Basico Diseno de Revestidores
225
1 / 225 Diseño de Revestidores y Tubería de Producción Procedimiento de Diseño de Revestidores de PDVSA
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Diseño de Revestidores y Tubería de Producción* / 225
Definición y funciones de la tubería de revestimiento y producción
Definiciones Generales
Tubería de revestimiento:
La que se utiliza para recubrir las paredes del pozo con el propósito general de protegerlo.
En general, se pueden hacer las siguientes definiciones:
Definiciones Generales
* / 225
Revestidor/Camisa/Tieback “de producción”:
La que está (o puede estar) en contacto directo con el fluido.
Camisa (liner):
Tubería que no llega hasta la superficie sino que está colgada de otra.
Tieback:
Definiciones Generales
Reduce al mínimo la pérdida de circulación a poca profundidad
Conducto por donde el lodo regresa a la superficie al comienzo de la perforación
Minimiza la erosión de sedimentos superficiales debajo del taladro
Protege de la corrosión las tuberías de revestimiento subsiguientes
Sirve de soporte para el sistema desviador en caso de afluencia inesperada a poca profundidad.
Conductor (Puede referirse también la primera tubería de revestimiento):
Definiciones Generales
Soporta el resto de los revestidores
Protege de la corrosión cualquier tramo de tubería de revestimiento subsiguiente
Previene los derrumbes de los sedimentos no consolidados, más debilitados, que se hallan próximos a la superficie
Protege de la contaminación las arenas someras que contienen agua dulce
Proporciona resistencia a las arremetidas para poder perforar a mayor profundidad
Sirve de apoyo primario para los impiderreventones
Tubería de superficie:
* / 225
Permite utilizar grandes pesos de lodo sin dañar las formaciones superficiales
Controla las zonas de sal y las lutitas desmoronables de fácil desprendimiento
Revestidor intermedio, camisas y tiebacks de perforación:
Protege el ambiente en caso de una falla de tubería
Permite cambiar o reparar la tubería de producción
Aísla la zona productora de las demás formaciones
Crea un conducto de paso de dimensiones conocidas
Revestidor de producción, camisas y tiebacks de producción:
Definiciones Generales
* / 225
Constituye el conducto por donde fluye el fluido en la fase de producción
Sirve para controlar la presión del yacimiento
Permite estimular el yacimiento
* / 225
Para diseñar eficientemente una sarta de revestimiento, así como la tubería de producción óptima, hay que conocer una serie de datos del yacimiento, como por ejemplo:
Las presiones de poro y de fractura hasta la profundidad final del mismo,
La distribución de temperaturas,
Caudal de fluido esperado,
* / 225
Una vez en disponibilidad de los datos antes mencionados se procede a:
Seleccionar las profundidades de asentamiento.
Escoger los diámetros de los distintos revestidores.
Determinar los tipos de material, espesores y conexiones de las sartas.
Procedimiento de Diseño
Procedimiento de Diseño
Gradiente de
Prof. final
Para ésto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Gradiente de
Prof. final
Para esto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad
Sobrebalance: 0,5 lpg
Gradiente frac.
Profundidad
Selección de Profundidad de Asentamiento
Peso de lodo necesario para controlar el pozo a la profundidad requerida
Profundidad mínima a la que la formación puede ver ese peso de lodo sin que ocurra fractura
Hay que proteger toda la formación por encima
Revestidor
* / 225
Profundidad
Intermedio
Superficial
- Riesgo de pega por presión diferencial
- Resistencia de la formación contra arremetidas
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Riesgo de pega por presión diferencial
Al ser mayor la presión ejercida por el lodo que la ejercida por la formación, hay el riesgo de que la tubería “se pegue” a la pared del hoyo.
Para prevenir ésto, se trata de que la diferencia entre ambas presiones:
P = 0,052 * (Plodo - Pporo) * D
sea menor a 2.000 ó 3.000 psi
D
Plodo
Pporo
* / 225
Profundidad
Peso equivalente de lodo
Visto en el diagrama:
{
!
* / 225
Revestidor superficial
Verifica que el revestidor superficial se encuentre a una profundidad lo suficientemente grande como para evitar que una arremetida de gas salga por debajo de éste
Resistencia de la formación contra arremetidas
Lodo
Lodo
Gas
* / 225
Resistencia de la formación contra arremetidas
La presión que ejerce la arremetida, como función de la profundidad, se calcula con la siguiente fórmula:
Parre = (Profhoyo/Profcalc) * M + Plodo
Para determinar la profundidad correcta del revestidor superficial se tantea con Profcalc hasta que la presión de arremetida Parre sea menor que la presión de fractura.
M = 0,5 lpg, incremento del peso del lodo en la arremetida
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Ejemplo:
Determine las profundidades de asentamiento para el pozo cuyas gradientes se muestran en la figura
Selección de Profundidad de Asentamiento
Considerando los márgenes de 1 lpg, las profundidades de asentamiento resultaron:
Revest. producción: 12.000’
Revest. intermedio: 10.000’
Revest. superficial: 3.500’
Verificando la posibilidad de pega diferencial del revestidor superficial a 3.200 pies:
P = 0,052 * (MW - PP) * D =
P = 0,052 * (10,0 - 9,0) * 3.200 = 166 psi < 2.000 No habrá problemas
Repitiendo la operación para el revestidor intermedio a 10.000 pies:
P = 0,052 * (MW - PP) * D =
P = 0,052 * (13,0 - 9,0) * 8.000 = 1.664 psi < 2.000 Tampoco habrá problemas
Y para el revestidor de producción a 12.000 pies:
P = 0,052 * (MW - PP) * D =
P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000 Puede haber problemas
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Solución:
P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000
Este último resultado significa que no se puede usar un lodo de 16,2 lpg porque a la profundidad de 10.000’ se pegaría la tubería.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
9
11
13
15
17
19
Profundidad (pies)
La decisión se centraría en utilizar un lodo más liviano. ¿Cual sería el lodo más liviano que se puede usar?:
0,052 * (MW -12,0 ) * 10.000 pies = 2.000 psi
MW = 2.000/(0,052*10.000) + 12,0 =15,8 lpg
¿Hasta qué profundidad se puede perforar con 15,8 lpg?... Esa será la nueva profundidad de asentamiento... O usar ese lodo (menor factor de seguridad)... O modificar las profundidades anteriores...
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Solución:
Finalmente se verificará que el revestidor superficial, asentado a 3.200 pies resista una arremetida.
Para ello se calculará la presión que generaría en la zapata a 3.200 pies, una arremetida que tenga lugar cuando se perfora el segundo hoyo a 10.000 pies.
La presión de fractura a 3.200 pies es de sólo 13,2 lpg por lo que la arremetida generaría una fractura de la formación.
Selección de Profundidad de Asentamiento
EMWarrem = (prof. total / prof. de interÈs) ((M) + OMW =
= (10.000/3.200) x (0,5) + 13,0 = 14,6 lb/gal
* / 225
Solución:
Para evitar el problema de la arremetida hay que calcular una nueva profundidad de asentamiento, utilizando la misma ecuación anterior y se calcula para diferentes profundidades. Luego se comparan los valores con el gradiente de fractura.
Selección de Profundidad de Asentamiento
EMWarrem =
Conductor
320’
Procedimiento de Diseño
Superficial
Intermedio
Camisa
La selección del diámetro se hace principalmente en función de que cada revestidor pueda contener al siguiente. El último, es decir, la tubería de producción debe tener suficiente diámetro para conducir el fluido del pozo hasta la superficie.
Tub. de producción
Selección del Diámetro
* / 225
Superficial
Intermedio
Camisa
Así pues, se escoge primero la tubería de producción y luego, sucesivamente los demás revestidores.
Un segundo criterio de selección es la consideración de dejar suficiente espacio para herramientas o para bajar un revestidor intermedio, debido a algún problema imprevisto.
Rev. Intermedio
Selección del Diámetro
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Este árbol muestra los diámetros más usuales de hoyos y revestidores.
Las líneas contínuas representan las selecciones más usuales.
Selección del Diámetro
Utilizando los datos del problema anterior, seleccione los diámetros adecuados para el pozo, si la tubería de producción será de 3 1/2”.
Selección del Diámetro
Procedimiento de Diseño
* / 225
Una vez que se sabe la longitud y los diámetros que tendrán los diferentes revestidores y tuberías, se procederá a determinar el espesor de los tubos y el material de que estarán hechos.
Para ello se necesitan saber las cargas a que estarán sometidos estos elementos:
Casos de carga
Espesores y grados
* / 225
Se denomina Casos de Carga a aquellas condiciones a las que se supone se verá sometido la tubería a lo largo de su vida de servicio, por ejemplo
Prueba de presión
Arremetida de gas
Etc.
* / 225
PDVSA ha definido, para cada tipo de revestidor y para la tubería de producción unos Casos de Carga para los cuales se tiene que verificar la capacidad de resistencia de la tubería.
Casos de Carga
Prueba de presión.
1/3 de vacío.
Arremetida de gas.
Vacío total.
Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie con temperatura estática.
Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie en caliente.
Estimulación a través de la tubería de producción.
Tratamiento de fractura del revestidor.
Casos de Carga
Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática.
Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática, en caliente.
Vacío completo, con temperatura estática.
Vacío completo, en caliente.
Casos de Carga
bajar la última sarta ó presión de poro
Temperatura estática
Presión interna:
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Casos de carga) del conductor del ejemplo anterior:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
Presión externa:
Hasta 320’ es igual a la presión natural de 8,5 lpg:
@ 0’ = 0 psi
Temperatura estática
Presión interna:
@ Prof. Total = Gradiente de fractura de seguridad = Grad. Fract. + 0,2 lpg para pozos de desarrollo ó 0,5 para pozos exploratorios.
@ 320’ = 0,052 * 320 * (11,2 + 0,2) = 190 psi
@ 0’ = @PT - columna de lodo
@ 0’ = 190 - (0,052 * 320 * 10,0) = 23 psi
Grad. Fract.
Temperatura estática
Temperatura estática:
Si no se tienen medidas reales, se puede utilizar un gradiente de 0,8 °F/100 pie
@ 0’ = 80° F
Casos de Carga
Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, 1/3 de vacío.-
Nota, si después del revestidor viene una camisa, se genera un caso de carga adicional.
P
T
bajar la última sarta
bajar la última sarta
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura del revestidor superficial del ejemplo anterior, para el caso de 1/3 de vacío:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
bajar la última sarta
Temperatura estática:
@ 0’ = 80° F
Presión interna:
Casos de Carga
Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, Prueba de presión.-
.
revestidor
Temperatura estática
Presión/Temperatura
hasta la zapata
Perfil de temperatura
Se considera una arremetida de:
50 bbl a 0,5 lpg para pozos de desarrollo
100 bbl a 1,0 lpg para pozos exploratorios
Esta arremetida, junto con el lodo de perforación genera el perfil de presión interna:
Se calcula la altura del gas
Se determina su presión
Se calcula el perfil de presión
Casos de Carga
Cálculo de la altura de gas:
Volumen de gas:
50 bbl = 280,7 pie3 (pozos de desarrollo)
Volumen del anular alrededor de la sarta de perforación:
Casos de Carga
Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, Arremetida de gas.-
Para haber desplazado al fluido de perforación, el gas debe tener una presión superior a la ejercida por éste:
Presión del gas: 0,052 * (Prof hoyo abierto) * (Peso lodo + X)
donde X = 1,0 lpg para pozos exploratorios y
X = 0,5 lpg para pozos de desarrollo
Esta presión se mantiene constante (0 lpg) hasta la altura del gas y luego decae con el gradiente correspondiente al peso del lodo
Presión
Altura del gas
Nota: Al haber dependencia de la profundidad de hoyo abierto, si hay camisas, se presentan varios casos de cálculo de arremetida.
Casos de Carga
Tubería de superficie, revesti-dores, camisas y tiebacks intermedios, Arremetida de gas.-
Todavía hay que verificar si la presión generada es soportada por la zapata.
Si lo es, entonces ése es el perfil de presión interna.
Si no, entonces el perfil corresponde a presión de fractura de la zapata, menos el peso del lodo.
Presión
Altura del gas
El perfil de temperatura está basado en el perfil de circulación y la temperatura estática:
2/3 Fondo de hoyo - tope de gas
Temperatura estática de fondo de hoyo TEF
0,95 TEF
0,90 TEF
Temperatura calculada
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Caso de carga, arremetida de gas) del revestidor superficial:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
hasta la zapata
Perfil de temperatura
Presión externa:
Presión natural de poro, hasta 4.000’ igual a la presión natural de 8,5 lpg:
@ 0’ = 0 psi
Casos de Carga
Volúmen de arremetida: 280,7 pie3 (pozo de desarrollo)
Diámetro del hoyo: 12 1/4 pulg.
Diámetro portamechas: 8 pulg.
Longitud de portamechas: 600’
Prácticamente todo el volumen anular alrededor de los portamechas es ocupado por el gas, por lo que el tope del gas coincide con la longitud de portamechas: 600’
Casos de Carga
@10.000’:
Peso de lodo: 13,0 lpg
Presión de gas = 0,052 * 10.000* (13,0 + 0,5) = = 7.020 psi
@ 9.400’:7.020 psi
Resistencia de fractura en la zapata: 14,2 lpg
: 0,052 * 4.000 * (14,2 + 0,2) = 2.995 psi
Por lo tanto la zapata falla y la máxima presión que puede haber a 4.000’ es 2.995 psi !!!
@ 4.000’: 2.995 psi
Lodo
Gas
7.020 psi
Temperatura estática de fondo de hoyo TEF
0,95 TEF = 152 °F
0,90 TEF = 144 °F
Temperatura calculada
= 144 - (6.060 * 0,8/100) = 96 °F
= 144 - (2.060 * 0,8/100) = 128 °F
Casos de Carga
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
Presión/Temperatura
Presión interna:
Peso de lodo más pesado que vaya a usarse + 0,3 lpg
0,95 Temperatura estática de fondo de hoyo TEF
2/3 TVD
0,9 TEF
Temperatura calculada
Casos de carga
Temperatura estática
Presión interna:
8,4 lpg dulce
7,0 lpg agrio
Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie, temperatura estática.-
Casos de carga
8,4 lpg dulce
7,0 lpg agrio
Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie, tem-peratura en caliente.-
Casos de carga
Presión externa:
0,95 TEF
Temperatura calculada
* / 225
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Estimulación a través de la tubería de producción.-
Casos de carga
Presión interna:
Presión de respaldo de la tubería de producción ó 50% de la presión de la prueba hidrostática ó 50% de la presión de cierre del pozo
Presión interna: Gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo.
Zapata
Estimado:
40% de la tempera-tura estática de fondo de hoyo TEF
Perfil de temperatura calculado
Casos de carga
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Casos de carga, estimulación a través de la tubería de producción) para el revestidor y la camisa de producción:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
Presión interna:
Presión de respaldo de la tubería de producción ó 50% de la presión de la prueba hidrostática ó 50% de la presión de cierre del pozo
Presión/Temperatura
Estimado:
40% de la temperatura estática de fondo de hoyo TEF
Perfil de temperatura calculado
Presión interna: Gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo.
12.000’
12.500’
Presión/Temperatura
12.000’
12.500’
Presión interna:
Presión de respaldo de la tubería de producción. Si se supone una fractura a 20.000 psi, podemos suponer una presión de respaldo de 10.000 psi (50%) en el fondo.
@ 12.000 = 10.000 psi.
Presión/Temperatura
Zapata
Presión interna: Gradiente de fractura (18,1) + 1,0 lpg en el fondo.
@ 12.500 = 0,052 * 12.500 * 19,1 = 12.415 psi
12.000’
12.500’
@ 10.000 = 4.700 + (10.000 - 4.700)*(10.000/12.000)
40% de la temperatura estática de fondo de hoyo TEF
TEF = 80 + 12.500 * 0,8/100 =
@ 10.000 = 60 + (72-60)*(10.000/12.500)
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
* / 225
Tubería de producción, Cierre del pozo totalmente lleno de gas, temperatura estática.-
Casos de carga
superficie.
* / 225
Tubería de producción, Cierre del pozo totalmente lleno de gas, temperatura en caliente.-
Casos de carga
Temperatura de flujo
Casos de carga
superficie.
Casos de carga
superficie.
Casos de carga
BHP
superficie.
* / 225
Tubería de producción, Estimulación a través de la tubería de producción (con arenamiento).-
Casos de carga
Perfil de temperatura fría
Zapata
* / 225
Tubería de producción, Estimulación a través de la tubería de producción (sin arenamiento).-
Casos de carga
Presión interna:
Presión máxima de bombeo en la superficie y gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo.
Perfil de temperatura fría
Zapata
* / 225
Una vez determinados los casos de carga hay que analizar cómo se van a emplear:
Espesores y grados
* / 225
Determina cuál caso de carga genera mayor diferencial de presión (dint > dext) y verifica la resistencia al estallido.
Determina el caso de carga que genere mayor presión externa y vacío interno y verifica la resistencia al colapso.
Verifica la resistencia a la tracción versus el peso sumergido de la sarta
Considera un caso de carga base: revestidor colocado y cementado y le superpone los diferentes casos de carga:
Caso base + Caso de carga 1
Caso base + caso de carga 2
Caso base + caso de carga...
Para cada uno de estos cálculos se compara el resultado con la resistencia de la tubería. Además se calcula el esfuerzo equivalente (Von Mises) y se compara con la resistencia a la fluencia del material.
Espesores y grados
Variaciones del área transversal de la tubería
Es conservador para pozos someros
Insuficiente para pozos profundos
Continuación...
Variaciones del área transversal de la tubería
En general se necesita de una computadora para realizar los cálculos
Espesores y grados
Casos de carga
Cemento
Lodo
Presión externa:
Casos de carga
* / 225
Analizados los casos de carga, se deben comparar los resultados con la resistencia del material a:
Colapso
* / 225
Evidentemente, la Resistencia de la tubería (y de la conexión) debe ser mayor que la carga.
Cuánto mayor lo determina el:
Espesores y grados
Factor de Diseño
Espesores y Grados
Factores de Diseño
* / 225
Nótese que el Factor de Diseño se parece mucho al Factor de Seguridad. Sin embargo, el primero se relaciona con la resistencia teórica o asumida del tubular, mientras que el segundo se relaciona con la resistencia real.
Factores de Diseño
* / 225
Antes de proceder a determinar los esfuerzos que producen los diferentes casos de carga sobre las tuberías, es preciso conocer las características de los materiales de que están hechas éstas.
Espesores y grados
Espesores y Grados
* / 225
Materiales
Materiales
Materiales
* / 225
Para los efectos de diseño y en cierto grado para su clasificación las tuberías se identifican en base a su:
Diámetro externo (-0,5% + 1,0%)
Peso (espesor) (-12,5% + 0%)
Grado (resistencia del material)
9 5/8” 47 lb/pie P-110 BTC
Diámetro externo
Peso unitario, que corresponde a un espesor de pared de 0,472”
Material con una resistencia a la fluencia mínima de 110.000 psi
Rosca Buttress
Materiales
Materiales
* / 225
El diámetro es referido siempre al externo y tiene una holgura de (-0,5% + 1,0%) para los tubos mayores o iguales a 4 1/2”, y de (± 0,031”) para los tubos menores o igules a 4”.
Los valores de diámetro que se fabrican usualmente son:
13 1/2”
13 3/8”
11 7/8”
11 3/4”…
Definición y funciones de la tubería de revestimiento y producción
Definiciones Generales
Tubería de revestimiento:
La que se utiliza para recubrir las paredes del pozo con el propósito general de protegerlo.
En general, se pueden hacer las siguientes definiciones:
Definiciones Generales
* / 225
Revestidor/Camisa/Tieback “de producción”:
La que está (o puede estar) en contacto directo con el fluido.
Camisa (liner):
Tubería que no llega hasta la superficie sino que está colgada de otra.
Tieback:
Definiciones Generales
Reduce al mínimo la pérdida de circulación a poca profundidad
Conducto por donde el lodo regresa a la superficie al comienzo de la perforación
Minimiza la erosión de sedimentos superficiales debajo del taladro
Protege de la corrosión las tuberías de revestimiento subsiguientes
Sirve de soporte para el sistema desviador en caso de afluencia inesperada a poca profundidad.
Conductor (Puede referirse también la primera tubería de revestimiento):
Definiciones Generales
Soporta el resto de los revestidores
Protege de la corrosión cualquier tramo de tubería de revestimiento subsiguiente
Previene los derrumbes de los sedimentos no consolidados, más debilitados, que se hallan próximos a la superficie
Protege de la contaminación las arenas someras que contienen agua dulce
Proporciona resistencia a las arremetidas para poder perforar a mayor profundidad
Sirve de apoyo primario para los impiderreventones
Tubería de superficie:
* / 225
Permite utilizar grandes pesos de lodo sin dañar las formaciones superficiales
Controla las zonas de sal y las lutitas desmoronables de fácil desprendimiento
Revestidor intermedio, camisas y tiebacks de perforación:
Protege el ambiente en caso de una falla de tubería
Permite cambiar o reparar la tubería de producción
Aísla la zona productora de las demás formaciones
Crea un conducto de paso de dimensiones conocidas
Revestidor de producción, camisas y tiebacks de producción:
Definiciones Generales
* / 225
Constituye el conducto por donde fluye el fluido en la fase de producción
Sirve para controlar la presión del yacimiento
Permite estimular el yacimiento
* / 225
Para diseñar eficientemente una sarta de revestimiento, así como la tubería de producción óptima, hay que conocer una serie de datos del yacimiento, como por ejemplo:
Las presiones de poro y de fractura hasta la profundidad final del mismo,
La distribución de temperaturas,
Caudal de fluido esperado,
* / 225
Una vez en disponibilidad de los datos antes mencionados se procede a:
Seleccionar las profundidades de asentamiento.
Escoger los diámetros de los distintos revestidores.
Determinar los tipos de material, espesores y conexiones de las sartas.
Procedimiento de Diseño
Procedimiento de Diseño
Gradiente de
Prof. final
Para ésto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Gradiente de
Prof. final
Para esto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad
Sobrebalance: 0,5 lpg
Gradiente frac.
Profundidad
Selección de Profundidad de Asentamiento
Peso de lodo necesario para controlar el pozo a la profundidad requerida
Profundidad mínima a la que la formación puede ver ese peso de lodo sin que ocurra fractura
Hay que proteger toda la formación por encima
Revestidor
* / 225
Profundidad
Intermedio
Superficial
- Riesgo de pega por presión diferencial
- Resistencia de la formación contra arremetidas
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Riesgo de pega por presión diferencial
Al ser mayor la presión ejercida por el lodo que la ejercida por la formación, hay el riesgo de que la tubería “se pegue” a la pared del hoyo.
Para prevenir ésto, se trata de que la diferencia entre ambas presiones:
P = 0,052 * (Plodo - Pporo) * D
sea menor a 2.000 ó 3.000 psi
D
Plodo
Pporo
* / 225
Profundidad
Peso equivalente de lodo
Visto en el diagrama:
{
!
* / 225
Revestidor superficial
Verifica que el revestidor superficial se encuentre a una profundidad lo suficientemente grande como para evitar que una arremetida de gas salga por debajo de éste
Resistencia de la formación contra arremetidas
Lodo
Lodo
Gas
* / 225
Resistencia de la formación contra arremetidas
La presión que ejerce la arremetida, como función de la profundidad, se calcula con la siguiente fórmula:
Parre = (Profhoyo/Profcalc) * M + Plodo
Para determinar la profundidad correcta del revestidor superficial se tantea con Profcalc hasta que la presión de arremetida Parre sea menor que la presión de fractura.
M = 0,5 lpg, incremento del peso del lodo en la arremetida
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Ejemplo:
Determine las profundidades de asentamiento para el pozo cuyas gradientes se muestran en la figura
Selección de Profundidad de Asentamiento
Considerando los márgenes de 1 lpg, las profundidades de asentamiento resultaron:
Revest. producción: 12.000’
Revest. intermedio: 10.000’
Revest. superficial: 3.500’
Verificando la posibilidad de pega diferencial del revestidor superficial a 3.200 pies:
P = 0,052 * (MW - PP) * D =
P = 0,052 * (10,0 - 9,0) * 3.200 = 166 psi < 2.000 No habrá problemas
Repitiendo la operación para el revestidor intermedio a 10.000 pies:
P = 0,052 * (MW - PP) * D =
P = 0,052 * (13,0 - 9,0) * 8.000 = 1.664 psi < 2.000 Tampoco habrá problemas
Y para el revestidor de producción a 12.000 pies:
P = 0,052 * (MW - PP) * D =
P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000 Puede haber problemas
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Solución:
P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000
Este último resultado significa que no se puede usar un lodo de 16,2 lpg porque a la profundidad de 10.000’ se pegaría la tubería.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
9
11
13
15
17
19
Profundidad (pies)
La decisión se centraría en utilizar un lodo más liviano. ¿Cual sería el lodo más liviano que se puede usar?:
0,052 * (MW -12,0 ) * 10.000 pies = 2.000 psi
MW = 2.000/(0,052*10.000) + 12,0 =15,8 lpg
¿Hasta qué profundidad se puede perforar con 15,8 lpg?... Esa será la nueva profundidad de asentamiento... O usar ese lodo (menor factor de seguridad)... O modificar las profundidades anteriores...
Selección de Profundidad de Asentamiento
* / 225
Solución:
Finalmente se verificará que el revestidor superficial, asentado a 3.200 pies resista una arremetida.
Para ello se calculará la presión que generaría en la zapata a 3.200 pies, una arremetida que tenga lugar cuando se perfora el segundo hoyo a 10.000 pies.
La presión de fractura a 3.200 pies es de sólo 13,2 lpg por lo que la arremetida generaría una fractura de la formación.
Selección de Profundidad de Asentamiento
EMWarrem = (prof. total / prof. de interÈs) ((M) + OMW =
= (10.000/3.200) x (0,5) + 13,0 = 14,6 lb/gal
* / 225
Solución:
Para evitar el problema de la arremetida hay que calcular una nueva profundidad de asentamiento, utilizando la misma ecuación anterior y se calcula para diferentes profundidades. Luego se comparan los valores con el gradiente de fractura.
Selección de Profundidad de Asentamiento
EMWarrem =
Conductor
320’
Procedimiento de Diseño
Superficial
Intermedio
Camisa
La selección del diámetro se hace principalmente en función de que cada revestidor pueda contener al siguiente. El último, es decir, la tubería de producción debe tener suficiente diámetro para conducir el fluido del pozo hasta la superficie.
Tub. de producción
Selección del Diámetro
* / 225
Superficial
Intermedio
Camisa
Así pues, se escoge primero la tubería de producción y luego, sucesivamente los demás revestidores.
Un segundo criterio de selección es la consideración de dejar suficiente espacio para herramientas o para bajar un revestidor intermedio, debido a algún problema imprevisto.
Rev. Intermedio
Selección del Diámetro
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Hoyo
Revestidor
Este árbol muestra los diámetros más usuales de hoyos y revestidores.
Las líneas contínuas representan las selecciones más usuales.
Selección del Diámetro
Utilizando los datos del problema anterior, seleccione los diámetros adecuados para el pozo, si la tubería de producción será de 3 1/2”.
Selección del Diámetro
Procedimiento de Diseño
* / 225
Una vez que se sabe la longitud y los diámetros que tendrán los diferentes revestidores y tuberías, se procederá a determinar el espesor de los tubos y el material de que estarán hechos.
Para ello se necesitan saber las cargas a que estarán sometidos estos elementos:
Casos de carga
Espesores y grados
* / 225
Se denomina Casos de Carga a aquellas condiciones a las que se supone se verá sometido la tubería a lo largo de su vida de servicio, por ejemplo
Prueba de presión
Arremetida de gas
Etc.
* / 225
PDVSA ha definido, para cada tipo de revestidor y para la tubería de producción unos Casos de Carga para los cuales se tiene que verificar la capacidad de resistencia de la tubería.
Casos de Carga
Prueba de presión.
1/3 de vacío.
Arremetida de gas.
Vacío total.
Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie con temperatura estática.
Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie en caliente.
Estimulación a través de la tubería de producción.
Tratamiento de fractura del revestidor.
Casos de Carga
Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática.
Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática, en caliente.
Vacío completo, con temperatura estática.
Vacío completo, en caliente.
Casos de Carga
bajar la última sarta ó presión de poro
Temperatura estática
Presión interna:
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Casos de carga) del conductor del ejemplo anterior:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
Presión externa:
Hasta 320’ es igual a la presión natural de 8,5 lpg:
@ 0’ = 0 psi
Temperatura estática
Presión interna:
@ Prof. Total = Gradiente de fractura de seguridad = Grad. Fract. + 0,2 lpg para pozos de desarrollo ó 0,5 para pozos exploratorios.
@ 320’ = 0,052 * 320 * (11,2 + 0,2) = 190 psi
@ 0’ = @PT - columna de lodo
@ 0’ = 190 - (0,052 * 320 * 10,0) = 23 psi
Grad. Fract.
Temperatura estática
Temperatura estática:
Si no se tienen medidas reales, se puede utilizar un gradiente de 0,8 °F/100 pie
@ 0’ = 80° F
Casos de Carga
Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, 1/3 de vacío.-
Nota, si después del revestidor viene una camisa, se genera un caso de carga adicional.
P
T
bajar la última sarta
bajar la última sarta
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura del revestidor superficial del ejemplo anterior, para el caso de 1/3 de vacío:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
bajar la última sarta
Temperatura estática:
@ 0’ = 80° F
Presión interna:
Casos de Carga
Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, Prueba de presión.-
.
revestidor
Temperatura estática
Presión/Temperatura
hasta la zapata
Perfil de temperatura
Se considera una arremetida de:
50 bbl a 0,5 lpg para pozos de desarrollo
100 bbl a 1,0 lpg para pozos exploratorios
Esta arremetida, junto con el lodo de perforación genera el perfil de presión interna:
Se calcula la altura del gas
Se determina su presión
Se calcula el perfil de presión
Casos de Carga
Cálculo de la altura de gas:
Volumen de gas:
50 bbl = 280,7 pie3 (pozos de desarrollo)
Volumen del anular alrededor de la sarta de perforación:
Casos de Carga
Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, Arremetida de gas.-
Para haber desplazado al fluido de perforación, el gas debe tener una presión superior a la ejercida por éste:
Presión del gas: 0,052 * (Prof hoyo abierto) * (Peso lodo + X)
donde X = 1,0 lpg para pozos exploratorios y
X = 0,5 lpg para pozos de desarrollo
Esta presión se mantiene constante (0 lpg) hasta la altura del gas y luego decae con el gradiente correspondiente al peso del lodo
Presión
Altura del gas
Nota: Al haber dependencia de la profundidad de hoyo abierto, si hay camisas, se presentan varios casos de cálculo de arremetida.
Casos de Carga
Tubería de superficie, revesti-dores, camisas y tiebacks intermedios, Arremetida de gas.-
Todavía hay que verificar si la presión generada es soportada por la zapata.
Si lo es, entonces ése es el perfil de presión interna.
Si no, entonces el perfil corresponde a presión de fractura de la zapata, menos el peso del lodo.
Presión
Altura del gas
El perfil de temperatura está basado en el perfil de circulación y la temperatura estática:
2/3 Fondo de hoyo - tope de gas
Temperatura estática de fondo de hoyo TEF
0,95 TEF
0,90 TEF
Temperatura calculada
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Caso de carga, arremetida de gas) del revestidor superficial:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
hasta la zapata
Perfil de temperatura
Presión externa:
Presión natural de poro, hasta 4.000’ igual a la presión natural de 8,5 lpg:
@ 0’ = 0 psi
Casos de Carga
Volúmen de arremetida: 280,7 pie3 (pozo de desarrollo)
Diámetro del hoyo: 12 1/4 pulg.
Diámetro portamechas: 8 pulg.
Longitud de portamechas: 600’
Prácticamente todo el volumen anular alrededor de los portamechas es ocupado por el gas, por lo que el tope del gas coincide con la longitud de portamechas: 600’
Casos de Carga
@10.000’:
Peso de lodo: 13,0 lpg
Presión de gas = 0,052 * 10.000* (13,0 + 0,5) = = 7.020 psi
@ 9.400’:7.020 psi
Resistencia de fractura en la zapata: 14,2 lpg
: 0,052 * 4.000 * (14,2 + 0,2) = 2.995 psi
Por lo tanto la zapata falla y la máxima presión que puede haber a 4.000’ es 2.995 psi !!!
@ 4.000’: 2.995 psi
Lodo
Gas
7.020 psi
Temperatura estática de fondo de hoyo TEF
0,95 TEF = 152 °F
0,90 TEF = 144 °F
Temperatura calculada
= 144 - (6.060 * 0,8/100) = 96 °F
= 144 - (2.060 * 0,8/100) = 128 °F
Casos de Carga
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
Presión/Temperatura
Presión interna:
Peso de lodo más pesado que vaya a usarse + 0,3 lpg
0,95 Temperatura estática de fondo de hoyo TEF
2/3 TVD
0,9 TEF
Temperatura calculada
Casos de carga
Temperatura estática
Presión interna:
8,4 lpg dulce
7,0 lpg agrio
Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie, temperatura estática.-
Casos de carga
8,4 lpg dulce
7,0 lpg agrio
Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie, tem-peratura en caliente.-
Casos de carga
Presión externa:
0,95 TEF
Temperatura calculada
* / 225
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Estimulación a través de la tubería de producción.-
Casos de carga
Presión interna:
Presión de respaldo de la tubería de producción ó 50% de la presión de la prueba hidrostática ó 50% de la presión de cierre del pozo
Presión interna: Gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo.
Zapata
Estimado:
40% de la tempera-tura estática de fondo de hoyo TEF
Perfil de temperatura calculado
Casos de carga
Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Casos de carga, estimulación a través de la tubería de producción) para el revestidor y la camisa de producción:
Superficial, 4.000’
Producción, 10.000’
Presión interna:
Presión de respaldo de la tubería de producción ó 50% de la presión de la prueba hidrostática ó 50% de la presión de cierre del pozo
Presión/Temperatura
Estimado:
40% de la temperatura estática de fondo de hoyo TEF
Perfil de temperatura calculado
Presión interna: Gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo.
12.000’
12.500’
Presión/Temperatura
12.000’
12.500’
Presión interna:
Presión de respaldo de la tubería de producción. Si se supone una fractura a 20.000 psi, podemos suponer una presión de respaldo de 10.000 psi (50%) en el fondo.
@ 12.000 = 10.000 psi.
Presión/Temperatura
Zapata
Presión interna: Gradiente de fractura (18,1) + 1,0 lpg en el fondo.
@ 12.500 = 0,052 * 12.500 * 19,1 = 12.415 psi
12.000’
12.500’
@ 10.000 = 4.700 + (10.000 - 4.700)*(10.000/12.000)
40% de la temperatura estática de fondo de hoyo TEF
TEF = 80 + 12.500 * 0,8/100 =
@ 10.000 = 60 + (72-60)*(10.000/12.500)
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
* / 225
Tubería de producción, Cierre del pozo totalmente lleno de gas, temperatura estática.-
Casos de carga
superficie.
* / 225
Tubería de producción, Cierre del pozo totalmente lleno de gas, temperatura en caliente.-
Casos de carga
Temperatura de flujo
Casos de carga
superficie.
Casos de carga
superficie.
Casos de carga
BHP
superficie.
* / 225
Tubería de producción, Estimulación a través de la tubería de producción (con arenamiento).-
Casos de carga
Perfil de temperatura fría
Zapata
* / 225
Tubería de producción, Estimulación a través de la tubería de producción (sin arenamiento).-
Casos de carga
Presión interna:
Presión máxima de bombeo en la superficie y gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo.
Perfil de temperatura fría
Zapata
* / 225
Una vez determinados los casos de carga hay que analizar cómo se van a emplear:
Espesores y grados
* / 225
Determina cuál caso de carga genera mayor diferencial de presión (dint > dext) y verifica la resistencia al estallido.
Determina el caso de carga que genere mayor presión externa y vacío interno y verifica la resistencia al colapso.
Verifica la resistencia a la tracción versus el peso sumergido de la sarta
Considera un caso de carga base: revestidor colocado y cementado y le superpone los diferentes casos de carga:
Caso base + Caso de carga 1
Caso base + caso de carga 2
Caso base + caso de carga...
Para cada uno de estos cálculos se compara el resultado con la resistencia de la tubería. Además se calcula el esfuerzo equivalente (Von Mises) y se compara con la resistencia a la fluencia del material.
Espesores y grados
Variaciones del área transversal de la tubería
Es conservador para pozos someros
Insuficiente para pozos profundos
Continuación...
Variaciones del área transversal de la tubería
En general se necesita de una computadora para realizar los cálculos
Espesores y grados
Casos de carga
Cemento
Lodo
Presión externa:
Casos de carga
* / 225
Analizados los casos de carga, se deben comparar los resultados con la resistencia del material a:
Colapso
* / 225
Evidentemente, la Resistencia de la tubería (y de la conexión) debe ser mayor que la carga.
Cuánto mayor lo determina el:
Espesores y grados
Factor de Diseño
Espesores y Grados
Factores de Diseño
* / 225
Nótese que el Factor de Diseño se parece mucho al Factor de Seguridad. Sin embargo, el primero se relaciona con la resistencia teórica o asumida del tubular, mientras que el segundo se relaciona con la resistencia real.
Factores de Diseño
* / 225
Antes de proceder a determinar los esfuerzos que producen los diferentes casos de carga sobre las tuberías, es preciso conocer las características de los materiales de que están hechas éstas.
Espesores y grados
Espesores y Grados
* / 225
Materiales
Materiales
Materiales
* / 225
Para los efectos de diseño y en cierto grado para su clasificación las tuberías se identifican en base a su:
Diámetro externo (-0,5% + 1,0%)
Peso (espesor) (-12,5% + 0%)
Grado (resistencia del material)
9 5/8” 47 lb/pie P-110 BTC
Diámetro externo
Peso unitario, que corresponde a un espesor de pared de 0,472”
Material con una resistencia a la fluencia mínima de 110.000 psi
Rosca Buttress
Materiales
Materiales
* / 225
El diámetro es referido siempre al externo y tiene una holgura de (-0,5% + 1,0%) para los tubos mayores o iguales a 4 1/2”, y de (± 0,031”) para los tubos menores o igules a 4”.
Los valores de diámetro que se fabrican usualmente son:
13 1/2”
13 3/8”
11 7/8”
11 3/4”…
