15 criterios de dieño de sartas y fallas del material

Diseño de la Sarta de Perforación
James Roxo/Ashley Fernandes

DE
Feb 2002
Objetivos
• Describir y calcular los efectos de las fuerzas físicas sobre el acero.
• Ser capaz de nombrar y describir las principales leyes físicas y su relación
con el comportamiento del acero.
• Conocer donde se puede conseguir información sobre la propiedades de los
tubos de acero.
• Ser capaz de seleccionar el grado de acero adecuado para diferentes
aplicaciones.
• Describir y ser capaz de aplicar factores de seguridad (también conocidos
como factores de diseño) y factores de corrección.

DE
Feb 2002
Relación de Leyes Físicas
Los conceptos importantes son:
• Esfuerzo
• Tensión
• Ley de Hook
• Modulo de Young
• Límite Elástico
• Resistencia a la Fluencia / Resistencia a la
Tensión

DE
Feb 2002
Esfuerzo
El acero es un material elástico, hasta cierto límite. Si una carga de tensión es
aplicada al acero (ESFUERZO), el acero se estirara (TENSION). Si usted duplica la
carga, doblara la cantidad en que el acero se estira.
El esfuerzo es definido como una carga ¸ área seccional cruzada. Las unidades son
normalmente Libras por pulgada al cubo. Al esfuerzo se le da normalmente el
símbolo de s (Símbolo Griego Sigma).
Hale mas duro (mas esfuerzo)!!! Pero se estirara más (más tensión)!!!

DE
Feb 2002
Esfuerzo - Ejemplo
• Si una tubería de perforación
nueva de 5” tiene una sección
transversal de 5.2746
pulgadas cuadradas y soporta
una carga de 100,000 lbs,
Cual es el esfuerzo en la
tubería?
• Esfuerzo = Carga ÷ Área
• Esfuerzo = 100,000 ÷ 5.2746
• Esfuerzo = 18,960 psi
• Si una tubería de perforación
nueva de 3.5” tiene una
sección transversal de 4.3037
pulgadas cuadradas y soporta
una carga de 100,000 lbs, Cual
es el esfuerzo en la tubería?
• Esfuerzo = Carga ÷ Área
• Esfuerzo = 100,000 ÷ 4.3037

DE
Feb 2002
Tensión
La Tensión se define como la cantidad de estiramiento ¸ longitud original. La Tensión no
tiene unidades, es una proporción. Tensión generalmente se le da el símbolo e (El
símbolo Griego Epsilon). La Tension puede deberse a un esfuerzo aplicado o
expansion térmica.
çLongitud Original èç---------------- Estiramiento ----------------- è
ó

DE
Feb 2002
Tensión - ejemplo
• Una sarta de perforación de 10,000 pies de
largo, esta pegada en el hoyo. Se marca la
tubería con una tiza en la mesa rotaria.
Después de jalar la tubería se hace otra
marca. Las marcas están a 2 pies de
separación. Cual es la Tensión?
• Tensión = Estiramiento ÷ Longitud Original
• Tensión = 2 ÷ 10,000
• Tensión = 0.0002
• Una sarta de perforación de 5,000 pies de
largo, esta pegada en el hoyo. Se marca la
tubería con una tiza en la mesa rotaria.
Después de jalar la tubería se hace otra
marca. Las marcas están a 2 pies de
separación. Cual es la Tensión?
• Tensión = Estiramiento ÷ Longitud Original
• Tensión = 2 ÷ 5,000
• Tensión = 0.0004

DE
Feb 2002
Relación Esfuerzo - Tensión
La Ley de Hook dice;
“Dentro los límites elásticos, el esfuerzo
es proporcional a la Tensión”.
Si el Esfuerzo µ Tensión, entonces
Esfuerzo ¸ Tensión debe ser constante.
Esta constate se llama Modulo de Young
de Elasticidad. El símbolo griego E
(Epsilon) se usa para denotar del
Modulo Young
E Para el acero = 30,000,000 psi (30 x
106 psi)
E Para el aluminio = 10,500,000 psi
(10.5 x 106 psi)

DE
Feb 2002
Módulo de Young - ejemplo
• Una tubería de 5 pulgadas
cuadradas de sección
transversal esta pegada.
Después de sobre-tensionar las
100,000 lbs se observa un
estiramiento de 5 pies. A que
profundidad se encuentra el
punto de pegadura?
• Tensión = 20,000 ¸ 30,000,000
• = 0.00067
• Tensión = 5 ¸ Longitud Original
• Entonces la Longitud Original =
5 ¸ 0.00067 = 7,463’
• Una tubería de 4.5 pulgadas
cuadradas de sección transversal
esta pegada. Después de sobre-tensionar
las 90,000 lbs se
observa un estiramiento de 6
pies. A que profundidad se
encuentra el punto de pegadura?
• Tensión = 20,000 ¸ 30,000,000
• = 0.00067
• Tensión = 6 ¸ Longitud Original
• Entonces la Longitud Original = 6
¸ 0.00067= 8,955’

120000
100000
DE
Feb 2002
Esfuerzo – Grafico de Tensión
(limite elástico)
Graph showing Stress (PSI) vs Strain
80000
60000
40000
20000
0
At D; Ultimate Tensile
Strength reached
A
B
C
D
E
From B; region of plastic
behaviour (permanant
A to B; region of
elastic behaviour
(reversible)
deformation)
At E; material fails
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

DE
Feb 2002
Resistencia a la Cedencia
y Resistencia a la Tensión
• Resistencia a la Cedencia: es el punto donde
el material pasa de ser elástico a plástico
cuando es sometido a Tensión. La unidad de
medida es en PSI.
• Resistencia a la Tensión: es la resistencia
máxima del material y se logra antes de
romperse. La unidad de medida es en libras.

DE
Feb 2002
Diseño de la Sarta de Perforación y
Prevención de Fallas

DE
Feb 2002
Introducción
• Descripción
• Reconocimiento y Prevención en la fallas
Sartas de Perforación
• Propiedades Metalúrgicas
• Conexiones con Hombro
• Diseño de Sarta de Perforación
• Inspección
• Operación y otros

DE
Feb 2002
El Elemento “ADIOS”
•La prevención de fallas es el manejo de todos
los factores que la causan.
•Sin importar que mecanismo esta envuelto en
la falla de la sarta, esta siempre sucede por
uno de los cinco elementos que se mencionan
abajo.
•Se puede recordar estos cinco elementos
utilizando el acrónimo ADIOS.

DE
Feb 2002
•Atributos (A): Estos son las propiedades
mecánicas y dimensiones de cada
componente de la sarta de perforación.
•Los atributos típicos son resistencia, dureza y
otras propiedades metalúrgicas.
•Mantener la identidad de cada componente
es de suma importancia para poder tener
confianza en su metalurgia.

DE
Feb 2002
•Diseño (D): El diseño de la sarta de
perforación es la selección de sus
componentes y configuración para lograr los
objetivos de la perforación.
•El objetivo es proveer una sarta de
perforación que puede soportar las cargas
requeridas sin fallar.

DE
Feb 2002
•Inspección (I): A menos que los componentes
de la Sarta de perforación sean nuevos, estos
han sido expuestos a daños por manejo y
daño acumulado desconocido por fatiga.
•La Inspección de la sarta de perforación se
utiliza para determinar si sus componentes
pueden ser utilizados.

DE
Feb 2002
• Operación (O): Las operaciones de
perforación presentan muchas oportunidades
para sobrecargar y mal utilizar la sarta de
perforación.
•Ambiente alrededor (S): El ambiente químico
y mecánico que rodea la sarta de perforación
puede tener un efecto importante en las
probabilidades de falla.

La Importancia del Trabajo en Equipo
DE
Feb 2002
•Para mantener la sarta de perforación
completa se requiere prestar atención a los
cinco elementos de ADIOS.
•Una sarta de perforación puede tener
componentes de una docena de compañías
diferentes.
•La responsabilidad en la prevención de fallas
esta distribuida.

Reconocimiento y Respuesta a fallas en
DE
Feb 2002
la Sarta de Perforación.

DE
Feb 2002
Introducción
a. Fallas prematuras e inesperadas en sarta de
perforación causan perdidas de tiempo y dinero
cuantiosas.
b. Reduciendo las fallas en la sarta de perforación
aumenta la eficiencia del equipo y reduce los
costos.

DE
Feb 2002
Que es una Sarta de Perforación?

Que es una Falla en la Sarta de Perforación?
Que es una Falla en la Sarta de Perforación?
a. Cuando un componente no puede realizar
DE
Feb 2002
sus funciones
b. Separación Completa (partición)
c. Fuga
Localización?
a. Cuerpo del Tubo, Conexión o Rosca
b. Cualquier componente de la Sarta de
Perforación

DE
Feb 2002
Tipo de Fallas
Mecanismos que pueden causar fallas
• Tensión
• Torsión
• Fracturas por Fragilización por Hidrogeno
• Fatiga
• Otras Causas

DE
Feb 2002
Tipo de Fallas
Mecanismos, grupo 1
• Tensión
• Torsión
• Combinación de Tensión y Torsión
• Presión de Colapso
• Presión de Estallido

DE
Feb 2002
Tipo de Fallas
Mecanismos, grupo 2:
• Fatiga
• Cajas Abiertas
• Fracturas por Hidrogeno
• Fracturas por Corrosión

DE
Feb 2002
No son
posibles
las Fallas
Tipo de Fallas
Mecanismos
Grupo 2
Mecanismos
Grupo 1
No son
posibles
las Fallas
Posibles Fallas Posibles Fallas
Operación Normal
Rango de Esfuerzos
0 Fluencia Última

DE
Feb 2002
Análisis de Fallas
Fatiga
77%
Corrosión
9%
Tensión y
Torsión
14%

•Las fallas por tensión ocurren cuando se excede
la capacidad de carga del componente mas débil
de la sarta de perforación. Generalmente es la
tubería de perforación en el tope del hoyo.
•Ocasionalmente falla la junta si se le aplica
Torque por encima del recomendado.
DE
Feb 2002
Fallas a la Tensión

DE
Feb 2002
Fallas a la Tensión
a. La carga a la tensión es
mayor que la resistencia
máxima a la tensión.
b. La superficie de la falla
esta escarpada y a 45
grados del eje de la
tubería.
c. La tubería presenta un
cuello junto a la fractura.

DE
Feb 2002
Prevención de Fallas a la Tensión o
Torsión
La mayoría de las fallas por
tensión o torsión se pueden
eliminar utilizando un proceso
efectivo de diseño y buenas
practicas en las inspecciones.

DE
Feb 2002
Respuesta a Fallas por Tensión
§Seleccionar tubería de perforación capaz de
soportar las cargas anticipadas mas un margen
de sobre tensión, mas un factor de diseño.
§Utilizar un sistema de identificación que
muestre el peso y el grado. Revisar las marcas
en el pin para confirmar el peso y el grado.
§Asegurarse que el indicador de peso del
equipo de perforación esta calibrado
correctamente y no excede de la carga a la
tensión permitida.

•Las juntas estándar API tienen una resistencia a
la torsión del 80% sobre el tubo al que
encuentran soldadas.
•Por esta razón en todos los casos las fallas por
torsión siempre van a ocurrir en las juntas.
DE
Feb 2002
Fallas a la Torsión

DE
Feb 2002
a. Por exceso del Máximo
esfuerzo a la tensión.
b. Las forma de las fallas es un
pin estirado o una caja en
forma de campana.
c. Las fallas por torsión
ocurren generalmente en las
juntas.

DE
Feb 2002

•Seleccionar el DE y el DI de la junta de manera que el torque
de apriete máximo exceda la torsión máxima anticipada.
•Revisar todas la juntas para asegurar que cumplan con todas
las dimensiones requeridas.
•Asegúrese que la herramienta para aplicar el torque funciona y
esta calibrada correctamente.
•Utilizar grasa para juntas API con un factor de fricción (FF)
entre 0.95 y 1.05 o compensar apropiadamente el torque
aplicado.
•Apretar las conexiones hasta el Torque recomendado..
DE
Feb 2002
Respuesta a Fallas por Torsión

• Este tipo de falla es mas frecuente que ocurra pescando
o tensionando la tubería pegada.
DE
Feb 2002
Combinación a las Fallas de Tensión y
Torsión

DE
Feb 2002
Fallas al Colapso o Estallido
•La tubería de perforación puede estallar o colapsarse si
se exceden la capacidad en cargas de presión.
•El estallido es mas probable que ocurra en la parte
superior del hoyo.
•El Colapso es mas probable que ocurra en la parte
inferior del hoyo, cuando la tubería es evacuada para
realizar pruebas de pozo.

DE
Feb 2002
Desgaste
Si se esperan desgastes significativos durante la
perforación se pueden utilizar herramientas para
medir la reducción en el grosor.
La presión de colapso y de estallido son determinadas
por la parte mas delgada de la tubería, la resistencia
a la sección con el área de la sección transversal en
ese punto.
Burst strength
determined by
minimum wall
thickness.
Tensile strength
determined by
remaining area.

DE
Feb 2002
Reducción del Desgaste
• El desgaste se puede reducir al:
• Reducir las fuerzas laterales minimizando la severidad
del agujero (especialmente en la parte superior del
agujero) y utilizando protectores en la tubería de
perforación.
• Utilizando fluidos de perforación que contienen sólidos.
• Utilizar llaves de fuerza con dados afilados.
• Minimizando las horas de rotación (utilizar motores de
fondo)

DE
Feb 2002
Temperaturas Elevadas
La resistencia a la fluencia de la mayoría de los
materiales (incluyendo el acero) se reduce con
temperaturas elevadas.
En pozos profundos, la resistencia del revestidor se
debe corregir utilizando un factor de corrección por
temperatura que se puede obtener del fabricante.
Esta reducción en la resistencia es aplicada antes
del factor de diseño.

DE
Feb 2002
Resistencia Térmica
Esfuerzos Térmicos se relacionan con el diseño del revestidor
a pandeo. El coeficiente de Expansión Térmica a (Símbolo
griego Alpha) proporciona el esfuerzo térmico en un cuerpo
uniforme sujeto a un calentamiento uniforme.
Thermal Strain = Expansion / Original Length
Thermal
Original Length expansion

DE
Feb 2002
Coeficiente de Expansión Térmica
El coeficiente de expansión Térmica esta dado por:
Tensión e = 6.9 x 10-6 /°F (1.24 x 10-5 /°C)
Por cada °C que incremente en forma uniforme
el acero se expandirá en 0.0000124 de su
longitud original.

DE
Feb 2002
Ejemplo de Esfuerzos Térmicos
• Un Revestidor de
producción esta
cementado hasta 4000´.
Si el revestidor se va a
calentar en promedio 60°
cuando este en
producción. ¿cuál será la
expansión en longitud del
Revestidor?
• 1.24 x 10-5 x 4000’ x 60°
= 2.98’
• Un Revestidor de
producción esta
cementado hasta 3500´.
Si el revestidor se va a
calentar en promedio 65°
cuando este en
producción. ¿cuál será la
expansión en longitud del
Revestidor?
• 1.24 x 10-5 x 3500’ x 65°
= 2.82’

Fallas Relacionadas con la Soldadura
•Con la obvia excepción de la soldadura de la junta al
cuerpo del tubo de perforación, se debe evitar soldar
componentes en la sarta de perforación. La soldadura
altera las propiedades mecánicas del acero a menos que
el componente reciba un tratamiento térmico.
•Si es absolutamente necesario utilizar un elemento
soldado en la sarta de perforación se debe seguir el
procedimiento siguiente…
DE
Feb 2002

Fallas Relacionadas con la Soldadura
DE
Feb 2002
l Que un especialista diseñe el procedimiento de
soldadura y controle las variables necesarias para
obtener una soldadura con las propiedades deseadas.
lEvaluar el procedimiento y seguirlo al pie de la letra.
Luego confirmar que se han obtenido las propiedades
deseadas.
lSi se utiliza un soldador diferente al que realizo la
soldadura inicial este debe estar calificado para realizar el
procedimiento específico.

DE
Feb 2002
Fallas por Fatigas – Grupo 2
Mecanismo
• Esfuerzos cíclicos con esfuerzos pico por encima del
40% de la resistencia última a la tensión.
• Concentradores de esfuerzo que elevan localmente los
esfuerzos.
• Ambiente Corrosivo
• Dureza a la Fractura

DE
Feb 2002
Factores que contribuyen a la
Fatiga
l Fuentes de cargas cíclicas
a. Rotar la sarta en una pata de perro
b. Rotar el BHA a través de un cambio de
diámetro en el hoyo.
c. Pegadura/Deslizamiento de los
estabilizadores.
d. Rotar la tubería en un área lavada.
e. Remolinos en la Barrena
f. Rebote de la barrena.

DE
Feb 2002
Esfuerzos Cíclicos
La tubería siendo rotada en
la pata de perro.
• Un lado en tensión y el otro
en compresión.
•La suma y resta de fuerzas
crea cargas cíclicas.

DE
Feb 2002
Concentradores de Esfuerzos
Concentradores de Esfuerzos…Los
aceleradores de la fatiga:
l Los Concentradores de esfuerzo enfocan y
magnifican los esfuerzos cíclicos en puntos
específicos.
lEstos puntos se convierten en el origen las
grietas por fatiga, que actúan como sus propios
concentradores para acelerar el crecimiento de
la grieta hasta fallar.
lLos refuerzos internos, la raíz de las roscas, las
muecas por corrosión son los concentradores de
esfuerzos mas comunes.

Esfuerzos Cíclicos & Concentradores
DE
Feb 2002
de Esfuerzos
Áreas de
Concentración de
Esfuerzos
Concentración de Esfuerzos en la
punta de una grieta

Esfuerzo Cíclicos y Concentradores de
DE
Feb 2002
Esfuerzos
En la figura se aplica un momento de flexión al final de una tubería de
perforación. Este esfuerzo a la tensión en la tubería es representado por los
contornos de esfuerzo. El diagrama muestra que la concentración de los
contornos de esfuerzo en el punto R, localizados en el final de un refuerzo.
Este es el punto donde se concentra la mayoría de los esfuerzos en cualquier
parte de la tubería.

•Una grieta por fatiga es suave y plana a menos que la
superficie sea alterada por erosión o daño mecánico.
•La grieta va a estar orientada perpendicularmente al eje
axial de la tubería o la conexión.
•Las grietas por fatiga se originan en concentradores de
esfuerzos como refuerzos internos, ranuras hechas por
las cuñas y muecas por corrosión.
•La superficie de una grieta por fatiga muestra un modo
de ataque. Aparecen marcas cruzadas cuando múltiples
grietas se unen para formar una grande.
DE
Feb 2002
Reconocimiento de Fallas por Fatiga

DE
Feb 2002
Reconocimiento de Fallas por Fatiga

DE
Feb 2002
Reconociendo Concentradores de
Esfuerzo
a. Las cargas cíclicas
producen grietas muy
pequeñas.
b. Con el aumento del número
de ciclos las grietas crecen.
c. La fatiga es acumulativa.
d. La grietas por fatiga ocurren
en un plano de 90 grados
con respecto al eje axial de
la tubería.

DE
Feb 2002
Reconociendo Concentradores de
Esfuerzo
Corte realizado por las cuñas

DE
Feb 2002
Corrosión
• La corrosión reduce el
espesor de las paredes de la
tubería.
• Existen tres patrones de
corrosión;
a. Reducción Uniforme del
espesor de las paredes.
b. Patrones puntuales de
perdida de metal.
c. Picaduras
• El problema principal son las
picaduras.
• Las picaduras son perdidas
muy puntuales de metal que
penetran la pared del tubo.

DE
Feb 2002
Corrosión
La corrosión ocurre por reacciones electroquímicas con agentes
corrosivos. La tasa de corrosión se incrementa por:
l Alta temperatura. La tasa se duplica por cada 31 °C.
l Tasa de Bombeo. Especialmente si existen sólidos
abrasivos presentes. La erosión remueve la capa
protectora de productos anticorrosivos y expone al metal
nuevo.
l Concentración alta de agentes corrosivos (O2, H2S, CO2).

Daños por Corrosión
•Las Picaduras conllevan a una
eventual falla.
DE
Feb 2002
Reconociendo Fallas por Corrosión

•Daño por Corrosión
¿Cuanta corrosión es demasiada?
No existe una respuesta cuantitativa para esto, por lo que
la mayoría de la compañías utilizan la regla de que a
tasas mayores de 1 a 2 lbs/pie2/año se deben tomar
acciones correctivas.
DE
Feb 2002
Ambientes Corrosivos

DE
Feb 2002
Fragilidad por H2S
Exponer Aceros de alta resistencia a la tensión a
presiones parciales de H2S mayores de 0.05 psi a
presiones menores al umbral (que varia en cada grado de
acero) puede conllevar a una falla catastrófica.
El metal se vuelve frágil y se parte repentinamente y sin
avisar.

DE
Feb 2002
Fracturas por Fragilizacion por
Hidrogeno
Ocurre en ambientes con H2S
Fe++ + H SÞFeS + 2H+ 2
El hidrógeno (H +) migra dentro del acero y
se reúne en puntos con altos esfuerzos.
El átomo de hidrogeno se combina para
formar una molécula de hidrogeno (H 2)
formando una grieta.
2 2H+ + 2eÞH

Ruptura Creada por Esfuerzo de Sulfuro
DE
Feb 2002

DE
Feb 2002
Ley de Presiones Parciales de
Dalton
N2
O2
Imagine un recipiente de 1 bbl lleno de dos gases; 80% Nitrógeno y 20%
Oxigeno. La presión en el recipiente es de 100 psi.
Las reacciones químicas con el Oxigeno ocurren como si el oxigeno ocupara en
contenedor completo. Si se removiera el Nitrógeno la presión en el recipiente
sería de 20 psi (Ley de Boyle; P1V1 = P2V2 so P2 = P1V1 ¸ V2 = 0.2 x 100 =
20 psi).
En este ejemplo, se puede decir que la presión parcial del oxigeno es de 20 psi.
(0.2 x 100). La suma de todas las presiones parciales es igual a la presión total
del recipiente.
Presión Parcial de un Gas = Presión original x fracción de volumen del gas.

Ejercicio Parciales sobre Presiones de
DE
Feb 2002
H2S
• Un gas a una presión de 1,000
psi contiene 50 ppm (partes por
millón) de H2S. ¿cuál es la
presión parcial de H2S?
• pp H2S = 50 x 1000 ¸1,000,000
= 0.05 psi.
• Un gas a una presión de 1,400
psi contiene 3 ppm (partes por
millón) de H2S. ¿Cuál es la
presión parcial de H2S?
• pp H2S = 3 x 1400 ¸ 1,000,000
= 0.042 psi.

Resistencia a la Fractura…El inhibidor de Fatiga:
lLa resistencia a la fractura es una medida de la capacidad
del material a la propagación de una grieta existente, bajo
cargas de Tensión.
lEs mas difícil extender una grieta en un material resistente
que en un material frágil.
DE
Feb 2002
Resistencia a la Fractura

Buen Material y Diseño de Componente
DE
Feb 2002
En términos prácticos, todo esto significa que si un componente es
frágil una grieta “pequeña” causará una falla catastrófica cuando en un
material resistente una grieta de mayor tamaño puede existir antes que
se parta la tubería. A mayor resistencia del material, mayor tamaño
puede tener la grieta antes que la tubería se parta.

Buen Material y Diseño de Componente
DE
Feb 2002

DE
Feb 2002
Prevención de Fallas por Fatiga
La solución de este problema esta a la mano
para el científico aeroespacial promedio.......
REDUCIR EL NÚMERO Y LA SEVERIDAD DE
LOS CONCENTRADORES DE ESFUERZOS
CÍCLICOS.

DE
Feb 2002
lLa Fatiga no se puede eliminar
se puede limitar el daño al:
• Detectar en forma temprana las vibraciones y lavados.
• Comenzar con buenos materiales y buen diseño de
componentes.
• Reducir los esfuerzos cíclicos y las concentraciones
de esfuerzos.
• Reducir la corrosividad del ambiente.
• Asegurar buenas prácticas operativas en el campo
• Seguir un plan de inspección

• Esfuerzo Cíclico…La causa de la Fatiga:
l Planear la trayectoria del pozo con la menor severidad posible
l Evitar prácticas que crean patas de perro no planificadas,
especialmente en hoyos verticales.
l Invertir en viajes para enderezar el hoyo o reducir las patas de
perro.
l Estabilizar el BHA, especialmente si el agrandamiento del hoyo
alrededor del hoyo es un problema.
l Mantener el punto neutro debajo del tope del BHA.
l Mantener la compresión de la tubería de perforación menor a la
carga crítica de pandeo en hoyos de alto ángulo.
DE
Feb 2002

•Esfuerzo Cíclico…La causa de la Fatiga:
l Monitorear las vibraciones. Evitar combinaciones de
configuraciones de BHA, peso sobre la barrena, y RPM que
promueven las vibraciones.
l Considerar rotar la sarta mas lentamente, introduciendo un
motor de fondo en el BHA, únicamente si los requerimientos de
Limpieza y Direccionales de hoyo lo permiten.
DE
Feb 2002

•Corrosión…El catalizador de la Fatiga
Reducir los efectos corrosivos al…
• Reduciendo el O2 disuelto
• Reduciendo el CO2 disuelto
• Incrementando el pH a > 9
• Agregar recubrimientos e inhibidores
DE
Feb 2002

DE
Feb 2002

Previniendo Fallas por Fragilización por
DE
Feb 2002
Hidrogeno.
lMantener el H2S fuera del sistema de lodo
al:
i) perforar sobrebalance
ii) manteniendo un ph elevado
iii) utilizar recolectores de H2S
iv) utilizando lodo base aceite
lControlando la metalurgia
Utilizar un grado diferente de tubería

DE
Feb 2002
Por que Inspeccionar las
Conexiones?
Garantizar la integridad de las conexiones
Evitar dejar herramientas en el hoyo
Evitar danos como derrames y lavado
Evaluar las roscas a reparar
Requerimientos del cliente

DE
Feb 2002
Métodos de Inspección
Ultrasonido
Partículas Magnéticas
Líquido (Tinta) Penetrante
Radiografía
Visual

Política de Inspección de cuatro áreas
• Programa de inspección a utilizar
• Criterios de Aceptación o Rechazo
• Asegurar que las inspecciones se hagan
correctamente
• Frecuencia de inspección
DE
Feb 2002
Programa de Inspecciones

DE
Feb 2002
Programa de Inspecciones
Que es un Buen Programa?
– No hay respuesta “Perfecta”
– DS-1 es una guía pero no una política
Áreas a considerar cuando se crea un programa
– Severidad a las condiciones de perforación
– Seguridad e Impacto ambiental de una falla
– Impacto de costo de una falla
– Tolerancia al riesgo de la gerencia.

• Que es una Falla de la Sarta de Perforación?
• Mecanismos de Falla
• Prevención de Fallas en la Sarta de Perforación
• Inspección
DE
Feb 2002
Resumen y Revisión

• Mecanismos de Fallas
– Tensión
– Torsión
– Fracturas por Hidrogeno
– Fatiga
DE
Feb 2002
Resumen y Revisión

• Prevención de fallas en la Sarta de Perforación
– Diseñe considerando los límites de la tubería
– SSC se puede controlar
– La Fatiga no se puede eliminar completamente
• Pero se puede reducir sus efectos negativos.
DE
Feb 2002
Resumen y Revisión

•Inspección
– Decidir un programa
– Conozca las causas de la falla
– Conozca la historia de la sarta de perforación
– Sea proactivo
DE
Feb 2002
Resumen y Revisión

DE
Feb 2002
Conexiones
Los objetivos son…
• Tipos de conexión
• Consideraciones de diseño
• Esfuerzo en una conexión-
BSR
• Como hacer una conexión

DE
Feb 2002
Porque tener Conexiones?
• Hacer una sección de tuberías continuas
• Proveer un sello hidráulico
• Transferir torque desde la superficie hasta la
barrena
Pin Caja

DE
Feb 2002
Consideraciones para el Diseño de
Conexiones
• Tipos de roscas (perfil)
• Material (Grada)
• Sello
• Resistencia a la flexión
• Torque de apriete

DE
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Tipos de Roscas
Reg - Regular
NC - Conexiones Numeradas
IF - Flujo Interno
H-90 - “Hughes”
FH - Agujero Completo

DE
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Identificación del Tipo de Rosca
Utilizar una regla para conexiones

DE
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Sellante
Sello
La rosca NO proporciona sello hidráulico.
El hombro es el
Box
único sello
Pin
Canal

•Resistencia a la torsión de la conexión
•Resistencia torsional de la conexión en lastra
barrenas
•Torque de apriete
• Factor de fricción de la grasa de conexión
• Características especiales en las conexiones
del BHA
DE
Feb 2002
Consideraciones de Diseño

DE
Feb 2002
Resistencia a la Torsión de las conexiones:
lLa mayoría de las conexiones estándares son
mas débiles a la torsión que los tubos a los que
están soldadas.
lAPI coloca la resistencia a la torsión de las
conexiones a un valor arbitrario de 80% de la
resistencia a la torsión del tubo en la mayoría de
los casos.

DE
Feb 2002
Resistencia Torsional de la conexión de los Lastra
barrenas:
lLa resistencia Torsional de la conexión de un Lastra
barrena siempre será diferente del de una conexión de las
mismas dimensiones.
lLa capacidad Torsional de los Lastra barrenas raramente
es una preocupación porque sus conexiones son mas
grandes y están sujetas a menores cargas de torsión que
las conexiones de la tubería de perforación.
lLa resistencia torsional de un Lastra barrena no esta
disponible en la mayoría de las publicaciones, pero puede
ser calculado utilizando la siguiente formula....

Conexiones
Resistencia Torsional de la conexión de los Lastra
barrenas:
DE
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MUT
f
TS =
TS= Resistencia Torsional
MUT= Torque de Apriete
F= mirar al lado
Tamaños de Lastra barrenas:
Tipo de Rosca 3 1/8”-6 7/8” >7”
PAC f=0.795 N/A
H-90 f=0.511 f=0.562
Otras f=0.568 f=0.625
El factor f es simplemente la fracción decimal
de la resistencia Torsional que forma la base
del Torque de apriete de los Lastra barrenas.

Otras revisiones a realizar:
Cargas Combinadas
• La Tensión reduce la capacidad de presión al
colapso de la tubería de perforación.
• La Torsión reduce la capacidad de tensión de la
tubería de perforación.
• Apretar la conexión después de un cierto punto
reduce la capacidad a la tensión de la conexión.
• La Tensión reduce la resistencia a la torsión de
conexiones débiles en el Pin.
DE
Feb 2002

DE
Feb 2002
Resistencia a la Flexión
Tensión
Compresión
Junta Flexionándose

Proporción de Esfuerzo de Tensión
La relación de Resistencia a la Flexión o BSR es la rigidez
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relativa de la caja con respecto al pin en una conexión dada.
Rangos Recomendados de BSR:
BSR Tradicional BSR Recomendado
< 6 pulgadas 2.25 - 2.75 1.8 - 2.5
7 7/8 pulgadas 2.25 – 2.75 2.25 - 2.75
>/= 8 pulgadas 2.25 – 2.75 2.5- 3.2

Proporción de Esfuerzo de Flexión
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“Conexión
Alto riesgo
de falla prematura
de caja
Alto riesgo
de falla prematura
de piñón
Vida Máxima Balanceada”
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Proporción de Esfuerzo de Flexión
Vida de la Fatiga (ciclos)
Caja Débil Piñón Débil

DE
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Esfuerzos en las Conexiones
Grietas en la última rosca del Pin
Grietas en la última rosca de la caja
Esfuerzos
en la Caja
Esfuerzos
en el Pin

– Las características de alivio de Esfuerzos están
descritas en la sección 6 de la Especificación 7 de
API, y se debe aplicar en conexiones del BHA, NC-
38 o mayores.
- No se recomiendan ranuras de alivio de esfuerzo en
pines mas pequeños que el NC-38, ya que esto
puede debilitar la resistencia a la tensión y a la
torsión de la conexión.
- Las cajas ensanchadas se pueden usar en cajas
mas pequeñas y se deben considerar si están
ocurriendo fallas.
DE
Feb 2002
Características de Esfuerzo

Características del Alivio de Esfuerzos
DE
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Pin Normal Pin con ranura de alivio de
Esfuerzos
Caja Normal Caja Ensanchada
Caja con ranura
para alivio de
Esfuerzos

Características del Alivio de Esfuerzos
Rolado en Frío
- El rolado en frío de las roscas del BHA y las
superficies de alivio de esfuerzos aumenta la
resistencia a la fatiga al colocar un esfuerzo
compresivo residual en la raíz de la rosca.
- El rolado en frío es beneficioso para las roscas de
los HWDP pero no para las juntas de la tubería de
perforación.
DE
Feb 2002

Haciendo una Conexión
en el Equipo de
Perforación

DE
Feb 2002
Aplicación de la Grasa

DE
Feb 2002
Colocación de Llaves

DE
Feb 2002
Listo para Apretar

DE
Feb 2002
Torque de Apriete

DE
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Línea de Tiro
Medidor de línea de tiro Celda de Carga

DE
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DE
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III II I
IV
VI
V
Tipo de
Sección Función
Características
Deseadas
Consideraciones
Deseadas
I BHA Control
Direccional
Rígido y Bajo
Peso
Minimizar el Torque y
Arrastre
II TP Transferenci
a de Peso
Rígido y Bajo
Peso
Arrastre, resistencia
adecuada al Pandeo
III
TP o
HW
DP
Transferenci
a de Peso Rígido y Bajo
Peso
Arrastre, resistencia
adecuada al Pandeo
IV
HWD
P
Transferir y
Proveer
Peso
Rígido y Peso
Moderado
resistencia elevada al
Pandeo
V
HW
DP o
DC
Proveer
Peso
Peso
Concentrado
Componente de
Transición
(De Compresión a
Tensión)
VI
TP Peso de
Soporte
Límites de
Torsión y
Tensión
Proveer márgenes
adecuadas de
Tensión y Torsión

Diseño
• Procedimiento de Diseño
Seleccionar el diámetro del Lastra barrena:
Consideraciones importantes:
• Facilidad de Pesca
• Capacidad de las herramientas del equipo
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para manejarlos.
• Requerimientos de control direccional.
• Hidráulica
• Características exteriores deseadas.

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Seguridad y Factores de Diseño
¿Cual es la diferencia entre el factor de seguridad y el
factor de diseño?
La diferencia principal es que el factor de seguridad
siempre utiliza un valor basado en una falla catastrófica.
Con un factor de diseño, el valor se puede basar en
prácticamente cualquier cosa (p.e. El limite elástico, un
criterio de resistencia, falla, etc.).

DE
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Factores de Seguridad
El factor de seguridad se calcula de la siguiente manera:
Failure Load
Actual Applied Load
Safety Factor =
Cuando la carga aplicada alcanza la carga de falla, p.e.
Cuando se alcanza el factor de seguridad de 1.0, la falla
es inminente. Por esto, la falla va a ocurrir si el factor de
seguridad es menor de 1.0.

DE
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Factores de Diseño
¿Porque se necesita emplear un factor de Diseño? ¿por
qué no se utiliza la resistencia Mínima de API?
1. La resistencia mínima a la fluencia de API excede el
límite elástico. Por esto API recomienda utilizar un
factor de Diseño de 1.1 para prevenir la deformación
permanente de los tubulares, a menos que el
fabricante recomiende un factor de Diseño diferente.
2. Para tomar en cuenta fuerzas desconocidas o
difíciles de calcular; como las cargas de impacto
mientras se corre dentro del hoyo.

DE
Feb 2002
Factores de Diseño
El Factor de Diseño se calcula de la siguiente manera;
Rating of thePipe
Maximum Anticipated Service Load
Design Factor =
El Factor de Diseño normalmente es mayor de 1.

Factores de Diseño
•Peso en exceso del BHA (DF BHA): 1.15
•Tensión (DFT)>: 1.10
•Margen de Sobre Tensión (MOP): 160,000 lbs
Peso en exceso del BHA : Este factor establece la cantidad de peso
en exceso del BHA comparado con el peso el peso sobre la barrena a
aplicar. Este peso adicional provee un margen para mantener el
punto neutro abajo del tope del BHA. El valor recomendado es DFBHA
= 1.15.
Tensión (DFT): Este factor establece la máxima carga a la tensión
permitida para un tubo específico. Los valores utilizados comúnmente
del DFT varían entre 1.0 y 1.1.
Margen de Sobre-Tensión (MOP): Es la capacidad de tensión en
exceso deseada sobre la carga normal para soportar el arrastre en el
hoyo y durante los casos de pega de tubería. El valor normal varía
entre 50,000 y 150,000 lbs.
DE
Feb 2002
Diseño

• Procedimiento de Diseño
Otras revisiones que hacer:
- Calcular el radio de rigidez
- Localización de los Estabilizador
- Presión de Estallido
- Presión de Colapso
- Pandeo de la tubería de perforación
- Factor de flotación para componentes de material
diferente al acero.
- Colapso por las cuñas
DE
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Diseño

DE
Feb 2002
Factores de Diseño - Tensión
Los factores de diseño recomendados en la
industria varían desde 1.3 (Neal Adams) hasta 1.8
(Preston Moore). IPM esta preparando un política
para este caso.
API recomienda un factor de diseño de alrededor de
1.1 aplicada a la resistencia mínima o según lo
recomienda el fabricante de la tubería (API RP7G
pág. 42).
Shell utiliza 1.15 para el diseño de sartas de
perforación y 1.3 para el diseño de revestidores.

DE
Feb 2002
Factores de Diseño - Compresión
API indica que para la resistencia mínima a la tensión
en aceros normales se calcula la carga requerida para
producir un estiramiento de 0.5%. La misma carga en
compresión produce una contracción de 0.5%.
El Boletín 5C2 de API no indica valores para la
resistencia a la compresión. Generalmente la mayoría
de las compañías utilizan la resistencia mínima a la
tensión como el valor para compresión sin modificarlo.
Para un conductor que soporte las cargas de los
revestidores, preventores, completación y cabezal,
también se utiliza el valor de la resistencia mínima a la
tensión sin modificarla (p.e. el factor de seguridad es 1).

DE
Feb 2002
Factores de Diseño - Estallido
Los revestidores pueden ser sujetos a presiones de estallido
en el transcurso de su vida útil. Generalmente se aplica un
factor de diseño de 1.1 a la presión mínima de estallido.

DE
Feb 2002
Factores de Diseño - Colapso
Como con el estallido, los revestidores pueden estar sujetos a
presiones de colapso a traves de su vida. Generalmente se
aplica un factor de diseño de 1 a la presión minima de
colapso.
El boletin 5C2 de API presenta la resistencia a presiones de
colapso (incluyendo las Biaxiales).

DE
Feb 2002
Factor de Corrección
Los factores de corrección por temperatura fueron
cubiertos en el capítulo anterior. Si se va a aplicar un
Factor de Corrección por Temperatura, también se debe
aplicar el factor de diseño.

DE
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Factores de Corrección por Temperatura
(Nippon Steel)
Temperatura
°C
Temperatura °F Factor de
Corrección de la
Resistencia
20 68 1.0
50 122 0.95
100 212 0.88
150 302 0.84
200 392 0.81

Corrección de Temperatura & Factores de Diseño
• Ejemplo; un revestidor con una
resistencia mínima a la fluencia de
5,000 psi estará sometida a una
temperatura de 200 C (TCF 0.81).
La política es utilizar un factor de
diseño de 1.1 al estallido. ¿Cual
es la máxima presión al estallido
que el revestidor va a estar sujeto
durante su vida de servicio?
DE
Feb 2002
• Ejercicio; una tubería de
perforación con una resistencia
mínima a la fluencia de 9,000 psi
estará sometida a una
temperatura de 150 C (TCF 0.84).
La política es utilizar un factor de
diseño de 1.1 al estallido. ¿Cual
es la máxima presión al estallido
que el revestidor va a estar sujeto
durante su vida de servicio?
5000 0 84
´ psi
psi
5000 0 81
.
.
3680
1 1
=
.
.
6870
1 1
=
´

DE
Feb 2002
Pandeo

DE
Feb 2002
Pandeo
(acero)
E = 30 ´106
( 4 4 )
p
I = ´ OD - ID
64
W = peso en el aire x factor de flotación
K = 1-(MW / 65.5)

DE
Feb 2002
Puntos de Interés

DE
Feb 2002
¿Cual es el peso máximo sobre la barrena para que no ocurra
pandeo debajo del punto tangencial?

DE
Feb 2002
¿Cual es el peso máximo sobre la barrena para que no ocurra pandeo
encima del punto de inicio de desviación?

DE
Feb 2002
¿Cual es el peso máximo sobre la barrena para que no ocurra pandeo?

DE
Feb 2002
Ejemplo
•Calcular la carga critica de pandeo para TP de 4 ½”, grado E,
peso nominal de 16.6 lbs/pies. Angulo del hoyo es de 50° . Peso
del Lodo es de 14ppg
Información Adicional
OD conexión: 6 3/8”
ID: 3 ¾”
Peso Ajustado : 17.98

DE
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Ejemplo
Tamaño del Hoyo: 12 ¼”
Angulo del Hoyo: 0° sobre KOP, 75° tangente
BUR: 6°/100’
MW: 10ppg
BHA: 95 ft - 140 ft/lb.
HWDP: 93 ft – 53.7 lb./ft
DP: 5”. 19.5 lbs/ft
La barrena esta a 1000 pies dentro de la tangente
(75°)
Factor de Diseño: 1.15
•Cual es el peso máximo sobre la barrena sin pandear
en ninguna parte la tubería de perforación?

DE
Feb 2002
Análisis de la Sarta de Perforación
•Análisis de torque y arrastre para la perforación y los viajes
•Proveer cargas criticas axiales y de pandeo
•Proveer fuerzas y esfuerzos laterales
•Tendencias del BHA y fuerza en la barrena con modelo de equilibrio ren 3D

DE
Feb 2002
• Calcular el torque y
arrastre
• Analizar la sarta de
perforación y el
comportamiento del BHA
• Investigar las diferentes
operaciones de
perforación
• Calcular las cargas y fuerzas
que actúan sobre la sarta de
perforación
• Calcular la tasa de
construcción y giro del BHA

DE
Feb 2002
Análisis de la Sarta de Perforación
60
50
40
30
20
10
0
TRIPPING LOADS ANALYSIS
3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
-10
-20
-30
Bit Depth (ft)
CSG_FF= 0.00 OPH_FF= 0.00
CSG_FF= 0.20 OPH_FF= 0.20 Trip in
Bore Hole: Borehole #1
Engineer: Cooper
Client: Oil Co.

DE
Feb 2002
Identificación de Riesgo
P2 base
P4 base
P6 base
Shallow Kick Off
P2 base
P4 base
P6 base
P2 base
P2 12 1/4" - TD
P4 base
P4 12 1/4" - TD
P6 base
P6 12 1/4" - TD
P6 "S" 81/2"
P6 "S" 12 1/4" - TD
INJ "S" 12 1/4"
P2 WBM
P2 OBM
P4 WBM
P4 OBM
P6 WBM
P6 OBM
P6 "S" 9 7/8" WBM
P6 "S" 9 7/8" OBM
Directional Control
T&D Drilling
T&D Casing
Surveying and A/C
ECD Drilling
ECD Casing
Hole Cleaning
Wellbore Stability
Mud Losses
Low Temp Effect
Cementing
Well Control
Signal Transmission
Formation Evaluation
Sidetracking
Completion Running
Communication
Top Hole 17 1/2" 12 1/4" 8 1/2"

DE
Feb 2002
• Magnitud de las cargas (torsión, al levantar,
flexión)
• Pandeo
• Limitaciones Hidráulicas
• Arrastre

DE
Feb 2002
Fuerzas Axiales
Inc=0° 90° >Inc>0° Inc=90
W
AF
°
SF = W
W
SF
AF

15 criterios de dieño de sartas y fallas del material

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