07 diseño de sartas de perforación

8/13/2019 07 Diseo de Sartas de perforacin

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Revisin de Equipos, Herramientas y Clculos de Perforacin

Seccin 7eccin 7Diseo de Sartas de Perforaciniseo de Sartas de Perforacin

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO ACELERADOROGRAMA DE ENTRENAMIENTO ACELERADOPARA INGENIEROS SUPERVISORES DE POZOARA INGENIEROS SUPERVISORES DE POZO


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7. Diseo de Sartas de Perforacin

Contenido

7.1. Funciones de la Sarta de Perforacin.7.2. Componentes de la Sarta de Perforacin.

7.3. Diseo Direccional

7.4. Diseo Hidrulico

7.5. Diseo Mecnico

7.6. Diseo para Pozos de Direccionales


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Referencias

API RP 7G Diseo de la Sarta de Perforacin y Lmites de Operacin API SPEC 7 Especificaciones para los Elementos de la Perforacin

Rotatoria

API SPEC 5D Especificaciones para la Tubera de Perforacin SLB Manual de Diseo de la Sarta de Perforacin

TH Hill DS-1 Diseo de la Sarta de Perforacin

WCP Recomendaciones para Diseo de la Herramienta de Fondo paraMinimizar el Esfuerzo por Doblamiento.


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7.1. Funciones de la Sarta de Perforacin

Transmitir rotacin a la barrena

Transmitir y soportar cargas axiales Transmitir y soportar cargas de torsin.

Colocar el peso sobre la barrena paraperforar

Guiar y controlar la trayectoria del pozo

Permitir la circulacin de fluidos paralimpiar el pozo y lubricar la barrena.


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7.2. Componentes de la Sarta de Perforacin

Kelly o Sistema de Top Drive

Tubera de Perforacin Tubera de Perforacin Extrapesada

Lastra Barrenas Otras Herramientas de Fondo

Barrenas


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Kelly o Sistema de Top Drive

No es propiamente un elemento constituyente dela sarta de perforacin

Transmite y absorbe la torsin hacia y desde lasarta de perforacin

Soporta toda la carga de tensin ejercida por la

sarta de perforacin


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7.2. Componentes de la Sarta de Perforacin Tubera de Perforacin

Transmite potencia rotacional a labarrena

Permite la circulacin del fluido deperforacin

Est sujeta a complejos esfuerzos

No debe correrse en compresin en

pozos verticalesPuede correrse en compresin en

perforacin direccional


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Tubera de Perforacin Extrapesada

Sirven de transicin entre la tubera de perforacin ylos lastra barrenas

Tambin son utilizadas para suministrar peso a labarrena en agujeros < 8 donde el efecto depandeo es mnimo

Reduce la inflexibilidad del BHA

Son ms fciles de manejar que los lastra barrenas

Reducen la posibilidad de atrapamiento diferencial.


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Proveen peso a la barrena

Mantienen la tubera en tensin durante la perforacin

El punto neutral debe localizarse en la parte superior(75 85% mximo)

La longitud y dimetro de los DC afectar el grado, peso ydimensiones de la tubera de perforacin a utilizarse

Los espirales previenen lapega diferencial

Lastra Barrenas


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Incluyen: Estabilizadores, Combinaciones,Martillos de Perforacin, Ampliadores,Rimadores, Herramientas Direccionales, etc.

Todas tienen distintas funciones

Su colocacin es crucial en la sarta deperforacin

Introducen irregularidades en la sarta deperforacin

Otras Herramientas de Fondo


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Diseo de Sartas de Perforacin

Otras Herramientas de Fondo



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7.2. Componentes de la Sarta de Perforacin Barrenas

Parmetros de seleccin

Evaluacin del desgaste de barrenas previas.

Rendimientos obtenidos en pozos vecinos

Registros geofsicos del pozo y pozos vecinos

Datos ssmicos del rea

Software especializados

Propiedades del fluido de perforacin


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7.3. Diseo Direccional


Busca guiar y controlar la trayectoria del pozo


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7.3 Diseo Direccional

Principios Bsicos del Control Direccional en Perforacin

El Principio de Fulcrum Se usa para construir el ngulo(incrementar la inclinacin del agujero)

El Principio de Estabilizacin Se usa para mantener el nguloy la direccin

El Principio del Pndulo Se usa para hacer caer (reducir) elngulo.


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El Principio Fulcrum :

Un ensamblaje con un Estabilizador Cercano a la Barrena y depleno calibre, seguido por 40 120 de lastra barrena antes delprimer Estabilizador de Sarta, o an sin estabilizador de sarta, va adesarrollar un ngulo cuando se aplica el peso sobre la barrena.


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El Principio Fulcrum :Distancia NBS Estabilizador de Sarta Desviacin esperada

(pies) (grados / 100 pies )

60 1.5 2.5

45 0.5 1.5

30 0.5 1.0

Nota: En pozos de dimetros ms pequeos utilizando lastra barrena mspequeos la tasa de incremento angular ser mayor.


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Parmetros de perforacin Vs. Tasa de construccin

Un incremento en el peso sobre la barrena incrementar lavelocidad de construccin angular

Un incremento en la velocidad de rotacin reducir la tasa deaumento del ngulo

Un aumento en el caudal en la bomba (gasto) en formaciones

blandas disminuir la tasa de construccin angular debido a latendencia al lavado por erosin. Tipo de Formacin y el ngulo del echado de los estratos. Inclinacin del pozo.


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El Principio de Estabilizacin

Ensambles Empacados.El ensamble empacado estndar es:

Barrena FG NBS lastra barrena corto FG Stab. lastra barrena estndar FGStab lastra barrena estndar. .

Otros ensambles empacados son:

Barrena FG NBS lastra barrena corto UG Stab. lastra barrena FG Stab lastra

barrena FG stab.Barrena FG NBS FG Estabilizador de Sarta - lastra barrena FG Stab. FG Stab. -

lastra barrena . .


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El Principio de Pndulo:

La barrena va a tratar de llegar a la vertical debido al efectode pndulo.

Se disea colocando un estabilizador de Sarta entre 15 y 60

pies distante de la barrena Si los lastra barrena entre el estabilizador y la barrena hacen

contacto con la pared del pozo la longitud del pndulo se

reduce Se requiere de una seleccin cuidadosa de parmetros.


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Tipo de Ensambles de Fondo Rotatorios

Ensamble de Pndulo

Ensamble Empacado

Ensamble para construir rotando

Ensamble Dirigible

Ensamble con Motor de Fondo de Acople Torcido

D S


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7.3 Diseo DireccionalHerramientas de Fondo Tpicas Para Control Direccional

Di d S d P f i


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7.4. Diseo HidrulicoPermite la circulacin de fluidos para optimizar

velocidad de penetracin y la limpieza del agujero.

7 Di d S d P f i


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7.4. Diseo Hidrulico - Conceptos Bsicos

Contenido:

Conceptos bsicos de hidrulica Clculos hidrulicos

Optimizacin de la hidrulica (seleccin de toberas)

7 Di d S t d P f i


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7.4. Diseo Hidrulico - Conceptos Bsicos Definicin

La hidrulica describe la influencia que tiene la geometrainterna y externa de la sarta de perforacin sobre las prdidaspor friccin en un sistema de circulacin de fluidos

7 Diseo de Sartas de Perforacin


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Objetivos de la hidrulica

Forma parte del proceso de optimizacin de

la perforacin Incluye un balance calculado de los

componentes de la sarta de perforacin

El objetivo primordial es optimizar elavance y la limpieza del agujero



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Presin de circulacin:

Es el esfuerzo necesario para mover el fluido deperforacin a travs de todo el sistema de

circulacin y depende de las siguientes variables:

Gasto de bombeo (Caudal) :

Area de flujo Longitud del sistema de circulacin Reologa del fluido de perforacin



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Efecto de las variables en el sistema de circulacin

Aumenta / DisminuyeDisminuye / AumentaReologa: Baja / Alta

Aumenta / DisminuyeDisminuye / AumentaPeso de lodo: Bajo / Alto

Disminuye / AumentaAumenta / disminuyeLongitud del sistema:

Larga / Corta

Aumenta / DisminuyeDisminuye / AumentaArea de flujo: Grande / pequeaDisminuye / AumentaDisminuye / AumentaGasto: Bajo / Alto

Presin disponiblepara la barrena

Perdidas de presinen los tubulares

Variables



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7.4. Diseo Hidrulico - Conceptos Bsicos Prdidas de presin en el sistema



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Prdidas de presin en el sistemaLa presin leda en el manmetro de la bomba es la suma

de las prdidas de presin en el sistema.

PSist = PTP + PDC + PHtas fondo + PBna + PAn



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Prdidas de presin en el sistema

Gasto de flujo (Caudal)

Es la variable principal en las prdidas de presin

Empricamente debe mantenerse entre 30 y 60 gpm / pulg. de

dimetro de la barrena en pozos verticales o de baja inclinacin

Un gasto excesivo erosionar las paredes del agujero

un gasto insuficiente no limpiara bien el agujero.



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Prdidas de presin en el sistema

Area de flujoDebe disearse una sarta de perforacin que provea las

menores restricciones al flujo

Longitud del sistemaMientras ms profundo y pequeo sea el agujero mayores

sern la prdidas y menor la presin disponible para abarrena

Reologa del lodoLa densidad y la reologa del lodo afectan directamente las

prdidas de presin en el sistema de circulacin



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Mtodos de optimizacin hidrulica

Cada de presin en la barrena Debe estar entre el 50% y el 65% de la presin total de

circulacin en superficie.

Potencia hidrulica mxima Considerar el uso de potencia hidrulica mxima cuando

alrededor del 65% de la presin total se consume en la

barrena. Mantener el uso de potencia hidrulica entre 2.5 a 5.0 HHP

por pulgada cuadrada de dimetro de la barrena



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Sistema bsico optimizado

0200 400 600 800 1000 1200 1400

150

300

450

600

750

Prof. final Prof. inicial

Potencia hidrulica Vs. Gasto

HHP

GASTO (gpm)



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Mtodos de optimizacin hidrulica

Fuerza de impacto mxima Considerar el uso de fuerza de impacto mxima cuando

alrededor del 50% de la presin total se consume en la

barrena.

Velocidad del chorro Afecta la permanencia de los recortes de formacin en el

fondo, as como la velocidad de perforacin Debe mantenerse por encima de 250 pies/seg.



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Velocidad Anular

Debe seleccionarse un valor ptimo entre los lmites mximo ymnimo permisibles.

Velocidad anular mnima Depende de la velocidad de asentamiento de los recortes y

est altamente influenciada por la reologa del lodo

Velocidad anular mxima Est limitada por el rgimen de flujo laminar en el espacio

anular alrededor de la tubera de perforacin.



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Densidad equivalente de circulacin (ECD)

Incremento aparente de la densidad del fluido mientras seest circulando en el pozo.

Depende directamente de las prdidas de presin en el

espacio anular. Parmetro crtico para evitar el fracturamiento de las

formaciones ms dbiles a perforar. La ECD se utiliza en ocasiones como factor de seguridad

para controlar la presin de formacin. La ECD se incrementa con el contenido de recortes en el

lodo



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7.4. Diseo Hidrulico - Clculos

Proceso

1. Dibujar la geometra del agujero2. Calcular la prdida total de presin3. Establecer la Densidad Equivalente de Circulacin

4. Establecer la velocidad de flujo crtica y el gasto deflujo alrededor de los lastra barrenas

5. Establecer las presiones de surgencia y pistoneo6. Calcular la eficiencia de transporte de los recortes y la

concentracin anular7. Calcular la cada de presin en la tubera8. Determinar y optimizar la hidrulica en la barrena



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Cada de presin anular y ECD

Paso 1: Dibujar la geometra del agujero con todos los dimetrosinternos y externos del revestimiento y los tubulares, el tamao delagujero y la longitud de las secciones.

Paso 2: Calcular la velocidad del fluido para el primer intervalo de lageometra, donde:

Va = velocidad anular del fluido en el intervalo (ft/seg)Q = tasa de flujo volumtrico (tasa de bombeo), gal/minD2= dimetro del hoyo, pulgadasD1 = dimetro exterior de la tubera de perforacin, pulgadas



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Paso 3A: Calcular el valor n (ndice de comportamiento del flujo)para el intervalo, donde:

na = ndice de comportamiento del flujo anular (adimensional)300 = medidor V-G, lectura del cuadrante para 300 rpm

3 = medidor V-G, lectura del cuadrante para 3 rpm

Paso 3B: Calcule el valor K (factor de consistencia) para el intervalo

anular, donde:Ka = factor de consistencia en el anular, poise 600 = medidor V-G, lectura del cuadrante para 600 rpm




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Paso 4: Calcular la viscosidad efectiva ea, en el anular:ea = Viscosidad efectiva en el anular, (cp)

Paso 5: Calcular el nmero de Reynolds (Rea) para el intervalo anular

donde:Rea = nmero de Reynolds (adimensional) = densidad del fluido (lbs./gal.)

Paso 6A: Calcular el nmero de Reynolds (ReL) para el cambio de flujolaminar a transicional para el intervalo, donde:

ReL = nmero de Reynolds para el cambio de flujo (adimensional)




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Paso 6B: Calcular el nmero de Reynolds (ReT) para el cambio de flujotransicional a turbulento para el intervalo, donde:

ReT = nmero de Reynolds para el cambio de flujo (adimensional)

Paso 7: Si ReL > Rea utilice la ecuacin de flujo laminar para calcularel factor de friccin.

Si Rel

< Rea

< ReT

utilice la ecuacin de flujo transicional paracalcular el factor de friccionfa = factor de friccin de Fanning (adimensional)



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Cada de presin anular y ECD Paso 8: Calcular la cada de presin (P) para el intervalo,

donde:

Pa = cada de presin en el intervalo anular (psi)L = longitud del intervalo en pies

Paso 9: los pasos 2 al 8 se repetirn para cada seccindiferente de lageometra anular



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Paso 10: Calcular la cada de presin total en el anular (PaT), sumandolas cadas de presin individual para cada intervalo (psi)

Paso 11: Calcular la densidad equivalente de circulacin (ECD), donde:

ECD = densidad equivalente de circulacin (lbs./gal.)

El siguiente diagrama de flujo contiene todas las ecuaciones necesarias:

7. Diseo de Sartas de PerforacinDi Hid li Cl l


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Velocidad crtica y tasa de bombeo (gasto)

Paso 1: Para el primer intervalo, calcular la velocidad crtica ( Vc) defluido para la transicin desde un flujo laminar (pies/seg.)

Paso 2: Calcular la velocidad crtica para cada intervalo de lageometra anular

Paso 3: Comparar la velocidad crtica del intervalo con su velocidadanular (Va), calculado en el paso 2 del proceso anterior.



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Paso 4: Para velocidad anular (Va) que exceda la velocidadcrtica (Vc), calcular la tasa de bombeo mxima que causara latransicin. Este valor as obtenido se denomina tasa de flujo

crtica (Qc) para en intervalo (gal./min.).Mantenindose por debajo de este valor el flujo ser laminaren la seccin.

El siguiente diagrama de flujo contiene las ecuacionescorrespondientes a esta parte del proceso.

7. Diseo de Sartas de PerforacinD l C l l


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Cada de presin en la sarta de perforacin

Paso 1: Calcular la velocidad del fluido en la tubera deperforacin (ver diagrama de flujo), donde:Vp = velocidad del fluido en la tubera, ft/segQ = tasa de flujo volumtrico (gasto), gal/min

D = dimetro interior de la tubera, pulgadas Paso 2: Calcular el valor n (ndice de comportamiento del flujo)

para el intervalo, donde:

np = ndice de comportamiento del flujo en la tubera(adimensional)600 = medidor V-G, lectura del cuadrante para 600 rpm300 = medidor V-G, lectura del cuadrante para 300 rpm



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Paso 2A: Calcular el valor K (factor de consistencia) para el

intervalo anular, donde:Kp = factor de consistencia en la tubera, poise600 = medidor V-G, lectura del cuadrante para 600 rpm

Paso 3: Calcular la viscosidad efectiva ep en la tubera, donde:ep = viscosidad efectiva en la tubera, cP

Paso 4: Calcular el nmero de Reynolds (Re) para el intervalo de latubera,

donde:Rep = nmero de Reynolds en la tubera, adimensional = densidad del fluido, lbs/gal



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Paso 5A: Calcular el nmero de Reynolds para el cambio delflujo laminar al transicional, en el intervalo, donde:

ReL = el nmero de Reynolds para el cambio del flujo

laminar al transicional, adimensional

Paso 5B: Calcular el nmero de Reynolds para el cambio deflujo transicional a turbulento en el intervalo, donde:

ReT = el nmero de Reynolds para el cambio delflujo transicional a turbulento, adimensional



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Paso 6: Si Rep

> ReL

, utilice la ecuacin de flujo laminar paracalcular el factor de friccin.

Si Rep > ReT , utilice la ecuacin del flujo turbulento paracalcular el factor de friccin.Si R

eL< R

ep< R

eT, utilice la ecuacin del flujo transicional

para calcular el factor de friccin,

donde fp = el factor de friccin de Fanning (adimensional).

Paso 7: Calcular la cada de presin (P) para el intervalo, donde:

Pp = cada de presin en la tubera (psi)

L = longitud de la seccin de tubera (pies)



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Paso 8: Los pasos 2 al 8 se repetirn para cada diferentedimetrointerior de tubera (ID)

Paso 7: Calcule la prdida total de presin en la tubera(PpT) en psi sumando las cadas de presin individualescalculadas para cada ID de la tubera.

El siguiente diagrama de flujo contiene las ecuacionespertinentes para esta parte del proceso.

7. Diseo de Sartas de Perforacin7.4. Diseo Hidrulico - Clculos Hidrulicos


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Velocidad de desplazamiento y limpieza del agujero

Una limpieza deficiente del agujero puede ocasionardiferentes problemas graves, incluyendo:

Elevado arrastre y torque Menor tasa de penetracin

Atascamiento de tubera

Dificultades para correr la tubera de revestimiento Fallas en la cementacin primaria



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La tasa de asentamiento se suele denominar velocidad dedeslizamiento (Vs). Al comparar Vs con la velocidad anular (Va)en el intervalo, es posible calcular el tiempo neto de transporte

de partculas (NPT) y el tiempo anular de transporte (ATT).Estos valores le indicarn al ingeniero el tiempo mnimorequerido para el transporte de un recorte hasta la superficie.

El proceso de clculo es como se indica a continuacin:


D l C l l


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Paso 1: A partir del anlisis hidrulico anular para cada intervalo,determine si el fluido se encuentra en flujo laminar o turbulento. Siest en flujo laminar, contine con el Paso 2 para calcular lavelocidad de deslizamiento. Si el fluido est en flujo turbulento, salteal Paso 7.

Paso 2: Calcule la tasa de corte de borde (gb), donde:

B = tasa de corte de borde, seg-1Dc = dimetro de la partcula, pulgadas = densidad del fluido, lb/gal


Di Hid li Cl l


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Paso 3: Calcule el esfuerzo de corte (tp) desarrollado por lapartcula, donde:

p = esfuerzo de corte de la partcula, lb/100 ft2T = espesor de la partcula, pulgadas

Paso 4: Calcule la tasa de corte (p) desarrollada por la partcula,utilizando p y los valores de K y n de tasa baja de corte del

fluido, donde:p = la tasa de corte de la partcula, seg-1na = el ndice de comportamiento anular a baja tasa de corte

K = el factor de consistencia anular, en base a la Figura


7 4 Di Hid li Cl l


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Paso 5: Compare p con B para determinar cul ecuacin debeutilizar para el clculo de la velocidad de deslizamiento.

Paso 6: Calcule la velocidad de deslizamiento y siga con el Paso 9

Paso 7: Para cualquier intervalo en el flujo turbulento, utilice laecuacin B-1 para calcular el esfuerzo de corte desarrollado

por la partcula.Paso 8: Utilice la ecuacin B-2 para calcular la velocidad de

deslizamiento


7 4 Di Hid li Cl l


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Paso 9: Calcule el NPT y el ITT, donde:

NPT = transporte neto de partcula, ft/minVA = velocidad anular del intervalo, ft/min ( = Va del diagrama

multiplicado por 60 seg/min)

Paso 10: Calcule ATT sumando los valores ITT individuales.

Paso 11: Calcule la eficiencia de transporte (Et) en porcentaje, paracualquier intervalo, dividiendo el NPT entre la velocidad anular delintervalo y multiplicando el cociente por 100%.

7. Diseo de Sartas de Perforacin7 4 Diseo Hidrulico Clculos


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7.4. Diseo Hidrulico - ClculosVelocidad de desplazamiento y limpieza del agujero


7 4 Diseo Hidrulico Clculos


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Concentracin de recortes

La concentracin de los recortes (Ca) en el fluido, en el

intervalo anular, se puede calcular utilizando las ecuaciones

siguientes. Dependiendo de las formaciones perforadas, un Ca> 6% a 8% en volumen puede conducir a problemas de limpieza

del agujero, como anillos de lodo y empaque.




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1. Para la concentracin de recortes ( % vol), calcule:

donde:Ca = concentracin de ripios, % volD = dimetro del hoyo, pulgEt = eficiencia del transporte en el intervalo, a partir del

diagrama de flujo anterior, expresada como una fraccin decimalQ = tasa de flujo, gal /min.ROP = tasa de penetracin, pie/hora




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2. El peso efectivo del fluido (lbm/gal) que resulta de la

acumulacin de recortes en el anular, se puede calcularmediante la ecuacin siguiente:

donde:

e = peso efectivo del fluido debido a la concentracinde ripios, lbm/gal.

S.G.c = densidad especfica de los ripios

Ca = concentracin de ripios, % vol = densidad de fluido, lbm/gal.





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Hidrulica en la barrena

El diagrama de flujo que se muestra a continuacin contiene lasecuaciones que calculan la hidrulica en la barrena, donde:

Pb = prdida de presin en la barrena (psi)HHPb = potencia hidrulica en la barrena (HP)HHPB/in2 = potencia hidrulica por pulgada cuadrada de la barrena

Vn = velocidad del lodo en las toberas (pies /seg.)

I.F = fuerza de impacto (lbsf)

% PSIb = porcentaje de presin disponible para la barrena (psi)

HHP = potencia hidrulica del sistema total de circulacin (HP)

7. Diseo de Sartas de Perforacin7.4. Diseo Hidrulico - Clculos


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7.4. Diseo Hidrulico Clculos

Hidrulica en la barrena


7 4 Di Hid li Cl l


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Seleccin de toberas

Paso 1: Seleccionar el equipo de superficie (ver tabla en lasiguiente lmina)

Paso 2: Determinar la prdida de presin en el equipo desuperficie (PS)

Paso 3: Calcular la presin disponible para la barrena (PB)


7 4 Diseo Hidrulico - Clculos


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Seleccin de toberas

Paso 1: Seleccionar el equipo de superficie (ver tabla en lasiguiente lmina)Paso 2: Determinar la prdida de presin en el equipo de

superficie (PS)

Paso 3: Calcular la presin disponible para la barrena (PB)

El diagrama de flujo muestra las frmulas necesarias para realizarlos clculo


7 4 Diseo Hidrulico - Clculos


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Prdidas de presin en la superficie

Se han establecido varios coeficientes de friccin debido al nmerode combinaciones del equipo de superficie.

4440363554454

53.25402.553554453

83.5402.552.5553.5402

222.2540242453401

D.I.

(pulg.)

Long.

(pies)

D.I.

(pulg.)

Long.

(pies)

D.I.

(pulg.)

Long.

(pies)

D.I.

(pulg.)

Long.

(pies)

Coefic.KellySwivelMangueraStand PipeCaso




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Seleccin de toberas

En la tabla de la siguiente presentacin se pueden seleccionar lostamaos requeridos de toberas de acuerdo con el TFA calculado

7. Diseo de Sartas de Perforacin7.4. Diseo Hidrulico - Clculos

Anlisis de Hidrulica


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Anlisis de Hidrulica Seleccin de toberas




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Mtodos declculo

Mtodo manual previamente discutido

Mtodos grficos

Reglas de clculo de las compaas de barrenas

Por medio de hojas electrnicas de clculo

Por medio de calculadoras de mano

Por medio de software especializados

Mtodo del supervisor de pozo.



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7.5. Diseo Mecnico

Transmitir rotacin y peso a la barrena, soportar cargasaxiales, de tensin y presin.


7 5 Diseo Mecnico


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7.5. Diseo Mecnico

Para perforar pozos verticales o de ngulo moderado, la sarta de

perforacin comprende:

Tubera de Perforacin operando en Tensin

Tubera pesada (HWTP) operando en Tensin o en Compresin

Lastra barrena de varios tamaos, por lo general operando enCompresin

Accesorios tales como barrenas, estabilizadores, motores,escariadores, fresas, martillos, etc.


7 5 Diseo Mecnico


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7.5. Diseo Mecnico

Factores de Diseo para la Sarta de Perforacin

Factor de Diseo por Tensin: Limita la tensin mximapermisible en superficie, regularmente DFt = 1.1

Margen de sobre tensin MOP: Capacidad de tensin en exceso

deseada por encima carga de la sarta en la superficie. El MOPse fija por cada operador, generalmente oscila entre 50 Klb y 100Klb.

Exceso de Peso DFBHA: Factor que asegura que el peso sobre labarrena sea aplicado manteniendo el punto neutro dentro delBHA. La mayora de los operadores manejan DFBHA = 1.15


7 5 Diseo Mecnico


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7.5. Diseo Mecnico


Factor de diseo por Torsin: No se requiere un factor de diseo. Losacoples se ajustan hasta un 60% de su capacidad de torsin y estndiseados para resistir hasta un 80 % de la capacidad de torsin del

tubo. De esta forma si el diseo limita el apretado del acople, hay unfactor de diseo adecuado construido dentro del sistema.

Factor de Diseo al Colapso: La capacidad en el cuerpo de la tubera

es considerada inferior para tomar en cuenta la reduccin en elesfuerzo a la tensin biaxial. Normalmente se usa un factor dediseo al colapso, DFC entre 1.1 y 1.15


7 5 Diseo Mecnico


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7.5. Diseo Mecnico


Factor de Diseo para el Estallido: Normalmente se consideranestallidos simples sin tolerancia para efectos axiales.

Factor de Diseo Para Pandeo, DFb: El factor de diseo al pandeo esanlogo al factor para exceso de peso del BHA ya discutido (DFBHA)para pozos rectos o ligeramente desviados en los cuales este factortiene el efecto de alargar el BHA, el DFb reducir el peso permitidopara perforar pozos altamente desviados



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7.5. Diseo Mecnico

Propiedades Fsicas de la Tubera de Perforacin

7. Diseo de Sartas de Perforacin7.5. Diseo Mecnico


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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacinAPI RPG7

Tabla 1-3 Datos de Tubera Nueva Tabla 4-5 Datos de Tubera Clase Premium

Tabla 6-7 Datos de Tubera Clase 2

Tabla 8 Datos de Acoples de tubera

Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexin

Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforacin)

Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste

Fig. 26-32 Datos de Rigidez (BSR) de los DC


7.5. Diseo Mecnico


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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin

Grado

El grado de la tubera de perforacin describela resistencia mnima a la cedencia del

material. En la mayora de los diseos de sarta de

perforacin, se opta por incrementar el grado

del material (acero) en lugar de aumentar elpeso del tubular.


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7.5. Diseo Mecnico


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Clasificacin de la tubera segn API RP 7G

Nueva : Sin desgaste. No ha sido usada antes

Premium: Desgaste uniforme con espesor de paredremanente mnimo del 80% del tubular nuevo.

Clase 2: Espesor de pared remanente mnimo del 70% contodo el desgaste sobre un lado con lo que el reaseccional es todava premium

Clase 3 : Tubera con espesor de pared mnimo 55% con eldesgaste localizado sobre un lado


7.5. Diseo Mecnico


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Componentes de la tubera de perforacin

Cuerpo tubular de acero con extremos lisos

Dos conexiones de acople fuerte - una en cadaextremo.

Enroscados

Soldados o embonados al tubo con arco

elctrico a alta emperatura.


7.5. Diseo Mecnico


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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin Pesos

Peso del tubular con extremos lisos Se refiere alpeso por pie del cuerpo del tubo, sin acoples.

Peso nominal - Se refiere a una norma obsoleta (Peso

de un tubo de Rango I con conexiones). Actualmentese usa para referirse a una clase de tubo deperforacin.

Peso ajustado El peso promedio por pie del tubo yde las conexiones de un tubo Rango II. Debe usarsepara todos los clculos de carga obre el gancho.


7.5. Diseo Mecnico


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Peso Ajustado

El peso nominal es un nmero de referencia inexacto. El peso Ajustado incluye el cuerpo del tubo y el de los

acoples. Es mayor que el peso nominal e incluye :

El peso extra de los acoples y El espesor adicional de los refuerzos de la tubera.

Los refuerzos a su vez puede ser de tres tipos: Refuerzo

Interno (IU), Refuerzo Externo (EU) y Refuerzo Interno yExterno (IEU)



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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin Clculo de los Pesos Ajustados

Wt DP Adjust x 29.4 + Wt. Tool Jt Approx

Wt (lb./pie) = 29.4 + L Tool jt. Adj.


7.5. Diseo Mecnico


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Ejemplo No. 1. Calculo de Pesos Ajustados

Calcular el peso ajustado aproximado de un tubo con acople

incluido para una tubera de perforacin de 5. OD, 19.5 lbm/pie,grado X-95 con conexin NC50 y acople tipo IEU (con refuerzo

interno y externo) y dimensiones 6.375pulg. OD x 3.5 pulg. ID.



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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacinEjemplo No. 1. Calculo de Pesos Ajustados (Paso 1)



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(Informacin tomada del API RPG7) Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin


Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin7.5. Diseo Mecnico


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(Tomado de la tabla 7 API 5D)


l T


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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacinEjemplo No. 1. Peso Ajustado del Acople (Paso 2)

Refirindose a la tabla API RP7G , el acople NC50, 6.375 OD, 3.5 ID para una tuberacon peso nominal 19.5 lbm/ft est disponible en Grado X-95 nicamente (ver columnas4, 5 y 6 de la Tabla ).

L = 17 pulg., DTE = 5.125 pulg., D = 6.375 pulg., y d = 3.5 pulg.

Peso Ajustado aproximado del acople:


P i d d F i d l T b d f i


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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacinEjemplo No. 1. Longitud Ajustada de los Acoples (Paso 3)

De aqu que el peso ajustado del cuerpo del tubo con los acoples ser:

Que es el valor al indicado en la Tabla 9 pag. 14 del API RP7G

21.12


7.5. Diseo Mecnico



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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin Torque de conexin

Los acoples API tienen un punto de cedencia mnimo de 120,000 psiindependientemente del grado de la tubera (E, X, G, S) .

API fija la resistencia a la torsin del acople en 80 % de laresistencia a la torsin del tubo: Esto equivale a una razn de

resistencia a la torsin de 0.8. La torsin para conectar se determina por el dimetro interno del

pin y el dimetro externo de la caja.

El torque de conexin es 60 % de la capacidad de torsin del acople. Los valores son obtenidos grficamente conociendo ID y OD




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Propiedades Fsicas de la Tubera de perforacin Ejemplo de Grficas de Torque de conexin



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Tubera de Perforacin Extrapesada (HWTP)

7.5. Diseo Mecnico


7.5. Diseo Mecnico

T E T


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Igual dimetro externo que la tubera de perforacin ydimetro interno ms reducido

Refuerzo en la mitad del cuerpo del tubular del tamao de losacoples para resistir el desgaste por abrasin

Se usa entre tubera de perforacin y los lastra barrena paraproporcionar una transicin suave entre los mdulos deseccin de los componentes de la sarta de perforacin.

Trabaja en compresin y en tensin sin problemas


7.5. Diseo Mecnico

T E ( T )


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Opciones de Seleccin

Solo se tiene dos opciones de seleccin deacuerdo al ambiente donde se perfore.

a) Lisab) Espiral


Conexiones Numeradas NC


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Conexiones Numeradas NC

Es el estilo de rosca ms comn en la sarta de perforacin. La rosca tiene forma de V y se identifica por el dimetro

de paso, medido en un punto que est a 5/8 de pulgada

desde la base del pin.

El Nmero de Conexin es el dimetro del paso multiplicado

por 10 y truncado a los dos primeros dgitos = XY


Conexiones NumeradasEl


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Conexiones NumeradasEl tamao de una conexin rotatoria numerada se refiere a su dimetro depaso en el pin un punto de calibre a 5/8 de pulgada desde el hombro(base) y se especifica as: NC (XY)


Conexiones Numeradas


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Si el dimetro de paso es 5.0417 pulgadas => Esta es una conexin NC50

Multiplique 5.0417 por 10 =>50.417

Escoja los primeros dos dgitos => 50

Por lo tanto, la conexin numerada ser: NC 50

Hay 17 NCs en uso: desde la NC-10 (1 1/16) hasta la NC-77 (7 )

Tamaos tpicos de Conexin Numerada, NC:

NC 50 para acoples con dimetro externo de 6 de la tubera de Perf. de 5NC 38 para acoples con 4 3/4 OD en tubera de perforacin de 3 .




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Conexiones NumeradasEjemplo de conexiones Intercambiables



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7.5. Diseo Mecnico Diseo del Ensamble de Fondo BHA)


Dise


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Lastra barrenas

Dimetro externo mximo del DC que se pueda manejar,pescar y usar para perforar.

Seleccin de Conexiones

Razn de Resistencia a la Flexin (BSR)

Capacidad de torque

Exceso de peso en la Herramienta de Fondo para proveer

el peso sobre la barrena (WOB) y mantener la tubera entensin

Estabilizacin

Diseo del Ensamble de Fondo BHA)


Dise


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Diseo del Ensamble de Fondo BHA) Seleccin de conexiones

Caractersticas de Liberacin de Esfuerzos

Los DC y otros componentes de la herramienta de fondo son

mucho ms rgidos que la tubera de perforacin y en ellosgran parte de los esfuerzos por doblamiento se transfieren a

las conexiones.

Estos esfuerzos pueden causar falla por fatiga en lasconexiones.




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Dise Seleccin de conexiones

Ranura para liberacin de

esfuerzos en el pin




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Dise Seleccin de conexiones

caractersticas de liberacin de esfuerzo

Pin con ranura y caja ensanchada son los diseos especiales paraaliviar o liberar esfuerzos en la conexin.

Se deben especif icar en todas las conexiones de las herramienta defondo tamao NC-38 o mayores.

Estas caractersticas son benficas tambin para la tubera extrapesada HWDP.

Las ranuras de liberacin de esfuerzos en el pin no se recomiendan

en conexiones ms pequeas que NC-38 por debilitamiento de laconexin. Las conexiones de caja ensanchada se podran usar en las

conexiones ms pequeas.




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DiseSeleccin de conexiones

Los efectos de los esfuerzos dedoblamiento sobre las conexiones

se pueden reducir al agregar

RANURA PARA ALIVIO DEESFUERZOS en el PIN

y/

ENSANCHADO EN EL DIMETROSUPERIOR DE LA CAJA.




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Seleccin de lastra barrenas

Normalmente la mejor opcin es el DC de mayor tamao que sepueda utilizar.

Mayor rigidez para resistir pandeo y tendencia de cambio en

direccin. Movimiento cclico restringido Menor longitud de la herramientas de fondo Menor cantidad de conexiones (puntos de falla) en el pozo.

Menor riesgo de pega diferencia


Diseo del Ensamble de Fondo BHA) Seleccin de lastra barrenas


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Mdulo de la Seccin para las Conexiones (Z)

Se refiere al rea y al grado de alejamiento de una forma de material divididapor la distancia desde el extremo de la forma hasta el punto donde losesfuerzos son cero




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Razn o Relacin de Resistencia a la Flexin (BSR) Es la rigidez relativa de la caja con respecto al pin de una

conexin dada.

Describe el balance entre dos miembros de una conexin y suprobable comportamiento en un ambiente cclico de rotacin.

Se aplica tanto a las conexiones como a los cambios de

dimetro de los componentes de la sarta





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Seleccin de lastra barrenas Razn o Relacin de Resistencia a la Flexin (BSR)

Donde:Zbox = mdulo de la seccin de la caja

Zpin = mdulo de la seccin del perno

D = Dimetro externo del pin y de la caja (pulgadas)b = Dimetro de la raz de la rosca de la caja al

final del pin (pulgadas)

R = Dimetro de la raz de las roscas del pin a de

pulgada del hombro. (pulgadas)

d= dimetro interno (pulgadas)


Dise

o del Ensamble de Fondo BHA) Seleccin de lastra barrenas


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Razn de resistencia a la Flexin para las Conexiones

Se dice que una conexin est balanceada si la razn deresistencia a la flexin es 2.5

Cuando la razn de resistencia a la flexin es superior setiende a ver fallas de piones.

Cuando la razn de resistencia a la flexin es inferior se

tienden a ver ms fallas en las cajas.


Dise

o del Ensamble de Fondo BHA) Seleccin de lastra barrenas


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Razn de resistencia

a la Flexin para lasConexiones





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113/143Revisin de Equipos, Herramientas y Clculos de Perforacin


Razn de resistencia a la Flexin para las Conexiones

Esta tabla est extrada de T.H. Hill & Associates Inc. Norma DS-1.

Razones BSR para Conexiones - API RP7G pginas 39-447. Diseo de Sartas de Perforacin


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Diseo del Ensamble de Fondo BHA) Seleccin de lastra barrenas ODu r


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ODlwrIDlwr

ODuprIDupr

Relacin de Rigidez para Transiciones

La experiencia de campo ha demostradoque

BSR < 5.5 para perforacin rutinaria

BSR < 3.5 para perforacin severa

Las razones de rigidez se calculan utilizando los dimetros externos e internos de los cuerpos.


Diseo del Ensamble de Fondo BHA) Seleccin del nmero de lastra barrenas


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Seleccin del nmero de lastra barrenas

Punto neutral y Peso sobre la barrena

1. Factor de Diseo para exceso de herramienta de fondo = 1.15

Peso requerido de DCPeso sobre la barrena (WOB) = 1.15

2. El Punto Neutral (NP) a la tensin debe estar dentro de los lastrabarrenas




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Punto neutral y Peso sobre la barrena




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1. Determinar el factor de flotacin para el peso del lodo que se est enel pozo empleando la frmula siguiente:

BF = 1 (MW / 65.5)Donde

BF = Factor de Flotacin, adimensional

MW = Peso del lodo dentro del pozo, en lbs /gal65.5 = Densidad del acero, lbs/gal




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2. Calcular la longitud de DC requerida para lograr el peso deseado

sobre la barrena:LDC = 1.15* WOB / (BF * WDC)

donde:

LDC = Longitud requerida de DCWOB = Peso deseado en la barrena, lbf (x 1000)

BF = Factor de flotacin, adimensional

WDC = Peso del collar de perforacin en el aire, lb./ft.

1.15 =15% factor de seguridad.

El factor de seguridad de 15% asegura que el punto neutropermanezca dentro de drill collars.




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3. Para pozos direccionales :

LDCd = LDC / Cos donde: = ngulo de inclinacin del pozo

LDCd

= longitud de los DC para la seccin inclinada

LCD = longitud de los DC para aplicar el mismo WOBen agujero vertical

Para pozos horizontales los lastra barrenas no se usan y laseleccin de la herramienta de fondo se basa en la prevencindel pandeo.




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Ejemplo: Cantidad de lastra barrenas

Determine la cantidad de lastra barrenas de 9 pulgadas de dimetroexterno por 3 pulgadas de dimetro interno que se requieren paraobtener un peso sobre la barrena de 55,000 lbf.

Desviacin del pozo = 0 Densidad de Lodo = 12 lbs / gal

Longitud del tramo = 30 pies. Peso unitario del DC = 192 lbs / pie




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Solucin al Ejemplo

Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotacin

BF = 1- (12/65.5) = 0.817

Peso en el aire de los lastra barrena = 55,000/0.817 = 67,336 lbf

Por lo tanto, el peso en el aire requerido de los DC deber ser un 15%adicional para asegurar que el NP est en el BHA

Peso de los DC = 67,336 x 1.15 = 77,436 lbf




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Continuacin de la Solucin al Ejemplo

Un lastra barrena pesa: 30*192 = 5,760 lb

Cantidad de lastra barrena = 77,416 / 5,760 = 13.54

La cantidad de lastra barrenas (DC) se aproxima siempre porarriba por tanto se necesitarn 14 DC.


Diseo del Ensamble de Fondo BHA) Limites de Torsin para los Lastra Barrenas


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El torque est limitado por la conexin del DC

Usualmente es mayor para la tubera en superficie y menor paralos lastra barrena de fondo Si el torque de ajuste en la conexin de los DC es mayor que el

torque de ajuste en la conexin de la tubera de perforacin no

se debern tener problemas rutinarios. El torque del BHA en cualquier punto no deber exceder de 80% del torque de ajuste para las conexiones en el pozo paraevitar sobre apretar las conexiones lo cual puede hacer que se

daen los sellos. Posible incremento del torque en la conexin Uso de lastra barrena con menor Dimetro Interno, ID Cambio de parmetros para reducir el torque en el BHA



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7.5. Diseo Mecnico

Diseo de la tubera de perforacin


Diseo de la tubera de perforacinDatos para el diseo API RP 7G


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Tabla 1-3 Datos de Tubera Nueva

Tabla 4-5 Datos de Tubera Clase Premium

Tabla 6-7 Datos de Tubera Clase 2

Tabla 8 Datos de Acoples de tubera Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexin

Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforacin)

Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste

Fig 26-32 Datos de Rigidez (BSR) de los DC


Diseo de la tubera de perforacin Diseo de la Sarta por Tensin


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p

El ltimo tramo de tubera en superficie debe:

Sostener el peso de la herramienta de fondo (BHA) Sostener el peso de la tubera subsiguiente hasta el BHA

Soportar el margen de jaln seleccionado (MOP).

No alcanzar la resistencia mnima de cedencia




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La mayor tensin (carga de trabajo Pw) sobre lasarta de perforacin se presenta en el tramo

superior cuando se llega a la mxima profundidadperforada




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Peso Total, Tsurf, soportado por la junta superior de la

tubera de perforacin cuando la barrena est justoarriba del fondo;

donde:

Ldp = longitud de la tubera de perforacin, pies

Wdp = peso unitario de la tubera de perforacin, lbs / pieLdc = longitud de los lastra barrena, piesWdc = peso unitario de los lastra barrena, lbs / pie




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La sarta de perforacin est diseada con el objetivo de no alcanzarel valor mnimo de la resistencia a la cedencia.

Si al tensionar la tubera de perforacin se alcanza su punto de

cedencia:1. Tendr una deformacin total que es la suma de las deformaciones

elstica y plstica (permanente).

2. El estiramiento permanente se quedar en la tubera de perforacin(no desaparecer al quitar la tensin aplicada)

3. Ser difcil conservar la tubera recta.




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Carga de Diseo Mxima Permisible

Para evitar dao por deformacin a la tubera de perforacin, el API

recomienda que se use una carga mxima de diseo permisible ( Pa)

Tmax = 0.9 x Tyield .(2)Tmax = Carga de diseo mxima permisible en tensin, lb

Tyield = Resistencia mnima a la cedencia (segn el API), lbs

0.9 = Factor de diseo por tensin ( Recomendado por API = 1.1)




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Margen de jaln (sobre tensin MOP)

El margen de jaln es generalmente seleccionado por los operadoresentre 50 y 100 Klb, o se determina por la diferencia entre la carga dediseo mxima (Tmax) menos la carga total en superficie.

MOP = Tmax Tsurf . (3)

Tmax = como se calcul en la formula (2), lbsTsurf = carga total registrada en el gancho, lbs




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Mxima longitud permisible de tubera

Combinando las ecuaciones (1) y (3) y despejando la longitud de latubera se perforacin (Ldp), se obtiene:


Diseo de la tubera de perforacin Diseo de la Sarta por Tensin Mxima longitud permisible de tubera


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Ejemplo

Tubera de Perforacin de un solo Grado Longitud de los lastra barrenas (DC): 600pies de 150 lb/ft.

Margen de sobre tensin = 100,000 lbs.

5 / 19.5 lb/ft Premium G-105 DP con conexiones NC50. (Wdp) = 21.92 lbs/pie Margen de Sobre Tensin (MOP): 100,000 lbs

Factor de flotacin (BF) : 0.85

Calcule la profundidad mxima a la cual se puede perforar. Utilice las tablas API - RP7G para los valores del Peso Aproximado (Wdp) y

para el Punto de Cedencia Mnimo.





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Solucin al ejemplo

La mxima longitud permisible de tubera se calcula mediante:

Mxima Profundidad de Perforacin = Ldp + Ldc





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Solucin al ejemplo

Carga de diseo mxima ( Tmax)

Tmax = 0.9 x Punto de cedencia mnimo

Tmax = 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb (1) (RP7G T4)





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EjercicioUna sarta de perforacin costa de 600 pies de lastra barrenas de 8 x 2-13/16 y el resto es tubera de perforacin de 5, 19.5 lbm/pie,Grado X-95 con conexiones NC50. Si el Margen de Sobre Tensin

requerido es de 100,000 lb y el peso del lodo en el pozo es 10 ppg,calcule:

1) La profundidad mxima que se puede perforar cuando (a) se usatubera de perforacin nueva y (b) tubera de perforacin Premium.



Mxima longitud permisible de tubera - Tubera combinada


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Paso 1

Si usamos diferentes tuberas de perforacin, la tubera ms dbil es laque va en el fondo y la tubera ms fuerte en la parte superior.

Aplique la ecuacin primero a la tubera de perforacin del fondo.

Ldp =Pt x 0.9 MOP Wdc

Wdp x BF Wdpx Ldc

Paso 2

Los lastra barrenas y la tubera de perforacin del fondo actan comoel peso que es soportado por la seccin superior efectivamente.

Aplique la ecuacin para la tubera de perforacin superior al ltimo.



Ejercicio Mxima longitud permisible de tubera Tuberia mixta


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Ejercicio

Agujero 15,000 pies de profundidad: Grado E-75 : Nueva, 5 OD, 19.5 lb/pie, NC 50

Grado G-105 : Nueva, 5 OD, 19.5 lb/pie, NC 50

Margen de sobre tensin de 50,000 lbs en la tubera Grado E.

Longitud total BHA = 984 pies., Peso BHA = 101,000 lb respectivamente.

MW = 13.4 ppg.

Calcule :

1. Mxima longitud de la tubera E que se puede usar.2. Longitud de tubera G que se debe usar.

3. Margen de sobre tensin para la tubera G y para la tubera E.

Factores de Diseo




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TVD

Lbha

Ldp

MOP en un pozo desviadoSe debe considerar siempre la profundidad

vertical, TVD

Calcular la TVD para Ldp.

Calcular el peso del BHA en un pozo

inclinado, multiplicando su peso en el aire

por el coseno del ngulo:

Peso = BHA x cos O

MOP en un pozo desviado




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TVD

Long. TP = 15,000 pies

Peso BHA aire = 80,000 lbs.

Inclinacin = 30 =>

Peso = 80,000 x cos 30 = 69,282 lbs.

TVD dp = 15,000 x cos 30 = 9,959 pies

12,000 pies

Lbha

Ldp

30


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Diseo de la tubera de perforacin Oras cargas

Colapso bajo Tensin


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Colapso bajo Tensin

Estallido Cargas de Impacto

Cargas de doblamiento

Cargas de Pandeo o Encombamiento

Cargas de Torsin

Torsin con Tensin Simultnea

07 diseño de sartas de perforación

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