Diseño de revestidor. III Parte

in #steemstem5 years ago (edited)

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Hola amigos de steemit, bienvenidos a mi blog destinado a Ingeniería de petróleo, en este caso en la tercera entrega de diseño de revestidor, en esta publicación les hablare acerca de la determinación de los factores de seguridad para revestidores.

Quiero saludar a las comunidades amigas de #stem-espanol, #steemstem, #utopian-io, #curie y #cervantes, y felicitarlos por el especial apoyo que brindan a las publicaciones en el idioma español destinadas a artículos de origen científico y académico en diversas ramas como matemática, ingeniería, biología, física y química.

Autor del vídeo: @carlos84

Hasta este punto del diseño de revestidores podemos establecer la profundidad de asentamiento y diámetro exterior de cada sarta de revestidor que se pretenda bajar al pozo, sin embargo con estos datos obtenidos podemos seguir profundizando en el diseño del revestidor, es decir podemos determinar el peso, grado y tipo de conexión (rosca) a usarse en cada sarta.

En el presente artículo explicaré el diseño de revestidores enfocados en los factores de seguridad, esto implica realizar un diseño que asegure que cada sarta de revestimiento logre soportar las más severas condiciones de carga que puedan originarse durante su bajada y vida útil en el pozo.

Las consideraciones de carga a las que están sometidos los revestidores y que deben considerarse en un diseño de revestidores son: la presión interna o estallido, la presión al colapso y la tensión, tomando en cuenta estas consideraciones de diseño no podemos obviar otras consideraciones de carga como flexión y pandeo siempre y cuando consideremos que sea apropiado.

Es casi imposible para un ingeniero de diseño que pueda predecir mediante un diseño de revestidores las diferentes condiciones de esfuerzos a los que una sarta de revestimiento estará sujeta durante la vida de un pozo, por lo que los ejecutores en la construcción de un pozo deben estar conscientes que el diseño de revestidores está basado en condiciones de esfuerzos asumidos, es decir que las condiciones de carga a las que pueda estar sujeto los revestidores durante su vida útil puede variar, y por lo tanto fallar antes del tiempo previsto. El triunfo del ingeniero de diseño para que las probabilidades de fallo del revestidor por efectos de carga sea mínimo, es que pueda asumir valores de carga lo suficientemente severas, como para que exista muy poca posibilidad de que presenten situaciones más severas que aquellas asumidas en el diseño que puedan originar una falla temprana en el revestidor.

Dentro de los fundamentos de diseño necesarios para hacer los cálculos de los esfuerzos a que estarán sometidos los revestidores es necesario saber las ecuaciones que permiten calcular los esfuerzos consecuencia de esas cargas y la forma de combinar esos esfuerzos para comprobarlos con la resistencia a la fluencia del material, también es importante estudiar el pandeo, efecto de temperatura y otros posibles factores por los que pueda fallar la sarta de revestimiento.

Consideraciones de diseño por colapso del revestidor

Antes de evaluar los criterios y consideraciones de diseño del revestidor por colapso, resulta muy importante que entendamos que es colapso en el caso de que un revestidor falle por colapso, se denomina colapso a la posibilidad de que la tubería de revestimiento falle por una presión externa excesiva. En términos más amigables les puedo decir que un fallo del revestidor por colapso es cuando el revestidor se aplasta porque actúa sobre él una presión externa que supera los límites de elasticidad y fallo del material del revestidor, es por ello que cuando se realiza el diseño de revestidores se debe considerar que a la profundidad de asentamiento se logre bajar una sarta de revestimiento que soporte estas presiones externas.

presión por colapso.jpg

Existen dos consideraciones importantes para el diseño de revestidores por falla de colapso, estas son cuando el diseño se realiza para pozos exploratorios y el otro para pozos en desarrollo, es decir en plena producción.

Criterios para el diseño del revestidor superficial en pozos exploratorios (fallo por colapso)

El diseño por colapso es necesario basarse principalmente en una hipotética pérdida de circulación del lodo de perforación, también resulta fundamental pensar en que puede ser posible que ocurra una carga máxima al colapso cuando se está bajando el revestidor al pozo, para ambos casos, la máxima presión externa posible que pueden causar el fallo a la tubería por colapso es originada por el fluido de perforación (lodo de perforación) que está en el pozo cuando el revestidor es bajado y cementado.

Es importante considerar para el diseño de revestidor por colapso los siguientes aspectos:

  • El efecto de la tensión en el colapso y el efecto de curvatura para pozos direccionales.

  • Suponer que el revestidor estará vacío en la bajada al pozo, considerando la posibilidad de que ocurra la máxima depresión posible en el nivel de fluido de perforación en el interior del revestidor.

  • Se considera aplicar un factor de seguridad de 1,125 a la condición de carga de diseño para proporcionar un margen de seguridad adicional, sin embargo como a menor profundidad es menor el valor de la presión hidrostática del fluido de perforación, para revestidores superficiales e intermedios se pueden usar factores de seguridad de 1.

  • Considerar controlar la cementación del revestidor si es de diámetro grande para evitar el fallo por colapso.

  • Considerar evaluar las presiones encontradas detrás de la tubería durante cementaciones forzadas, fracturamientos hidráulicos con empacaduras, entre otros.

  • Para los pozos exploratorios, si la condición de considerar la tubería vacía origina presiones excesivas, se podría considerar otra hipótesis, con lo cual se deben definir los posibles riesgos al aplicarse otras opciones.

Criterios para el diseño del revestidor intermedio en pozos exploratorios (fallo por colapso)

Los revestidores intermedios son similares a los revestidores superficiales en el sentido de que su función es permitir alcanzar con seguridad la profundidad final del objetivo de la profundidad propuesta. Cuando sea posible, el procedimiento de diseño descrito para los revestidores superficiales también debe usarse para las sartas de revestimientos intermedios, sobre todo para el caso de fallo por colapso.

Criterios para el diseño del revestidor de producción en pozos exploratorios (fallo por colapso)

En este caso este revestidor debe considerar un diseño por cargas que se originan bajo las condiciones posteriores a la perforación del pozo y durante la vida del yacimiento, estos valores de carga se determinan cuando la presión del yacimiento se ha agotado hasta una presión muy baja de abandono. Otra condición para un colapso en el revestidor de producción es cuando sea posible una fuga en la tubería de producción o en la empacadura, originando una pérdida del fluido de completación, de tal forma que se origine una presión interna en el revestidor de producción muy baja, que no estaría sólo restringida a la porción del revestidor por debajo de la empacadura, sino a través de toda su longitud.

En general se puede concluir que para el diseño de la tubería de revestimiento de producción por colapso se debe considerar todo el revestidor vacío, es igual a condición anterior donde la densidad del lodo de perforación es la que existía en el pozo cuando se bajó el revestidor, y no se toma en cuenta el efecto beneficioso del cemento.

Criterios para el diseño del revestidor superficial e intermedio en pozos en desarrollo (fallo por colapso)

Para los pozos en producción, los ingenieros en diseño deben considerar los datos suministrados por los ingenieros de yacimiento, tal como presiones de yacimiento para realizar los cálculos tomando en consideración las mismas premisas antes explicadas.

Criterios para el diseño del revestidor de producción en pozos en desarrollo (fallo por colapso)

En los pozos en producción se tienen los casos en que el pozo produzca gas, en ese caso se debe considerar el revestidor de producción vacío. Si produce petróleo se considera el revestidor lleno de petróleo y se utiliza la verdadera presión del yacimiento. Se recomienda emplear un factor de seguridad de 1,125 para todas las secciones de la tubería, aunque actualmente existe la tendencia a utilizar factores de seguridad menores de 1.

Ejemplo concreto de un ejercicio de diseño de revestidor por presiones de colapso

A pesar de que en la presente publicación se mostraron diferentes criterios de seguridad para el diseño de revestidores superficial, intermedio y de producción para pozos exploratorios y en desarrollo, voy a mostrar un ejemplo generalizado para calcular la presión de colapso que puede soportar el revestidor en toda su longitud.

Para ello vamos a repasar las suposiciones básicas para el diseño por colapso:

  • Considerar el revestidor vacío de fluido de perforación (debido a una pérdida de circulación total a la profundidad de la zapata).

  • La presión interna del revestidor es cero.

  • Durante la bajada del revestidor al pozo, se considera que el revestidor estará sometido a una presión externa originada por la presión hidrostática del lodo de perforación.

  • Durante la bajada del revestidor no existe cemento alrededor del revestidor.

Por lo tanto la presión de colapso a la altura de la zapata se calcula como sigue:

Ejemplo: Previamente se realizó la primera parte del diseño de revestidores donde se desea bajar un revestidor intermedio de 9-5/8 de pulgada para que quede asentada a 4500 pies de profundidad. La densidad del lodo al momento de la corrida del revestidor debe ser de 9,5 libras / galón. Calcule la presión de colapso y elija un revestidor que pueda soportar esa presión tomando en cuenta el factor de seguridad para presión de colapso.

Como el valor de presión externa que ejerce el fluido de perforación sobre las paredes del revestidor es de 2500 psi debemos elegir un revestidor que soporte una presión al colapso mayor a 2500 psi, por ejemplo se puede seleccionar un revestidor L-80 de 40 libras /pie que tiene una resistencia al colapso de 3090 psi.

Consideraciones de diseño por estallido del revestidor

Cuando estamos bajando un revestidor al pozo tenemos que ir llenando con fluido de perforación el revestidor, para de esta manera compensar las cargas externas que actúan sobre él, sin embargo hay que considerar que si llega a ocurrir una surgencia de fluidos de la formación, estos fluidos como gas puede desplazar el lodo de perforación que el revestidor tiene por dentro y generar una carga interna excesiva, haciendo que el revestidor pueda fallar por estallido.

Entendiendo todo esto podemos definir a la presión de estallido como la máxima presión de formación que puede resultar cuando entre un influjo o surgencia de fluidos provenientes de la formación en el momento que se está perforando.

En modo de poder resumir un poco más este artículo trataré las consideraciones y criterios del diseño de revestidor por estallido de una forma generalizada donde se considere lo mismo para pozos exploratorios y en producción, también es importante acotar que vamos a asumir los mismos criterios para los revestidores superficiales, intermedio y de producción.

La condición más extrema en la que puede ocurrir un estallido del revestidor es que logre migrar un gas de formación desde el fondo del pozo hasta la superficie, haciendo que esta migración del gas desplaza el lodo de perforación con el que se llene el revestidor durante su corrida en el pozo. Para poder llegar a diseñar un programa de revestidor para un pozo de petróleo es necesario un diseño que involucre elegir una sarta de revestimiento que pueda soportar una hipotética carga de presión interna en el revestidor producto del gas de formación, para ello debemos considerar una serie de criterios, los cuales describo a continuación:

  • El diseño del revestidor por estallido debe contemplar la mayor seguridad posible, por lo que es conveniente suponer la condición más extrema, esta condición no es más que el gas de la formación desplace por completo la columna de lodo que está dentro del revestidor, quedando de esta manera el revestidor expuesto a las presiones que genera el gas de formación (presión de estallido).

  • En el tope del hoyo, se considera una presión de lodo exterior (la que se encuentra en el espacio anular) igual a cero, por lo que la presión interna del revestidor originada por la presión del gas de surgencia deberá ser soportada enteramente por el cuerpo del revestidor.

  • A la profundidad de la zapata del revestidor, la presión interna que se encuentra en el revestidor podrá estar soportada por la presión hidrostática externa al revestidor ejercida por la columna del fluido de perforación, razón está que permite que la presión de estallido en la superficie sea máxima y mínima a la profundidad de la zapata del revestidor.

  • Siempre asumimos una surgencia de gas como el caso más crítico de fallo del revestidor por estallido, ya que de los influjos de formación, el gas es el que mayor presión interna aportará al revestidor.

  • Se puede considerar un gradiente del gas de formación de 0.1 psi / pie, este valor del gradiente del gas de formación causara un aumento en la presión a medida que ascienda dentro del pozo.

  • La profundidad de asentamiento del revestidor (profundidad de la zapata) en el diseño debe ser la correcta en consecuencia de que la presión de fractura de la formación de la zapata sea mayor que la presión hidrostática generada por la columna de lodo, de manera tal que no vaya a ocurrir un fracturamiento de la formación y una posible pérdida de circulación del fluido de formación.

  • Para pozos exploratorios en los que se desconozca la presión de yacimiento, se debe estimar una presión de formación de la siguiente sección del hoyo como la máxima densidad del lodo de perforación.

Las ecuaciones empleadas para calcular la presión de estallido se muestran a continuación:

  • Para la presión de estallido en superficie se tiene:

  • Para la presión de estallido en la zapata:

Ejemplo: Diseñar una sarta de revestimiento de 9-5/8 de pulgadas de diámetro que pueda soportar una presión de estallido, considerando que:

  • Profundidad de la zapata está a 4850 pies.

  • Profundidad final de la sección siguiente es de 10000 pies.

  • Presión de formación es de 5000 psi.

  • Densidad del lodo de perforación al momento de la bajada del revestidor es de 9,7 lbs/gal.

Solución: Sabemos que existen dos condiciones de estallido en el revestidor, una presión de estallido en la superficie, y otra a la altura de la zapata, por lo que debemos de calcular las dos presiones de estallido.

  • Presión de estallido en la zapata (Pezap)

  • Presión de estallido en la superficie (Pesup)

Análisis del ejemplo: De las dos presiones de estallidos en el revestidor, la mayor presión ocurre en la superficie, esto se debe a que la parte superior el revestidor no posee una contra presión en el exterior del mismo generada por una columna hidrostática del lodo de perforación, mientras que en la zapata la presión de estallido es menor debido a que allí si existe una contrapresión generada por la columna hidrostática del lodo de perforación. Si tenemos que seleccionar a un revestidor de 9-5/8 de pulgadas de diámetro que soporte estas presiones de estallidos, tenemos que centrarnos en elegir un revestidor que soporte la mayor presión, y esta es la de la superficie, por lo que podemos elegir en nuestro diseño un revestidor 9-5/8 de pulgadas de diámetro del tipo L-80 de 40 libras /pie de peso nominal que puede soportar hasta 5750 psi, quizás pensamos que estamos sobrediseñando, ya que de 4000 psi a 5750 psi quedan 1750 psi de resistencia, pero recuerden que no le hemos metido el factor de seguridad, el cual incrementara ese valor de 4000 psi, lo otro a tomar en cuenta es que si elegimos un revestidor de menor peso nominal pueda que no cumpla con los requerimientos de soporte.

Consideraciones de diseño por tensión del revestidor

Es muy importante que el ingeniero de diseño tenga la pericia y conciencia de pensar en el diseño basándose en las posibles fallas operacionales que pueden ocurrir durante su bajada al pozo, a medida que bajamos revestidores al pozo, el peso de la sarta va siendo cada vez mayor, por lo que el peso total de la sarta de revestidores puede hacer de que alguna tubería falle en su ruptura debido a las esfuerzos de tensión.

Es debido a lo dicho anteriormente a que el ingeniero encargado de realizar el diseño de revestidores debe considerar en su diseño el posible fallo del revestidor por la tensión axial originada por el peso mismo de toda la sarta de revestidores, por lo menos se debe cuidar de que se elija una sarta de revestidores de manera tal que los primeros 5 tubos puedan soportar los esfuerzos por tensión, ya que estos son los que más van a soportar todo el peso de la sarta.

A pesar de que el peso total de la sarta incide sobre los esfuerzos de tensión a los que van a estar sometido los revestidores, no podemos descartar otros factores como el arrastre que estos tubos pueden tener cuando se están bajando al hoyo, sobre todo en el punto de desviación (KOP) si son pozos desviados, doblamientos y diferentes cargas de impacto.

Existe una serie de procedimientos a seguir para calcular los diferentes esfuerzos de tensión a los que puede estar sometido la sarta de revestidores durante su corrida, estos procedimientos se explican a continuación:

  • Calcular el peso total de la sarta de revestidores en el aire, utilizando la profundidad vertical verdadera (TVD)

  • Calcular la capacidad de flotación de la sarta de revestidores.

  • Utilizar cuando sea posible el método de presión y área.

Ejemplo: Diseñar el revestidor conductor (revestidor de 20 pulgadas de diámetro) más idóneo a utilizar en una corrida al pozo, sabiendo que:

  • Diámetro interno del revestidor es de 18,71 pulgadas.

  • Peso nominal de 133 libras /pie.Con extremo abierto.

  • Profundidad de la zapata: 2700 pies.

  • Densidad del fluido de perforación: 9,6 lbs/gal.

Solución: Se debe elegir una sarta de revestimiento que pueda soportar el peso de la sarta, debemos estar conscientes de que si el revestidor se baja al pozo, donde esté un lodo de perforación va a existir un efecto a la flotación que va a disminuir el peso de la sarta en la operación durante la corrida, por lo que es conveniente calcular el peso de la sarta en el aire, y luego restarle el valor del peso en el lodo de perforación.

Para realizar estos cálculos vamos emplear el método de presión y área, en el que empezamos calculando el peso del revestidor en el aire:

  • Peso en el aire = peso del revestidor (libras /pie) x Profundidad vertical verdadera (TVD)
  • Peso en el aire = 133 lbs / pie x 2700 pies
  • Peso en el aire = 359100 libras de peso en el aire.

Ahora se calcula la fuerza de empuje debido a la flotación de la sarta en el lodo (Bf)

  • Bf = Presión externa en el revestidor x amplitud del diámetro de la tubería

  • Presión externa = 0.052 x Densidad del lodo x Profundidad de la zapata

  • Presión externa del revestidor = 0.052 x 9.6 lbs/gal x 2700 pies.

  • Presión externa del revestidor = 1348 psi

  • Bf = 1348 psi x amplitud para tubería con extremo abierto. En el caso de la tubería de revestimiento de 20 pulgadas de diámetro se tiene una amplitud para el caso de extremo abierto de 39.22 lbs / psi

  • Bf = 1348 psi x 39.22 lbs / psi = 52868 libras de peso

  • Peso sumergido = Peso en el aire - Peso flotando

  • Peso sumergido = (359100 - 52868) libras

  • Peso sumergido = 306231 libras.

Conclusión: La sarta de revestidores para la corrida del revestidor conductor debe soportar un peso de 306231 libras de peso para que no falle por tensión.

Es muy importante para los ingenieros ejecutores de la construcción del pozo que el programa de revestidores en consecuencia al diseño por colapso, estallido y tensión se realiza en condiciones ideales, asumidas ante unas ecuaciones que dan una estimación lo más cercana a la realidad del pozo, tanto en la corrida del revestidor como en las condiciones de producción del pozo, por lo que se recomienda que el diseño y ejecución del programa de revestidores se base en un diseño que contemple:

  • La estandarización de cada empresa: Por ejemplo PDVSA maneja unos criterios de seguridad que ya están estandarizados, y que para cualquier ingeniero en diseño que vaya a elaborar un diseño en base al trabajo de esta empresa, resultaría muy conveniente utilizar los parámetros establecidos por PDVSA.

  • No solo las tubería de revestimiento pueden fallar por colapso, tensión y estallido, también es necesario considerar en el diseño las condiciones de corrosión a las que puede estar sometidas como por ejemplo elementos como el H2S y el CO2.

  • Es importante para el ingeniero del diseño de revestidores que tome en cuenta la disponibilidad de juntas de tuberías de revestimiento que pueden estar en existencia, ya que en el diseño puede estar contemplada algún tipo de tubería que no se consiga en el mercado, por lo que es recomendable tener un segundo plan que cumpla con los requerimientos de seguridad de integridad de la sarta de revestimiento.

Como aspecto muy importante a tener en cuenta está, que el ingeniero de diseño nunca debe dejar en estudio y evaluación la posibilidad de ejecutar un diseño de revestidores que contemplen otros factores que afectan la integridad y desgaste de la sarta de revestimiento, y que a su vez su selección debe estar estrictamente ligada al cumplimiento mínimo de seguridad, aunada al selección de sartas de revestimiento más económicas que puedan cumplir con los requerimientos de seguridad e integridad.

Nota: Todas las imágenes y ecuaciones empleadas en esta publicación las elabore utilizando las herramientas de Microsoft Powerpoint, y son de mi completa autoría.

  1. Manual de perforación de pozos. Centro de formación y adiestramiento de PDVSA y sus filiales.

  2. Procedimientos de diseño para tubulares de revestimiento y producción. Intevep. S.A

  3. Fundamentos para el diseño de revestidores por slideshare

"Para toda aquella persona que le apasiona la matemática, física, química, biología, educación e ingeniería, le recomiendo la etiqueta de #stem-espanol, es una comunidad que valora el contenido intelectual y académico de calidad, conservando siempre la originalidad de las publicaciones, por lo que se recomienda a todos aquellos amigos de steemit que deseen publicar utilizando esta etiqueta a no cometer plagio."

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