería. Mayor desgaste por contacto con la barra de sondeo. Fallas por superación del límite de fluencia del material.

Factores que lo incrementan: Presión interna y fuerza compresiva.

Factores de diseño y de seguridad.

Los siguientes parámetros nos van a indicar si la tubería es adecuada o no a las condiciones siguientes:

El estallido del cuerpo del tubo o conexión. Colapso del cuerpo del tubo. Tensión del cuerpo del tubo o conexión. Compresión del cuerpo del tubo o conexión. Tensión equivalente de von mises.

La evaluación de estos parámetros se verifica mediante el factor de diseño mínimo para las cargas actuantes:

FDx = Capacidad de la tubería para la carga considerada Máxima carga anticipada en servicio

Factor de seguridad: La carga por sobre el factor de diseño a la que se puede someter a una tubería antes de que falle se denomina “Margen de seguridad”, con lo cual el factor de seguridad será:

FSx = Carga de falla Carga aplicada

Si FS ≤ 1 el riesgo de falla es inminente.

Un Pozo se diseña con la siguiente filosofía:

1. Seguridad.2. Economicidad.3. Acciones futuras.

“El diseño de tubulares es básicamente un problema de análisis de esfuerzos y análisis de costos”.

Las cuatro responsabilidades más importantes del diseño son:

1. Asegurar la integridad del pozo mediante los factores de diseño que contemplen las cargas máximas que se pueden encontrar durante la vida del pozo.

2. Diseñar una columna que optimice los costos durante la vida del pozo.3. Proveer un diseño que se adapte a posibles cambios durante la fase de

perforación y perforación.4. Proveer información clara (especificaciones, gráficos, cartas, etc.), en base al

resultado del diseño.“Los factores de diseño deben cubrir las incertezas que se tienen sobre las cargas actuantes y la resistencia de la columna”.“El mejor diseño técnico-económico se logra conociendo lo más exactamente posible las cargas actuantes y la resistencia de los tubulares a las mismas”.

Selección de la profundidad del casing.

Depende de: Presión de formación. Presión de fractura. Geología. Posibles problemas de pozo.

Tipos de tuberías y funciones:

1. Casing conductor ( 0 – 30 m ):a. Provee un conducto para el retorno del fluido de formación.b. Evita pérdidas en formaciones de superficie.c. Evita contaminaciones.

2. Casing de superficie (600 – 800 m).a. Aísla napas de aguas superficiales.b. Provee estabilidad del pozo en formaciones no consolidadas.c. Evita pérdidas de circulación.d. Provee resistencia en casos de surgencia.e. En él se instalan los equipos BOP.f. Soporta el peso de todas las tuberías siguientes.

3. Casing Intermedio:a. Provee transición entre zonas de baja presión poral y zona

productiva.b. Evita comunicación entre capas.

4. Casing de producción:a. Aísla zona productiva.b. Protege al tubing.

Selección de la profundidad del zapato:

Incluye: Consideraciones geológicas. Presiones de formación. Gradiente de fractura. Función del casing. Tipo de pozo (exploratorio o desarrollo).

“La selección de tubulares se inicia por el casing de mayor profundidad”

Métodos de diseño.

Diseñar una columna consiste en la selección de la mejor combinación de tubos y conexiones que satisfagan:

Esfuerzos. Resistencia a la corrosión. Condiciones fluido dinámicas. Costos. Practicidad de utilización.

Métodos monoaxiales.

No se consideran en los cálculos las interacciones y dejan de lado muchas variables. Utiliza el diagrama X, formado por la gráfica correspondiente a la representación de las presiones diferenciales en función de la profundidad. Este método consiste en seleccionar tuberías cuyas resistencias al estallido y al colapso se ubiquen en la zona de la derecha de la X (requerimiento más severo), y luego verificar que resisten la carga axial presente.

Método biaxial: Considera interacciones entre dos variables independientes por ejemplo el efecto de las tensiones de tracción sobre la presión de colapso. Los esfuerzos generados durante el cementado, pandeo, así como los cambios de temperatura y las curvaturas presentes en el pozo no son considerados en esta metodología de diseño.

Métodos Triaxiales.

Las presiones principales para un cilindro sometido a esfuerzos son: tensión axial, tensión circunferencial y tensión radial relacionados por la expresión:

VME = (0,5 x ((ra - rt)2 + (rt – rr) 2 + (rr – ra) 2 + 6 x (tt2 + tr2 + ta2))1/2

Donde: ra = tensión axial en psi rt = tensión tangencia en psi rr = tensión radial en psi ta = fuerza de corte axial paralela al eje radial en psi tt = fuerza de corte tangencial normal al eje axial en psi tr = fuerza de corte radial normal al eje axial en psi

La representación gráfica de Von Mises es una elipse.

Factores que influyen en la carga de tracción. Cambios de temperatura. Efecto de los cambios de presión. Efecto de la flotación sobre la tensión axial. Efecto de flexión.

Pandeo: En los diseños triaxiales es pertinente evaluar la fuerza efectiva de pandeo (buckling), así como la estabilidad y el punto neutro de la columna.

PROBLEMAS DE APLICACIÓN

1. Se perforo un pozo hasta la profundidad de 8500ft, con un lodo base agua de 12,3 ppg y un trepano de 13 ½”. En el deposito de la empresa proveedora de casig dispone de del siguiente stock de cañerías de entubación de 9 5/8” . 700ft de K-55 de 54,5#. 32Us/met. 5200ft de N-80 de 54,5#. 35Us/met. 3600ft de N-80 de 68#. 43Us/met. 3000ft de P-110 de 88,2#. 55Us/met.

Realizar el diseño del pozo siguiendo el criterio del menor costo y rendimiento óptimo de las cañerías. No olvidar que los factores de diseño siempre tienen que ser mayores que 1 y no caer en la tentación de reducir los factores de diseño para hacerlo mas económico.

2. Determinar las prestaciones de una cañería de 9 5/8”, P-110 y 47#. Sometido a una carga de tracción creada por 9500ft de casing N-80 y 53,5# de diámetro exterior de 9 5/8”.

3. Diseñar una cañería de 7” de diámetro exterior para un pozo de 11000ft de profundidad en las situaciones mas severas y contando con los datos y sugerencias que se dan a continuación:

Solamente se usaran cañerías de tipo N-80 de 23,26 y 29#. Los factores de seguridad son: aplastamiento = 1,125. tracción = 2.

fluencia = 1,25. presión interna = 1. Se sugieren la combinación de estas cañerías en tres secciones

(calcular sus profundidades de colocación). Para determinar los distintos tipos de uniones a usar en las

conexiones se sugiere consultar las tablas y calcular los factores de diseño y comparar para usar la mejor unión posible para cada sección.

4. El modulo de Young para el acero es de 30 x 106 psi mientras que para el

aluminio es de 10 x 106 psi. Si la tensión de fluencia para ambos materiales es de 55000 psi y 23000 psi respectivamente determinar:a) El diámetro mínimo requerido de una barra de acero y una de aluminio para deformación elástica con una carga de tracción de 14 toneladas.b) Calcular la deformación elástica para ambos casos.

5. Diseñar una cañería de 5 1/2” de diámetro exterior para un pozo de 2.800 m de profundidad en las situaciones mas severas y contando con los datos y sugerencias que se dan a continuación:

Peso del lodo = 9,8 ppg. Diámetro del trépano = 8 ½”. Gradiente de fractura = 0,89 psi/ft. Gradiente de gas = 0,15 psi/ft.