Tomo05 tuberias

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Tomo05 tuberias

  1. 1. Tuberías Tuberías Tuberías ÍNDICE página INTRODUCCIÓN 3 I. CONCEPTOS GENERALES 3 ¿Qué es una tubería? 3 Acero 4 Clasificación por objetivo 4 Clasificación por función 5 Datos de tuberías 6 Proceso de fabricación 6 Propiedades mecánicas 16 Conexiones o juntas 18 Tipos de juntas 19 Proceso de maquinado 22 Estándares sobre tuberías 25 Diseño de sartas de tuberías 28 Retrospectiva de métodos 30 II. CAPACIDAD DE RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS 32 Condiciones de falla 32 Cedencia 33 Colapso 34 Estallamiento 40 Tensión 40 Fallas por carga de presión 46 Ejemplos de fallas en tubulares 47 Diagrama de capacidad de juntas 54
  2. 2. Tuberías Tuberías in Agnormally Pressured Wells", documento IADC/ SPE 17178 presentado en 1988 IADC/SPE DrillingIII. CONDICIONES DE CARGA 55 Conference en Dallas, Tx, Febrero 28, Marzo 2, 1988. Eventos de carga 56 38. H. Ramos y D. Hernández; "Investigación del fe- Cargas de presión 57 nómeno de colapso en tuberías de revestimiento y de producción", Villahermosa, Tab, Agosto 1999. Perfiles de presión externa 58 Perfiles de presión interna 59 39. Sandvik Stell; "Sandvik Steel Corrosion Handbook Cargas axiales 61 Stainless Steels", Suiza 1994. Cargas no axiales (formaciones plásticas) 64 40. H. Kinsel, T. Koithan y B. Lirette; "A new Approach Cargas triaxiales 64 to Calculate the Optimum Placement of Centralizers, Efectos axiales 64 includes toque and Drag Predicions", documento Corrosión 69 IADC/SPE 36382, presentado 1996 IADC/SPE Asia Condiciones iniciales de carga 70 Pacific Drilling Technology Conference en Kaula Malasia, Septiembre 9-11, 1996.IV. SELECCIÓN DE TUBULARES 73 41. Applied Drilling Enginering, SPE Text Book Series, Vol 2.0, Bourgoyne, Adam T, 1991. Métodos de selección 74 42. Beggs; "Production Optimization", Using NODAL Selección de juntas 75 Analysis, H.D. 1991. Selección hidráulica de tubería de producción 76 Análisis de torque y arrastre 81 43. Effect of wear and Bending on Casing Collapse Ancalado de TR 82 Strength, Kuriyama, Y.T., 1992. Centradores de tuberías de revestimiento 83 44. Minimum Cost Casing Design, Halal, A.S. SPE 36448, 1994.V. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO MECÁNICO 85 45. Economides, Watters, dunn Norman "Petroleum Well Construction", John Wiley, 1998. Tubería de producción 85 Procedimiento de diseño 85 46. Benito Ortiz Sánchez, "Diseño de aparejos de Eventos de carga 86 Producción por Metalurgia", División de Estudios de Diseño de sartas de perforación 88 Posgrado, Facultad de Ingeniería UNAM. Octubre 1991. Los aparejos de fondo convencionales 90 Método de flotación de Lubinski 90 47. Fitzgerald; "Mecánica de Materiales", Edición Método de Paslay y Dawson 91 revisada, Editorial Alfaomega. Ejemplo de diseño de una sarta de perforación 92 48. Bruce D. Craig "Saour-Gas Design Considerations",VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO DE TUBERÍAS 99 Monograph Volume 15, SPE, Henry L. Doherty Memo- rial Fund of AIME Series, Richardson Texas, Primera Edi- ción 1993.REFERENCIAS 1012 103
  3. 3. Tuberías Tuberías20. T. Xu, R.G. Bea, R. Ramos, O. Valle y V. Valdes;"Uncertainties in the Fatigue Lives of tubular Joints", With a Finite-Element Method", SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), páginas 103-106. Tuberíasdocumento OTC 10848 presentado en 1999 por el.Offshore Technology Conference en Houston, Texas, 29. K.K. Biegler, "Concluions Based on LaboratoryMayo 3-6 1999. Tests of Tubing and Casing Connections", documen- to SPE 13067 presentado en 1984 SPE 50º Annual21. H. Ramos y D. Hernández; "Colapso en Tuberías Technical Conference and Exhibition en Houson,de Revestimiento y de Producción", Horizonte Tec- Texas, Septiembre 16-19, 1984.nológico, Octubre-Diciembre 1998. 30. R:M: Hackney, ¡A New Approach to Casing22. R.A. Sukup y V.C. Estes; "How new tools were Desing for Salt Formations", documento SPE/IADC INTRODUCCIÓNused to repair HPHT sour gas producer", World Oil, 13431 presentado en 1985 en la SPE/IADC Drilling Básicamente el diseño de tuberías se fundamentaJulio 1994, páginas 37-42. Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 6-8, Este capítulo presenta los elementos conceptuales re- en dos factores principales: el conocimiento del ma- 1985. lacionados con las tuberías utilizadas en los pozos pe- terial (capacidad de resistencia) y el conocimiento23. Yukihisa Kuriyama y Toshitaro Mimaki; "A New troleros, a fin de propiciar el mejor aprovechamiento de las condiciones de esfuerzos (cargas) a los queFormula for Elosto-Plastic Collapse Strength of Thick- 31. J.A. Issa y D.S. Crawford, "An Improved Desing sobre las mismas y fortalecer la práctica de la ingenie- van a estar sujetas las tuberías. El primer factor abar-Walled Casing", documento SPE 28327 presentado Equiation for Tubular collapse", documento SPE ría de perforación. Fundamenta técnicamente el dise- ca desde su fabricación hasta el desempeño mecá-en 1994 en la SPE 69º Annual Technical Conference 26317 presentado en 1993 en el 68º Annual technical ño (o selección) de las diferentes tuberías utilizadas. nico. Es la base para reconocer la capacidad de unaand Exhibition en New Orleans, LA, Septiembre 25- Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, tubería. El segundo factor significa el conocimiento28, 1994. Octubre 3-6, 1993. Como parte de los insumos que demanda un pozo, teórico y experimental necesario para ser capaces las tuberías representan un alto porcentaje en el cos- de predecir las condiciones de trabajo o de carga24. A.S. Halal y R.F Mitchell, "Casing Desing for Trapped . 32. W.T. Jones y N. Dharma; "Standarisation of to del mismo. Se tienen estimaciones generales de que se presentarán en un pozo y en consecuencia,Annular Pressure Buildup", documento SPE Drilling Tubuluar Goods for Wowldwide Application", docu- que varía del 15 al 30% de la inversión total. Por lo que soporte una tubería.and Completion, Junio 1994. Páginas 107-114. mento SPE 25328, presentado en la SPE Asian Pacific tanto, es importante considerar el costo de las tu- Oil and Gas Conference, en Singapore, Febrero 8- berías. El tema merece atención especial. Por lo anterior, el material se ha dividido en tresA. MacEachran, y A.J. Adams; "Impact on Casing 10, 1993. partes: en la primera se presenta todo lo relacio-Desing of Thermal Expansion of Fluids in Confined Las bases de todo proceso de ingeniería recaen en nado con el material “tubo”. Es decir, su procesoAnnuli" documento SPE/IADC 21911, presentado en 33. F Klementich y Michael J.Jellison; "Service-Life . los fundamentos técnicos. Sin embargo, se requie- de fabricación, las propiedades mecánicas, y la1991 SPE/IADC Drilling Conference en Amsterdam, Model for Casing Strings", SPE, Abril 1986, páginas re observar sistemáticamente la disminución de los forma de evaluar su capacidad de resistencia. EnMarzo 11-14, 1991. 141-152. costos asociados en cada proceso. Por lo que en la una segunda parte se presentan las diferentes al- práctica de la ingeniería de perforación, se deben ternativas para determinar las distintas condicio-25. L.D. Keilty y H. Rabia, "Applying Quantitative Risk 34. J.F. Greenip Jr. "How to Desing Casing Strings definir y optimizar los materiales tubulares que de- nes de carga. Se inicia por la definición de lasAssessment to Casing Desing", documento IADC/ For Horizontal Wells" 1989 petroleum Engineer ben utilizarse en un pozo. cargas y se termina por definir la forma de eva-SPE 35038 presentado en 1996 IADC/SPE Drilling International, Houston, Texas, Diciembre 1989, pá- luarlas. En una tercera parte, se presentan las téc-Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 12- ginas 34-38. El diseño de un pozo requiere la aplicación y cono- nicas de selección de los materiales, criterios y15, 1996. cimiento de una diversidad de técnicas y procedi- metodologías de diseño. 35. I.S. Meghani; "Calculating leak performance for mientos. Éstos, bien aplicados y orientados con la26. Marshall, H. Asahi y M. Ueno; "Revised Casing- API casing connections" 1984 String Desing premisa de minimizar costos, conducen a definir las I. CONCEPTOS GENERALESDesing Crieteria for Exploration Wells Containing Seminary-by-Mail, Hydriil; World Oil, Junio 1984. especificaciones de los materiales y parámetros deH2S" SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), operación óptimos para aplicar en un pozo. Como ¿ Qué es una tubería?páginas 115-118. 36. API Spec 5AX, "High-Strength, Casing, Tubing parte de este proceso, el diseño de las tuberías es Una tubería es un elemento cilíndrico hueco com- and Drill Pipe", american Petroleum Institute, Was- una actividad que debe ser recurrente en la práctica puesto generalmente de acero, con una geometría27. Yukihisa Kuriyama, T. Mimaki y Tetsuo hington, D.C- Tenth Edition, Marzo 1976. de ingeniería de perforación. Cada pozo presenta definida por el diámetro y el espesor del cuerpo queYonezawa; "Effect of Wear and Bending on Casing un comportamiento diferente para su operación y lo conforma. Para fines prácticos, se define median-Collapse Strength", documento SPE 24597 presen- A. Baryshnikov, A. Caderoni, A. Ligrone y P Ferrara, . construcción. te una geometría homogénea e idealizada. Es decir,tado en 1992 SPE 67º Annual Technical "A New Approach to the Analysis of Drillstring Fati- un diámetro nominal y un espesor nominal cons-Conference and Exhibition en Washington, DC, gue Behavior", documento SPE Drilling and El material expuesto en este libro incluye los tec- tante en toda su longitud. Sin embargo, la realidadOctubre 4-7, 1992. completion, Junio 1997. Páginas 77-84. nicismos más usuales que deben incorporarse es que no existe una tubería perfecta geomé- en el proceso de diseño de tuberías. La idea es tricamente. Adolecen de ciertas imperfecciones que28. Freda Akgun, Bill J. Mitchell y H-Peter Huttelmaire; 37. A.P Vorenkamp; "A Theory of Resultant Burst .A. mejorar y consolidar la práctica de ingeniería de serán tratadas más adelante, como la ovalidad y la"API Tubular Ovality and Stresses in Horizontal Wells Loads for Designing Production Casing: Principally perforación entre los estudiantes. excentricidad.102 3
  4. 4. Tuberías TuberíasAcero tubería. Es decir, la función de operación que Referencias debe cumplir, para ello, las tuberías se clasifi- 11. J.J. Maney y c.a. Strozier, "High-TemperatureEl acero es un metal refinado. Se obtiene a partir de can como: 1. "Halliburton Cementing Tables", Printed in USA Performance of Rotary-Shoyldered Connections",la fundición de un lingote de hierro combinado al 2XJ, Littles- Duncan, Okla, 1999. documento SPE 19554 presentado en 1989 en el 64ºmismo tiempo con otros elementos químicos. Tuberías de revestimiento Annual Technical Confererence y Exhibition of the 2. "Productos Tubulares de Acero sin Costura", Tu- SPE, en San antonio, Tx, Octubre 8-11, 1989.Los aceros se dividen en ordinarios y especiales. Son tuberías que constituyen el medio con el cual bos de Acero de México, S.A. 1998.Los aceros ordinarios contienen tres elementos prin- se reviste el agujero que se va perforando. Con 12. Y. W Know y E.F. Klementich, "An Efficent andcipales: hierro, carbono y manganeso. El carbono y ello se asegura el éxito de las operaciones lleva- 3. "Formulaire du Foreur" Gilles Gabolde, Jean Paul Accurate Model for the Structural Analysis ofel manganeso reunidos no representan más del das a cabo durante las etapas de perforación y Nguyen, Sexta Edición IFP Editorial Technip 1989. , Threaded Tubular Connections", documento SPE1.5% del metal. Los aceros ordinarios con el 0.1 a terminación del pozo. 18057 presentado en 1988 en el 63º Annual Technical1.5% de carbono se clasifican como aceros de bajo 4. "Applied Drilling Engineering", Bourgoyne, Millheim, Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx,contenido de carbono. Los aceros especiales se El objetivo de las tuberías de revestimiento es pro- Chenevert, Young., Second Printing, Society of Octubre 2-5, 1998.hacen como los ordinarios, pero se les agregan otros teger las zonas perforadas y aislar las zonas proble- Petroleum Engineers, Richardson, TX; 1991.elementos tales como: níquel, cromo, molibdeno, máticas que se presentan durante la perforación. Tal 13. M. F. Hainey, "Makeup Torques for API-Typecobre, vanadio y tungsteno. es el caso de revestir el agujero para mantener la 5. J.A. Bednarski y E.F. Flementich; "Focused Round Thread Casing Connections With Non-API estabilidad del mismo, prevenir contaminaciones, Acceptance Testing: A Logical Approach for Qualifying Weights, Grades, and Coupling Diameters", docu-Tanto los aceros al carbono como los especiales aislar los fluidos de las formaciones productoras, Critical Service Conections", documento IADC/SPE mento SPE 15517 presentado en 1986 en el 61º(aceros inoxidables, aceros resistentes a la corro- controlar las presiones durante la perforación y en 14728 presentado en 1986 IADC/SPE Drilling Annual Technical Conference y Exhibition of the SPE,sión y a las altas temperaturas), se producen en la vida productiva del pozo. Conference en Dallas, Tx, Febrero 10-12, 1986. en New Orlans, LA, Octubre 5-8, 1986.hornos eléctricos. Además, las tuberías de revestimiento proporcio- 6. Rick Johnson, Michael J. Jellison y Erich F. 14. G.M. Armstrong, and T.M. Wadworth; "FailureOtros materiales tubulares nan el medio para instalar las conexiones superfi- Klementich; "Triaxial-Load-capacity Diagrams Prevention by Selection and Analysis of Drillstem ciales de control (cabezales, BOPs), los empacadores provide a New Approach to Casing and Tubing Connections", documento SPE/IADC 16075 presen-La fabricación de tuberías se ha diversificado y extendi- y la tubería de producción. desing Analysis", artículo de la SPE drilling tado en 1987 SPE/IADC Drilling Conference endo para satisfacer la demanda de las diferentes in- Engineering, (Septiembre 1987) páginas 268-274. New Orlans, LA, Marzo 15-18, 1987.dustrias que las utilizan como insumo. Es por ello que Tuberías de producciónen la actualidad obtenemos tuberías con diferentes 7. K.K. Biegler, Exxon Co. USA y C.W. Petersen, "Rating 15. Mac Thomas y J.E. Smith; "Box OD Stability ofcalidades en los materiales que la componen. Tal es el Las tuberías de producción son el elemento Tubular connections for Today?s service Double Shoulder Tool Joints at Catastrophic Failure",caso de: tuberías de aluminio, tuberías de fibra de vi- tubular a través del cual se conducen hasta la su- Requirements", documento SPE 12205 presentado en documento SPE/IADC 35035 presentado en 1996drio, tuberías de plástico, etc. Cada una de ellas tie- perficie los fluidos producidos de un pozo, o bien, el 58º Annual Technical Conference and Exhibition of SPE/IADC Drilling Conference en New Orlans,ne aplicaciones específicas y limitadas por las condi- los fluidos inyectados de la superficie hasta el ya- the SPE, en San Francisco, Octubre 5-8, 1983. Louisiana, Marzo 12-15, 1996.ciones del material y de su respuesta en su manejo. cimiento. 8. L.B. Hilbert Jr. Y I.A. Kalil, "Evaluation of 16. Eiji Tsuru, Kazushi Maruyama, Ryuichi InowakiTipos de tuberías Tuberías de perforación Premium threaded Connections Using Finite- y Tetsuro Tochikawa; "Allowable Torque of Tubular element Anaylis and Full-Scale Testing", Documen- Connection Under Simulated Running and WorkingEl uso de tuberías en un pozo es de vital importan- Las tuberías de perforación son los elementos to IADC/SPE 23904 presentado en 1992 IADC/SPE Conditions", documento SPE/IADC29353 presenta-cia. Constituyen el medio por el cual garantizan el tubulares utilizados para llevar a cabo los trabajos Drilling Conference en New Orlans, Louisiana, do en 1995 SPE/IADC Drilling Conference encontrol del mismo y se aseguran las instalaciones durante la operación de la perforación. Generalmente Febrero 19-21, 1992.9. M.L. Paynes, H.L. Davis y Amsterdam, Febrero 28, Marzo2, 1995.para el mejor aprovechamiento y mantenimiento del se les conoce como tuberías de trabajo, porque es- P Pattillo, "Joint Industry Qualification Test program .d.pozo. Con el fin de entrar en materia, es importante tán expuestas a múltiples esfuerzos durante las ope- for High-Clearance Casing Connections", docu- 17. Bruce D. Craig; "Evaluation and Application Ofmencionar que dentro de la ingeniería de perfora- raciones de perforación del pozo. mento IADC/SPE 21908 presentado en 1991 IADC/ Highly Alloyed Materials for Corrosive Oil Production",ción las tuberías juegan un papel fundamental y SPE Drilling Conference en Amsterdam, Marzo 11- artículo de american Society for Metals (Junio 1983)cumplen diversas funciones. Por ello, se ha mane- Ductos (tubería de línea) 14, 1991. páginas 351-362.jado una clasificación tanto por su objetivo comopor la función que deben cumplir al ser utilizadas Se le conoce como ducto al elemento tubular (co- 10. G.F. Reynolds y P.d. Summurfield, "A New 18. Harts petroleum Engineer International; "1995en el interior de un pozo. nocido como tubería de línea) utilizado para condu- approach to the Desing of Threaded connections", Tubing Guide" Junio 1995 Harts Publications Inc. cir los fluidos producidos del pozo hacia los centros documento SPE 21739 presentado en 1991 en laClasificación por objetivo de recolección, separadores, compresores o tan- Production Operations Symposium en la Ciudad de 19. Grand Duncan; "Enhanced recovery enginering", ques de almacenamiento. Son conductos que se co- Oklahoma, Abril 7-9, 1991. World Oil, (Mayo 1995), Páginas 77-87.Una clasificación preliminar, pero importante, es nectan en la superficie a partir del cabezal o árbolla que permite definir en qué se va a utilizar la de válvulas del pozo.4 101
  5. 5. Tuberías Tuberías Otros tubulares de circulación del lodo de perforación. Es la de ma- yor diámetro que se utiliza en el pozo, pues a través Los elementos tubulares utilizados en las diferentes de ella pasan todas las tuberías de revestimiento funciones mencionadas anteriormente pueden pre- que se utilizan. En el mar, es la primera tubería que sentar variaciones catalogadas como otros elemen- se extiende desde la plataforma hasta abajo del le- tos tubulares muy específicos. En su mayoría, se cho marino (mudline). Tabla 6 Software utilizado para diseño de tuberías presentan para la actividad de perforación. Sin em- bargo, su muy particular aplicación los hace de in- Superficial: Es la tubería que sirve para aislar los Software Compañía terés para mencionarlos: acuíferos subsuperficiales o someros, así como StressCheck Enertech-Landmark manifestaciones de gas someros. Provee equipo WellCat Enertech-Landmark Tuberías flexibles de flotación, que permita realizar una buena DistrW Instituto Mexicano del Petróleo cementación para continuar la perforación den- Casing2 Maurer Engineering Inc. Son conductos tubulares de gran longitud y flexibi- tro de una zona de transición de alta presión. En Camax Pemex División Sur lidad que no requieren utilizar conexión o junta para pozos desviados, la superficie de la tubería debe conformar todo un tren o sarta de tuberías. Es decir, cubrir toda la sección construida para prevenir de- la tubería es continua, a diferencia de las tuberías rrumbes de la formación durante la perforación CARACTERISTICA StressCheck WellCat DistrW Casing2 Camax convencionales que requieren un elemento conector profunda. Esta sarta es cementada típicamente Modelo API para unir tubo por tubo y lograr contar con una lon- hasta la superficie o lecho marino (mudline) y sos- Modelo Biaxial gitud apropiada para el trabajo a realizar. La tubería tiene las conexiones superficiales de control defi- Modelo Triaxial flexible es de dimensiones geométricas esbeltas nitivas. (< 3 ½” de diámetro), aunque actualmente existen Pozos desviados de grandes dimensiones (7” de diámetro) y la ma- Intermedia: Es la tubería que aísla zonas inesta- Flexión yoría de las veces se utiliza como tubería de trabajo bles del agujero, zonas con pérdida de circulación Domo Salinos en procesos de recuperación avanzada durante la de baja presión y zonas de producción. Se utiliza Temperatura/cedencia vida productiva del pozo. en la zona de transición de presión normal a pre- Slección gráfica sión anormal. La cima del cemento de esta tube- Selección matemática Lastrabarrenas (drill collars) ría debe aislar cualquier zona de hidrocarburo. Selección por usuario Algunos pozos requieren de múltiples sartas in- Datos de Juntas Los elementos tubulares denominados lastrabarrenas termedias. Datos de Tuberías son tuberías utilizadas para auxiliar a la tubería de per- Modelo API de Juntas foración a dar peso a la barrena durante las operacio- De explotación: Es la tubería que aísla zonas de Juntas premium nes de perforación. producción y debe soportar la máxima presión de Efectos axiales fondo de la formación productora, tener resisten- Carga máxima Tubería pesada (heavy weigth) cia a la corrosión así como resistir las presiones Service life que se manejarán en caso de que el pozo se frac- Análisis de pandeo La tubería pesada (“heavy-weigth”) se compone de ture para aumentar su productividad, el bombeo Diseño de centradores elementos tubulares de grandes dimensiones mecánico (gas lift), la inyección de inhibidores Diseño de anclaje geométricas (espesor) que se utilizan como auxiliar de aceite. El buen trabajo de cementación prima- entre la tubería de perforación y los lastrabarrenas. ria es crítico para esta sarta. Diseño de corrida Con esto se evita la fatiga de los tubos durante la Análisis axial perforación. Existen tuberías de revestimiento que por su condi- Modelos de flujo hidráulico ción y objetivo de colocación pueden definirse Modelos de flujo multifásico Clasificación por función como: Modelos de Temperatura Modelo de Torque y arrastre Las tuberías de revestimiento se clasifican por la fun- Tubería corta (liners): Es una sarta de tubería que Modelo de Corrosión ción que desempeñan al colocarse en el interior de no se extiende a la cabeza del pozo. En cambio, se un pozo, esto es: sostiene por otra sarta. La tubería corta se usa para reducir costos y mejorar la hidráulica durante per- Conductora: Es la primera tubería de revestimiento foraciones profundas. La tubería corta puede ser que puede ser hincada o cementada; sirve para sen- usada tanto en la sarta intermedia como en la de tar el primer cabezal en el cual se instalan las co- explotación. La tubería corta es cementada típica- nexiones superficiales de control y las conexiones mente a lo largo de toda su longitud.100 5
  6. 6. Tuberías TuberíasComplemento (TIE-BACK): Es una sarta de tubería A continuación, se presentan algunos datos ca- VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO La tabla 6 muestra las características de algunosque proporciona integridad al pozo desde la cima racterísticos de las tuberías utilizadas para la per- DE TUBERÍAS programas de cómputo que se utilizan para reali-de la tubería corta hasta la superficie. Es un refuer- foración de un pozo. zar el diseño de tubulares. Básicamente consis-zo para la tubería de explotación. Si se tienen altas Los grandes avances tecnológicos alcanzados en los ten en aplicaciones de software que se utilizan enpresiones protege de los fluidos corrosivos y Tubería de perforación últimos 15 años por la tecnología en materia infor- los equipos denominados PC, y que tienen un ob-refuerza la tubería de explotación en caso de que se Los datos principales que deben conocerse sobre mática (hardware y software), ha hecho posible la jetivo específico cada uno de ellos. Sus ventajaspresenten daños. Puede cementarse parcialmente. las tuberías de perforación son los siguientes: diá- generación de herramientas de cálculo orientadas y desventajas mostradas permite diagnosticar el metro nominal, peso nominal, clase, grado, resis- para el diseño y análisis de las diferentes aplicacio- potencial de uso de cada uno de ellos para finesComplemento corto (STUB): Es una sarta de tu- tencia a la tensión, colapso y torsión. nes que nos ocupan en el ámbito de la ingeniería de diseño de tuberías.bería que funciona igual que el complemento. Pro- La clase de tubo, se refiere al grado de usabilidad de perforación. Canalizadas en forma apropiada es-porciona integridad por presión para extender la que ha tenido el tubo. El API divide las tuberías en tas herramientas de cálculo, deben ser una fuentecima de la tubería corta. Puede cementarse par- clase I (tubería nueva), II, III y Premium. Un ejemplo inmejorable de entendimiento y mejoría constantecialmente. de estas características se muestra en la tabla 1. de la práctica de la ingeniería de perforación. Sin embargo, son un arma de dos filos: en la carreraSin tubería de produccion (TUBINGLESS): Es una Tuberías de revestimiento (TRs) y producción (TPs) por automatizar los cálculos y finalmente los dise-tubería de explotación que se extiende hasta la su- Las características principales a observar en las tu- ños, se cae en la situación de desligarnos del cono-perficie y se utiliza como tubería de producción para berías de revestimiento y tuberías de producción cimiento básico de las cosas. Pero por otro lado, yexplotar los hidrocarburos. son: diámetro nominal, peso nominal, grado, drift, benéfico, contamos con la "panacea" que nos re- resistencia a la tensión, resistencia al colapso y re- suelve los problemas de diseño.La figura 1 muestra un esquema que representa la sistencia al estallamiento. Un ejemplo de estos da-forma como se colocan las tuberías de revestimien- tos se muestra en la tabla 2. Dentro del desarrollo de tecnología de software yto en el interior de un pozo. con aplicación al diseño de tuberías, existe una Para obtener datos más gran variedad de programas de cómputo de dife- TUBERÍA COMPLEMENTO SIN APAREJO completos sobre las con- rentes casas fabricantes. Los hay desde simples TUBERÍA DE TUBERÍA COMPLEMENTO CORTO DE PRODUCCIÓN diciones geométricas y propuestas de cálculo para evaluar la resistenciaREVESTIMIENTO CORTA ( LINER ) ( TIE-BACK ) ( STUB ) ( TUBINGLESS ) de las tuberías, pasando por incipientes progra- mecánicas y con mayor detalle de las tuberías con- mas de diseño, que cuentan con toda una meto- sultar las referencias 1, 2, dología y grandes simuladores para evaluar cual- 3, y 4. quier condición de carga de presión y temperatu- ra. Hasta llegan tener sistemas expertos, que aho- Proceso de fabricación ra se comercializan para el diseño de tuberías de revestimiento. Debido a la importancia de la tubería de acero en la Aun cuando se ha alcanzado un grado de madurez en perforación de pozos pe- materia de diseño tubular y logrado un avance acele- troleros, la fabricación rado en materia de software, los programas de cálcu- debe contar con caracte- lo actuales realmente NO están preparados para reali- rísticas de calidad extre- zar un diseño. Son realmente excelentes herramien- ma, acordes a los riesgos tas de cálculo que nos permiten efectuar con mayor y necesidades manejados rapidez y precisión los cálculos y presentaciones grá- en la Industria Petrolera. ficas para analizar los mejores resultados. Carecen de ese sentido común que debe aplicarse con criterio y Existen tres procesos de decisión, y que finalmente, hace la diferencia respec- fabricación de tuberías: el to a un verdadero programa de diseño. Por tal razón,Figura 1 Esquemas representativos del uso de las tuberías de revestimiento proceso sin costura, el debemos ser precavidos con el uso de los programas proceso con soldadura de cómputo o herramientas de software, porque no eléctrica-resistencia y el debemos esperar que estos resuelvan el problema deDatos de tuberías proceso de soldadura eléctrica instantánea (flash). diseño tubular. El problema de diseño en sí, todavía El proceso más utilizado para suministrar la deman- mantiene muchas situaciones de criterio, y el únicoLos tubos utilizados en la industria petrolera de- da de tuberías dentro del ámbito de perforación (diá- que puede replantearlas es precisamente, el ingenie-ben cumplir con ciertas características metros desde 20” o menores) es sin lugar a dudas ro de perforación, nadie más.geométricas y mecánicas dependiendo de su uso. la fabricación de tubería sin costura.6 99
  7. 7. Tuberías Tuberías Tabla 1 Características geométricas y mecánicas de la tubería de perforación Diámetro Peso Clase Grado Tensión Torsión Resistencia nominal nominal *( lbf) (ft-lbf) al Colapso (pg) (lb/pie) (psi) 2 3/8 4.85 I E75 98000 4760 10500 II G105 151000 5810 11763 Premium X95 136000 6090 12155 3½ 13.30 I G105 452000 29520 13344 II S135 382000 22160 13721 Premium E75 153000 11090 8703 4 14.00 I X95 361000 29500 13721 II S135 404000 27740 15592 Premium G105 314000 25420 13866 4½ 20.00 I E75 412000 36900 12546 II S135 581000 44030 18058 Premium G105 452000 40160 16042 5 19.50 I X95 501000 52140 12039 II X95 395000 34460 9631 Premium S135 561000 58110 15636 5½ 24.70 I S135 895000 101830 17626 II G105 548000 52370 11096 Premium E75 391000 44320 9051 Figura 98 Comportamiento de esfuerzo triaxial en diseño de TR del pozo prueba 3 6 5/8 25.20 I E75 489000 70580 6542 * lbf = libras fuerza Tabla 2 Características geométricas y mecánicas de la tubería de revestimiento y tubería de producción Diámetro Peso Grado Diámetro Diámetro Resistencia Tensión nominal nominal Drift Interior al Colapso (1000 lbf) (pg) (lbf/ ft) (pg) (pg) (psi) 4½ 9.50 H-40 3.965 4.090 2760 111 11.60 K-55 3.875 4.052 4010 165 15.10 P-110 3.701 3.826 14350 485 5 11.50 J-55 4.435 4.560 3060 182 15.00 N-80 4.283 4.408 7250 350 24.10 P-110 3.875 4.000 19800 778 5½ 14.00 J-55 4.887 5.012 3120 222 17.00 K-55 4.767 4.892 4910 273 20.00 P-110 4.653 4.778 11100 641 6 5/8 20.00 H-40 5.924 6.049 2520 229 24.00 C-90 5.796 5.921 6140 624 24.00 P-110 5.796 5.921 6730 763 7 17.00 H-40 6.413 6.538 1420 196 23.00 L-80 6.241 6.366 3830 532 35.00 P-110 5.879 6.004 13020 1119 7 5/8 47.10 N-80 6.250 6.375 12040 1100 26.40 C-95 6.844 6.969 3710 714 29.70 P-110 6.750 6.875 5350 940 Figura 99 Comportamiento axial en diseño de TR para el pozo prueba 3 8 5/8 24.00 K-55 7.972 8.097 1370 381 36.00 L-80 7.700 7.825 4100 827 49.00 P-110 7.386 7.511 10750 155398 7
  8. 8. Tuberías Tuberías 9 5/8 32.30 H-40 8.845 9.001 1370 365 36.00 K-55 8.765 8.921 2020 564 53.50 P-110 8.379 8.535 7950 1710 10 ¾ 32.75 H-40 10.036 10.192 840 367 51.00 C-90 9.694 9.850 3400 1310 65.70 P-110 9.404 9.560 7500 2088 11 ¾ 60.00 C-75 10.616 10.772 3070 1298 60.00 L-80 10.616 10.772 3180 1384 60.00 C-90 10.616 10.772 3180 1384 13 3/8 72.00 G-90 12.191 12.347 2780 1869 72.00 C-95 12.191 12.347 2820 1973 72.00 P-110 12.191 12.347 2890 2284 16 65.00 H-40 15.062 15.250 630 736 75.00 J-55 14.936 15.124 1020 1178 84.00 K-55 14.822 15.010 1410 1326 18 5/8 87.50 H-40 17.567 17.775 630 994 87.50 J-55 17.567 17.775 630 1367 87.50 K-55 17.567 17.775 630 1367 20 94.00 H-40 18.936 19.124 520 1077 94.00 J-55 18.936 19.124 520 1480 133.00 K-55 18.542 18.730 1490 2125TAMSA es la compañía mexicana productora de tu- cuenta con el sistema EBT y consiste en el vaciado Figura 96 Diseño de TR por carga axial, pozo prueba 3berías sin costura que satisface la demanda de excéntrico en el fondo de la olla. Así se ayuda a evi-tubulares para Petróleos Mexicanos. Todos sus pro- tar la oxidación del acero durante el vaciado, por locesos de fabricación están totalmente automatiza- que en la olla de fusión quedarán 20 toneladas dedos. Su programa de aseguramiento de calidad pro- acero con escoria, para obtener acero de alta cali-vee rastreabilidad completa desde el número de co- dad. En los hornos, la composición química selada original, de tal manera, que un cliente puede monitorea por computadoras para ajustar automáti-obtener información actualizada de su pedido en camente la carga de ferroaleaciones.cualquier momento. El proceso que a continuaciónse describe es aplicado en esta compañía. En el horno de afinación, la computadora calcula la adición de ferroaleaciones y por medio de micropro-En 1987 esta empresa construyó una nueva acería, cesadores, se controla automáticamente la tempe-en la cual se producen 700,000 toneladas métricas ratura y otras variables. Al mismo tiempo, es inyec-de acero anualmente. Fabrica tubos sin costura de tado gas argón para homogeneizar la composiciónhasta 14 pulgadas de diámetro exterior en el química del acero. El tratamiento con calcio siliciolaminador continuo. La acería cuenta con sistemas se utiliza para controlar la forma de las inclusiones.que permiten un alto control de los procesos de fu- Los elementos microaleantes son dosificados por lasión, afinación y colada continua de barras de sec- adición de alambre. Esto permite una gran preci-ción redonda. Produce acero limpio en una amplia sión en la composición química del acero; la cual esvariedad de composiciones químicas. analizada a través del espectómetro. Durante la afi- nación del acero, la computadora calcula en funciónLa producción de tubería se realiza mediante acero de los nuevos análisis, y proporciona la informaciónde calidad por fusión de fierro esponja y chatarra para adicionar la cantidad de ferroaleaciones reque-seleccionada en un horno eléctrico de 170 tonela- ridas y obtener la composición química deseada.das por colada, capaz de fundir a un tiempo prome-dio de 105 minutos. El fierro esponja (casi fierro Durante el proceso de la colada continua, se evita Figura 97 Diseño de TR por estallamiento, pozo prueba 3puro), resulta limpio con bajos contenidos de ele- que la olla del acero deseado tenga contacto con lamentos residuales en el acero. En este horno se atmósfera. Así se evitan la oxidación y la contami-8 97
  9. 9. Tuberías Tuberías nación en el momento del vaciado al distribuidor. El partículas magnéticas húmedas antes de maquinarse distribuidor ha sido diseñado con deflectores espe- las roscas, de acuerdo con las normas API. En el cuar- ciales para evitar turbulencias y la mezcla de la es- to de patrones y calibres, la calibración se programa coria con el acero. para verificar los instrumentos y calibradores de tra- bajo contra los patrones, así como todo el equipo de El laminador continuo a mandril retenido permite inspección, medición y prueba. obtener una precisión dimensional en la tubería que cumple con tolerancias extremadamente estrictas. Para la certificación de cada tubo fabricado dentro En laminación y en la línea de tratamiento térmico de las normas API se realiza un monitoreo de todas los hornos han sido equipados con computadoras las etapas del proceso de fabricación, con la ayuda que con los modelos de cálculo, controlan la de los laboratorios, que son: químico (acería), físi- rastreabilidad y el calentamiento. Para protección co (tensión), metalográfico (estructura del acero) y durante el embarque, manejo y transporte, los tu- prueba de colapso (valor real de colapso). También bos se barnizan y se les instalan sus protectores en TAMSA cuenta con la Norma Internacional ISO 9000. las roscas. En la figura 2 se muestra el proceso de fabricación. Durante el laminado a mandril retenido, se produ- A continuación se detallan los pasos del proceso de cen espesores de pared extremadamente uniformes, la fabricación de tubería sin costura. ésta es una variable ideal para tuberías resistentes al alto colapso, que es verificado a través de un equi- Materia prima: La materia prima usada en la fabri- po de rayos láser que proporciona mediciones rápi- cación de tubería es, básicamente, un 30% de fie- das y precisas. Así se obtiene un producto con tole- rro esponja (fierro natural) y un 70% chatarra. Figura 94 Factores de trabajo para TR en pozo prueba 3 rancias estrictas en el diámetro exterior y baja ovalidad. Acería: Es un proceso que consta de 3 etapas: fu- sión, afinación y vaciado. En la figura 3 se muestra Durante el tratamiento térmico de temple y revenido el flujo de proceso de la acería. se obtienen propiedades mecánicas óptimas en las tuberías resistentes al alto colapso. El temple por Fusión: La materia y ferroaleaciones se calientan inmersión se realiza tanto de modo interno como hasta alcanzar una temperatura cercana a los 1620°C. externo. Esto produce una completa transformación En ese punto, el acero se encuentra en estado líqui- martensítica a través de todo el espesor del cuerpo do, la inyección de argón se realiza por la parte in- del tubo. Durante el revenido se consiguen propie- ferior de la olla de fusión, con la finalidad de homo- dades mecánicas homogéneas y en el enderezado geneizar la composición química del acero. en caliente, se obtienen productos con bajos esfuer- zos residuales. Pruebas de laboratorio han demos- Afinación: Después de realizar el vaciado de la olla de trado que en tuberías con espesores delgados, su fusión a la olla de afinación, con precisión, se realiza resistencia al colapso excede los requerimientos del la afinación del acero mediante la adición de aleacio- API de aceros equivalentes, en aproximadamente nes Así se obtiene el grado de acero requerido. un 30 por ciento. Vaciado: Posteriormente, el acero de la olla de afi- Después del tratamiento térmico, se prueba en lí- nación es llevado y vaciado al distribuidor para ob- nea la dureza de la tubería. El equipo de inspección tener la colada continua. electromagnético verifica cada tubo a través de cua- tro funciones, buscando posibles defectos longitu- Colada continua: El distribuidor de la colada continua dinales y transversales, así como el espesor y gra- ha sido diseñado con deflectores especiales que evi- do de acero. tan la turbulencia, con el propósito de obtener barras de sección redonda, que finalmente son cortadas en Todos los productos tubulares se verifican con el paso secciones de longitud conocida, dependiendo del diá- Figura 95 Diseño de TR al colapso, pozo prueba 3 del mandril (drift) y se prueban hidráulicamente. Tam- metro de la tubería que se fabricará. Esta sección de bién se cuenta con equipo de verificación de ultraso- acero es comúnmente llamada “tocho”. En la figura 4 nido. Los extremos se inspeccionan por el método de se muestran las barras redondas.96 9
  10. 10. Tuberías Tuberías Ejemplo de Diseño de Tubería de Revestimiento. Fuga en el tubing Pérdida de circulación Datos: Jalón de 10000lbf Vel. De Introducción: 3 ft/s Pozo: Prueba 1 Domo salino a 2133-2286, Gs=19.22ppg Diámetro de TR: 9 5/8" Profundidad: 3962.4 m Desviación el pozo: Costa afuera: 137 m de tirante de agua H Inc Azim Estado mecánico: 0.0 0.00 0.00 18 5/8" Conductor Casing 0-609.6 762.0 0.00 0.00 13 3/8" Superficial Casing 0-1645.9 1447.8 45.00 0.00 9 5/8" Producción Casing 0.0-2956.6 3962.4 45.00 0.00 7" Producción Liner 2804-3962.4 Diseño: Factores de diseño: Cima base Diám Peso Grado Axial:1.6 (m) (m) (pg) (lb/p) Estallamiento:1.25 0.0 944.9 9 5/8" 47.00 N-80 Colapso:1.1 944.9 2468.9 9 5/8" 53.50 N-80 Triaxial:1.25Geopresiones 2468.9 2956.6 9 5/8" 58.40 P-110 Eventos de carga: Soporte: Figura 2 Proceso de fabricación de una tubería atmósfera y se procede al perforado. Se obtiene un esbozo cilíndrico. Este proceso es fundamental en la fabri- cación de tuberías sin costura y es lla- mado “Proceso Mannessmann”. Este esbozo se envía al mandril que con- tiene un lubricante (bórax), el cual es introducido al laminador continuo, que pasa a través de siete jaulas y calibradores. Ahí es donde se hace el tubo. Se obtienen longitudes de hasta 30 metros, con diámetro inte- Horno eléctrico de fusión Horno de afinación Vaciado de acero rior y exterior precisos, cumplien- Figura 3 Flujo del proceso de acería do con las tolerancias permitidas API. A la salida del calibrador, el diá- metro y la ovalidad son verificadosLaminado: El tocho entra al horno giratorio, que con- por medio de rayo láser y posteriormente el tubotiene nueve zonas de calentamiento, donde se al- es enviado a las cortadoras para dar el rango so-canzan temperaturas de 1200°C en forma gradual. licitado. Por último, se envía al piso de enfriamien-Al salir del horno, se envía al desescamador para to. En la figura 5 se muestra el proceso de lamina- Figura 93 Trayectoria del pozo prueba 3 Figura 92 Geopresiones del pozo prueba 3eliminar la oxidación que sufre al contacto con la do continuo a mandril retenido.10 95
  11. 11. Tuberías Tuberías Factor de Trabajo Normalizado 4. Aplicar el concepto de carga máxima. Vaciado con boquilla refractaria 0 2 4 6 8 10 Control automático de velocidad 0 · Determinar los diferenciales de presión en cada y nivel en distribuidor y molde caso de carga Control computarizado en enfriamiento Fd=1.6 · Definir los puntos máximos de carga 500 Laboratorio Baumann · Presión de estallamiento Barras redondas 215, 270, 310 y 1000 · Presión de colapso 371 mm · Carga axial Profundidad ( m ) 1500 · Triaxial · Afectar las cargas máximas por los factores de 2000 diseño 2500 5. Selección de tuberías. 3000 · Delimitar materiales por efectos ambien- tales(H2S,CO2), aplicando NACE. 3500 · Determinar grado y peso de tuberías para cum- 7 pases, 15100Kw, 11 motores de C.D. plir las cargas máximas Laminador extractor de 4 pases. 4000 Controlado por MPR, conectados al sistema computarizado de regulación. · Optimizar longitud y costo de las secciones Figura 4 Máquina de colada continua de barras redondas 2 desescamadores en línea. Figura 90Factores de trabajo en sarta del pozo prueba 2 6. Evaluar las tuberías seleccionadas. Desoxidación interior del perforado. Uniformidad del espesor. Tratamiento térmico: Existen tres tipos de tratamien- Baja excentricidad. · Determinar factores de trabajos normalizados tos térmicos: temple, revenido y normalizado. El tra- TP 3 ½” · Verificar : factores normalizados > 1 tamiento térmico de temple y revenido es utilizado Figura 5 Laminado continuo a mandril retenido. Tipo para tuberías de acero C75, L80, N80, TRC95, P110, M.P.M. (Multitand Pipe Mill) 7. Selección de juntas TAC 110, Q125 y TAC140. Prueba de Inspección electromagnética. Se hace con · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de- Temple: El tubo es llevado a un horno. Ahí se au- el equipo AMALOG IV, donde se detectan defectos menta gradualmente la temperatura hasta 860°C, longitudinales y transversales, internos y externos. limitar el número de juntas esto modifica la estructura molecular del acero a Asimismo, se mide el espesor de la pared del cuerpo HW 3 ½” · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de una austenita. Posteriormente, el tubo se sumerge del tubo y se compara el grado de acero. cada tipo de junta súbitamente en agua a temperatura de 40°C, alte- · Determinar factores de trabajo normalizados rando la estructura molecular a una martensita, la Posteriormente se cortan los extremos del tubo y cual es dura y poco dúctil. En la figura 6 se muestra se les maquinan los biseles. Para eliminar la rebaba · Verificar: Factor normalizado > 1 el tratamiento térmico de temple. se sopletea el interior del tubo y se introduce el · Seleccionar la junta considerando su costo calibrador (mandril o drift) a todo lo largo del tubo. Revenido: La tubería es introducida a un horno que DC 4 ¾” 3 8. Revisión final del diseño aumenta gradualmente su temperatura hasta 550°C. Inspección electromagnética método de vía húme- 2 El calor convierte la estructura molecular en una da: Debido a que en los extremos la tubería llevará · Determinar condiciones de carga dinámicas martensita revenida, que es dura y dúctil. Posterior- la mayor carga, ambos extremos del tubo son ins- agc 1 · Determinar el efecto de cambios axiales en las mente es recalibrado y enderezado en caliente. Se peccionados por el método de partículas magnéti- obtiene un producto con bajos esfuerzos residuales. cas para determinar posibles defectos longitudinales tuberías(pandeo, térmico) En la figura 7 se muestra el horno de revenido. y transversales. · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1 agc Normalizado: Es usado para los otros grados de tu- Roscado: Se realiza de acuerdo con las normas 9. Preparación del reporte final bería como: H40, J55, K55, etc. En este tratamiento del API, las cuales son verificadas con calibres es- Dob.C Est 4 ¾” x 6” el tubo es calentado sin llegar a la austenización de trictos. · Diseño de centradores la estructura molecular del acero. Barrena 6 “ · Revisión de la corrida Prueba hidrostática: El tubo se sumerge en una · Diseño del anclaje de TR Acabado del tubo: Se realiza bajo la siguiente se- tina que contiene fluido y se colocan elastómeros · Llenar formato preestablecido cuencia: en ambos extremos del tubo, donde se aplica una Figura 91 Esquema de sarta del pozo prueba 2 · Anexar soportes del diseño94 11

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