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Prof. Ing. Luis Soto Pineda “HERREMIENTAS DE PERFORACION” 1 2 4 5 6 3 7 8 9 2 8 3 1 4 7 6 5

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Prof. Ing. Luis Soto Pineda

“HERREMIENTAS DE PERFORACION”

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Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

Objetivo: El alumno será capaz de identificar los diferentes componentes y tipos de tuberías que conforman una sarta de perforación, los tipos de roscas utilizados, tipos de barrenas, sabrá diseñar una sarta de perforación y elaborar un programa de barrenas.

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación

a. Objetivo de la sarta de perforación

b. Componentes de la sarta de perforación

c. Qué es una tubería de acero?

d. Proceso de fabricación de las tuberías de acero

e. Propiedades de las tuberías de acero

f. Tuberías utilizadas en la industria petrolera

g. Objetivo de las tuberías de revestimiento

h. Tubería pesada y lastra barrenas

i. Conexiones o roscar en la tubería de perforación

j. Diseño de sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

Objetivo: El alumno será capaz de identificar los diferentes componentes y tipos de tuberías que conforman una sarta de perforación, los tipos de roscas utilizados, tipos de barrenas, sabrá diseñar una sarta de perforación y elaborar un programa de barrenas.

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

a. Definición

b. Principio de operación

c. Clasificación de las barrenas

d. Barrenas tricónicas

e. Barrenas de cortadores fijos (de diamante)

f. Selección de barrenas

g. Selección del diámetro de la barrena

h. Factores que afectan el desgaste de la barrena

i. Determinación del tiempo optimo para el cambio de la barrena

II. Barrenas

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

La sarta de perforación es una parte importante en el proceso de perforación rotatorio, su

diseño y selección requieren de un análisis cuidadoso para la obtención de resultados

satisfactorios. Dentro de los objetivos más importantes de una sarta de perforación se

incluyen:

Transmitir el movimiento rotatorio a la barrena.

Servir de conducto de circulación.

Dar peso a la barrena.

Sacar y meter la barrena.

Efectuar pruebas de formación.

Colocar tapones de cemento.

Cementar las tuberías de revestimiento.

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

a. Objetivo de la sarta de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Los componentes de una sarta de perforación son muy variados y cada uno tiene un

objetivo específico, a continuación se mencionan los componentes más comunes:

Barrena.

Porta barrena (liso o estabilizador).

Motor de fondo (opcional)

Doble caja.

Válvulas de seguridad.

Lastra barrenas (Drill Collar).

Junta de seguridad.

Rimas.

Estabilizadores.

Martillos.

Tubería pesada (Heavy Weight).

Canastas colectoras.

Tubería de perforación.

Sustituto de la flecha.

Hules protectores.

LASTRABARRENAS

COMBINACION

BNA.

PORTABARRENA

DC

ESTABILIZADOR

VALVULA SEG

D. C. DE MONEL

MARTILLO HDCO

TUBERIA PESADA

ESTABILIZADOR

1

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TUBERIA DE PERF.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

b. ComponentesI. Sartas de perforación

Aparejo de fondo

Tubería de perf

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

La distribución de los componentes de una sarta de perforación tiene que ver con el objetivo de la misma, como se muestra en las siguientes figuras:

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

b. ComponentesI. Sartas de perforación

Aparejo para incrementar el ángulo

Aparejo para mantener elángulo

Aparejo para disminuir el ángulo

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Como se puede observar, a excepción de los hules limpiadores, todos los componentes de

una sarta de perforación son segmentos tubulares o tuberías.

Que es una tubería?

Es un segmento cilíndrico hueco compuesto generalmente de acero con una geometría

definida por el diámetro y el espesor del cuerpo. El acero es un metal refinado que se

obtiene a partir de la fundición de un lingote de hierro combinado con otros elementos

químicos. Los aceros se clasifican de acuerdo a su composición en:

Aceros ordinarios.- Cuyos componentes principales son hierro, carbono y manganeso, el

carbono y el manganeso reunidos no representan mas del 1.5% del total del metal.

Aceros especiales.- Se hacen como los ordinarios pero se les agrega níquel,

cromo, cobre, molibdeno, vanadio y tungsteno.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

c. Qué es una tubería?I. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

La tubería utilizada en la industria petrolera debe cumplir con ciertas características

geométricas y mecánicas como son:

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

c. Qué es una tubería?I. Sartas de perforación

La clase en una tubería se refiere al grado de usabilidad que ha tenido dicha tubería.

El grado en una tubería nos indica el tipo de acero con que fue construido.

Diámetro exterior

Diámetro interior

Espesor

Clase

Grado

Resistencia a la tensión

Resistencia a la presión interna

Resistencia al colapso

Resistencia a la torsión

MecánicasGeométricas

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Debido a la importancia que tiene la tubería de acero en la industria petrolera, la

fabricación debe contar con características de calidad extrema, acordes a los esfuerzos y

riesgos potenciales a los que estará sometida. Existen tres procesos de fabricación de

tuberías:

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforación

El proceso mas utilizado dentro del ámbito de perforación en tuberías con diámetros

exteriores de 20” y menores es sin duda la fabricación de tubería sin costura. El proceso

de construcción consta de los siguientes pasos:

1. Construcción sin costura

2. Construcción con soldadura eléctrica

3. Construcción con soldadura eléctrica instantánea (flash)

1. Materia prima

2. Acería

3. Colada continua

4. Laminado

Fusión

Vaciado

Afinación

Acería

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

1.- Materia prima La materia prima utilizada en la fabricación de tubería es básicamente,

un 30% de fierro esponja (fierro natural) y un 70% de chatarra.

2.- Acería Es un proceso que consta de tres etapas fusión, vaciado y afinación, y su

objetivo es la fabricación de los tochos (barras de acero).

Fusión.- La materia y fierro, las aleaciones se calientan hasta alcanzar una temperatura

cercana a los 1620°C, en ese punto el acero se encuentra en estado liquido, la inyección

de gas argon se realiza por la parte inferior de la olla de fusión, con la finalidad de

homogeneizar la composición química del acero.

Vaciado.- Posteriormente, el acero de la olla de afinación es llevado y vaciado

al un distribuidor para obtener la colada continua.

Afinación.- Después de realizar el vaciado de la olla de fusión a la olla de afinación, con

precisión, se realiza la afinación del acero mediante la adición de aleaciones (carbono,

cromo, manganeso, níquel, etc.) y así se obtiene el grado del acero requerido.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

3.- Colada continua El distribuidor de la colada continua ha sido deseñado con deflectores

especiales que evitan la turbulencia, con el propósito de obtener barras de sección

redonda que finalmente son cortadas en secciones dependiendo del diámetro, esta sección

es comúnmente llamada tocho.

4.- Laminado El tocho entra al horno giratorio que contiene nueve zonas de calentamiento

alcanzando 1200°C en forma gradual. Después pasa al desescamador para eliminar la

oxidación que sufre al contacto con la atmósfera y se proce a perforarlo.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Fusión Vaciado Afinación Colada Continua

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforaciónAceria

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Máquina de corte

Máquinas Extractoras-Enderezadoras

Molde

Distribuidor

Olla Torreta

TEMA IV Herramientas de perforación

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d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

FusiónVaciado Afinación Colada continua

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Tratamiento térmico.- Existen tres tipos de tratamientos térmicos temple, revenido y

normalizado. Los dos primeros son para aceros C75, L80, N80, TRC95, P110, TAC140, TAC 110

y Q125.

Temple.- El tubo es llevado a un horno aumentando gradualmente la temperatura hasta 860°C y

después se sumerge súbitamente en agua a temperatura de 40°C, esto altera la estructura

molecular primero en una austensita y posteriormente a una martensita la cual es dura y poco

dúctil.

Revenido.- La tubería es introducida a un horno aumentando la temperatura gradualmente a

550°C cambiando la estructura molecular a una martensita revenida con bajos esfuerzos

residuales.

Normalizado.- El tubo es calentado sin alcanzar la austenizacion de la estructura molecular del

acero. Es usado para aceros H40, J55, K55, etc.

Acabado del tubo.- Terminado el tubo se realizan las siguientes pruebas:

Prueba de inspección electromagnética (longitud, espesor, grado de acero, etc)

Roscado (según normas API)

Prueba hidrostática

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Resistencia.- Es el esfuerzo máximo que un material puede soportar antes de que

ocurra una falla (resistencia a la tensión, colapso y presión interna).

Rigidez.- Una estructura es rígida si soporta un gran esfuerzo con una mínima

deformación.

Ductilidad.- Es la capacidad de un material para soportar grandes deformaciones

inelásticas antes de la fractura. Se asocia con los esfuerzos de tensión.

Maleabilidad.- Es la capacidad de un material para soportar grandes deformaciones

inelásticas antes de la fractura. Se asocia con los esfuerzos de compresión.

Maquinabilidad.- Es la facilidad con la que un material puede maquinarse.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

e. Propiedades de las tuberías de aceroI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Tuberías de Revestimiento (T.R.)

Tuberías de Producción

Tuberías de Perforación

Tuberías de Línea

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

f. Tuberías utilizadas en la industria petroleraI. Sartas de perforación

D. ext

pg

Peso

lb/pie

Grado Cedencia

lb/pg2

R. Colapso

lb/pg2

R. P. Int.

lb/pg2

R. Tensión

1000 lb

Espesor

pg

RoscaD. int

pg

En la industria petrolera se utiliza una gran variedad de tuberías de acero, siendo en los

procesos de perforación y terminación de pozos donde se utiliza la mayoría, a continuación

se mencionan las más usadas:

En este curso estudiaremos las tuberías de perforación ya que forma parte esencial de la

sarta de perforación. Como ya se menciono la sección más larga de una sarta de

perforación está constituida por la tubería de perforación y es ésta, la que más se daña

durante el proceso de perforación, razón por la cual le dedicaremos más tiempo. La tubería

de perforación al igual que las otras tuberías tiene las siguientes especificaciones:

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

f. Tuberías utilizadas en la industria petroleraI. Sartas de perforación

  Yield Strength

Grado Min psi Max psi

     

E 75 75,000 105,000

X 95 95,000 125,000

G 105 105,000 135,000

S 135 135,000 165,000

       

  Rango 1 Rango 2 Rango 3

       

Longitud (pies) 18 a 22 27 a 30 38 a 45

       

Longitud (mt) 5.49 a 6.71 8.23 a 9.15 11.59 a 13.72

       

Grados más comunes en la TPClasificación de la TP Por longitud

E

X

G

S

Identificación de la TP en campo

La TP se encuentra en diámetros de 2 3/8 hasta 6 5/8”

Pesos unitarios más comunes

Diámetro ext.

(pg)

Peso nominal

(lb/pie)

2 3/8 4.85

6.65

2 7/8 6.85

10.40

3 1/2

9.50

13.30

15.50

4 14.00

15.70

Pesos unitarios más comunes

Diámetro ext.

(pg)

Peso nominal

(lb/pie)

4 1/2

13.75

16.60

20.00

22.82

5 19.50

25.6

5 1/2 21.90

24.70

6 5/8 25.20

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Clasificación de la TP por usabilidad

Tipo Descripción Código de color

     

Clase I Tubería nueva Una franja blanca

Premium Resistencia del 80% Dos franjas blancas

Clase II Resistencia del 65% Una franja amarilla

Clase III Resistencia del 55% Una franja azul

Clase IV Deshecho Una franja roja

El Instituto Americano del Petróleo API ha

establecido diversos lineamientos para la

clasificación de la tubería de perforación

en función del desgaste que esta

presente. El desgaste afecta directamente

a la resistencia del tubo.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

f. Tuberías utilizadas en la industria petroleraI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

f. Tuberías utilizadas en la industria petroleraI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Tubería conductora.- Es la primera que se introduce y puede ser hincada o cementada. Su objetivo es permitir la instalación del primer preventor (en algunos casos se instala el cabezal) donde se instalan las conexiones superficiales de control y establecer un medio de circulación para el fluido de perforación.

Tubería superficial.- La introducción de esta tubería tiene como objetivos instalar las conexiones superficiales de control definitivas, aislar acuíferos superficiales, zonas de pérdida y zonas de gas someras. Esta tubería se cementa hasta la superficie.

Tubería intermedia.- Estas tuberías se introducen con la finalidad de aislar las zonas de presión normal, anormal y depresionadas, permitiendo incrementar o disminuir la densidad del fluido de perforación para continuar con la etapa siguiente. Estas tuberías pueden ser introducidas en una sola etapa (corrida) o en dos etapas (liner y complemento) y la cementación de igual manera puede ser en una o dos etapas.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

g. Objetivo de las tuberías de revestimientoI. Sartas de perforación

Las tuberías de revestimiento son de gran importancia en la perforación de pozos, razón por la cual mencionaremos su clasificación y principales objetivos.

Tubería conductora

Tubería de revestimiento superficial

Tubería de revestimiento intermedia

Tubería de revestimiento de explotación

Tuberías de revestimientoTR

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Conductor

Superficial

Intermedia

Intermedia

Intermedia

Intermedia

Explotación

Boca de liner

Boca de liner

Conductor

Superficial

Intermedia

Intermedia

Explotación

TubingLess

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación

Tubería de explotación.- Esta tubería tiene como finalidad aislar las zonas productoras de zonas indeseables (acuíferos, zonas depresionadas, etc.) y permitir una explotación selectiva del yacimiento. Generalmente esta tubería no se extiende hasta la superficie y comúnmente se le llama tubería corta o liner. En el diseño de esta tubería se debe poner especial atención, ya que siempre estará en contacto con los fluidos producidos e inyectados soportando las presiones del yacimiento y las de tratamiento ( estimulación o fracturamiento). A continuación se muestran diversos arreglos de tuberías de revestimiento.

g. Objetivo de las tuberías de revestimiento

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación h. Tubería pesada y lastra barrena

El uso de la tubería pesada es una práctica ampliamente aceptada en la industria de la

perforación ya que debido a su mayor espesor de pared el peso unitario se duplica o triplica. Los

diámetros más comunes son:

Diámetro externo (pg) Diámetro interno (pg) Peso (lb/pie)

3 ½ 2 1/16 26

4 2 9/16 28

4 ½ 2 ¾” 42

5 3 50

Las principales ventajas que se tienen con el uso de esta tubería son:

Reduce los costos de perforación ya que al colocarla en la zona de transición (inmediatamente

arriba de los lastra barrenas) se eliminan las fallas de la tubería.

Incrementa significativamente la capacidad de los equipos pequeños al eliminar los lastra

barrenas.

Ahorros en la perforación direccional al disminuir el número de lastra barrenas, reduce la

torsión y disminuye las tendencias al cambio de ángulo.

El uso de la tubería pesada helicoidal minimiza los problemas de pegadura por presión diferencial.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación h. Tubería pesada y lastra barrena

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Las funciones más importantes de los lastra barrenas son:

Dar peso a la barrena

Minimizar los problemas de estabilidad del agujero

Minimizar los problemas de control direccional.

Las formas de los lastra barrenas son variados, siendo los más

comunes los lisos y los ranurados en espiral. El uso de lastra barrenas

de mayor diámetro tiene las siguientes ventajas:

Se requieren menos lastra barrenas para proporcionar el mismo peso.

Disminuye el tiempo de conexión.

Se obtiene mayor rigidez.

Se mantiene la verticalidad.

Al igual que en la tubería pesada, el uso de lastra barrenas ranurados disminuye el área de contacto con la pared del pozo disminuyendo los problemas de pegadura por presión diferencial.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación h. Tubería pesada y lastra barrena

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Debido a que las tuberías que se utilizan en los pozos tienen un limite de longitud, es necesario

unir estas tuberías para introducirlas al pozo, con la premisa de que la unión debe ser

hermética y capaz de soportar cualquier esfuerzo al que se someterá, a esta unión se le conoce

como Junta o Conexión.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

i. Conexiones o juntas en la tubería de perforaciónI. Sartas de perforación

Clases de juntas Existen dos clases de juntas de acuerdo a su forma de unión

Acopladas.- Son las que integran un tercer elemento llamado cople para realizar la unión de dos tubos.

Nota.- La resistencia del cople se considera igual a la del tubo

Juntas acopladas

Integrales.- En un extremo del tubo se maquina la cuerda exteriormente y en el otro interiormente, y se clasifican en: Recalcadas, Formadas y Lisas.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

i. Conexiones o juntas en la tubería de perforaciónI. Sartas de perforación

Juntas integrales Dependiendo del tipo de rosca se clasifican en:

Roscas API El sello se realiza mediante un anillo u O Ring y por la grasa aplicada. Existen cuatro tipos:

Roscas Premium Son roscar mejoradas y el sello es metal - metal entre el piñón y la caja

Tubería de línea

Redondas

Butress

Extreme line

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

i. Conexiones o juntas en la tubería de perforaciónI. Sartas de perforación

Para seleccionar las juntas apropiadas para un pozo se deben analizar las ventajas y desventajas de cada una y realizar el análisis económico sin olvidar la seguridad.

Roscas API Roscas Premium

Ventajas: Son económicas

Desventajas: Difícil enrosque, menor resistencia a los esfuerzos axiales y sello no hermético.

Ventajas: Fácil enrosque, sello hermético y mayor resistencia a los esfuerzos axiales

Desventajas: Costo elevado

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

i. Conexiones o juntas en la tubería de perforaciónI. Sartas de perforación

Las conexiones en la tubería de perforación generalmente son del tipo recalcado, debido a

que son sometidas como sartas de trabajo, a grandes esfuerzos durante las operaciones de

perforación:

Las roscas más comunes en la tubería de perforación son:

IEU (Internal – external Upset).- Esta junta se caracteriza por tener un diámetro externo

mayor que el cuerpo del tubo y un diámetro interno menor que el diámetro interno del tubo.

IF (Internal Flush).- El diámetro interno es aproximadamente igual al diámetro interno del

tubo y el diámetro externo es mayor que el del tubo.

IU ( Internal Upset).- El diámetro externo es casi el del tubo y el diámetro interno es menor

que el diámetro interno del tubo.

En la actualidad se tiene mas diversidad de roscas para la tubería de perforación como:

REG, NC -50, ETC. Es importante mencionar que estas juntas están diseñadas para

trabajar en tensión.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

i. Conexiones o juntas en la tubería de perforaciónI. Sartas de perforación

CONEXIONES

INTEGRALES ACOPLADAS

RECALCADASFORMADAS(SEMI LISAS)

LISAS(FLUSH)

API Extreme lineAPI Tubing

Vam-Ace-XLHD

HD – 521HD – SLX

MAC II

VAM – FJLHD – 511HD - 513

APIPREMIUM

8 HRR10 HRR

BUTRESS

MULTI VAMVAM ACEVAM SLHD 563

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DISEÑO DE SARTAS

DE

PERFORACION

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

En el proceso de perforación de un pozo, la sarta de perforación es el componente del equipo

que más se somete a esfuerzos (tensión, compresión, presión interna y externa, doblez, fatiga,

torsión, abrasión y corrosión). La acción independiente o combinada de dichos esfuerzos puede

causar los siguientes problemas durante la perforación:

El principio fundamental que debe respetarse al

diseñar una sarta de perforación es que los esfuerzos

a que se someten sus componentes tubulares deben

ser siempre inferiores a las resistencias de dichos

componentes, sin deformarse permanentemente o

alcanzar su límite elástico (ver figura). Cuando se

rebasa el límite elástico el componente tubular sufre

una deformación permanente y por lo tanto una

reducción en su resistencia.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Desprendimiento Colapsamiento Fugas de presión (roturas)

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Límite elástico.- Es el esfuerzo máximo que puede sufrir un cuerpo sin que la deformación sea

permanente.

Esfuerzo.- Es la razón de una fuerza aplicad entre el área sobre la que actúa (kg/cm2, psi,

etc.).

Deformación.- Es el cambio relativo en las dimensiones de un cuerpo como resultado de la

aplicación de un esfuerzo.

Punto de cedencia.- Es el valor que se alcanza de un esfuerzo, mayor del límite elástico, al

cual el material continúa deformándose sin que haya incremento de la carga aplicada.

Los metales tienen otras propiedades importantes , además de las anteriormente descritas,

como:

Dureza: Resistencia del metal a la penetración o la deformación.

Ductilidad: Capacidad del metal para deformarse plásticamente sin fracturarse, medida por la

elongación o reducción de área (al tensionarlo).

Maleabilidad: Característica de los metales que permiten una deformación plástica en

compresión sin rotura.

E – 75 G – 105 S – 135 P – 110 TRC - 95

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

La Ley de Hooke establece que: Siempre que no se exceda el límite elástico, una

deformación elástica es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada por

unidad de área (esfuerzo). La elongación que sufre una tubería al aplicarle una fuerza de

tensión se calcula con la siguiente ecuación:

L = F x l

A x Y

L es el incremento de longitud ó elongación en (m)

F fuerza o tensión aplicada en (kg)

l longitud original de la tubería en (m)

A área transversal del tubo en (cm2)

Y Módulo de Young en (kg/cm2) 2.11x106 kg/cm2 para el acero

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Problema:

Cuál es la elongación que sufre una tubería si se tiene una sarta de perforación con una

longitud de 3,000 m, al aplicarle una tensión de 25 ton sobre su peso?. La tubería es de 3

1/2” con un diámetro interior de 2.992”.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Tarea:

Cuál es la elongación que sufre una tubería si se tiene una sarta de perforación con una

longitud de 14,760 pies, al aplicarle una tensión de 25 ton sobre su peso?. La tubería es de

5” con un espesor de0.362”.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

El Instituto Americano del Petróleo API tiene establecido que para el diseño de sartas de trabajo

sean considerados los tres esfuerzos principales a que son sometidas:

Tensión.- Una sarta de trabajo al estar suspendida verticalmente, sufrirá un esfuerzo axial

llamado tensión, producto de su peso. El valor de este esfuerzo varía de cero en el punto neutro

hasta un máximo en el punto de apoyo, es decir en la superficie.

Compresión Tensión

Punto neutro

KG

Prof

Esfuerzos por tensión ( kgs, tons ó en lbs)

Tensión Rpi se incrementa

Tensión Rpc se disminuye

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

F2

F1

Si la tubería estuviera suspendida en el

aire soportaría todo su peso. Si esta

sumergida en un fluido (lodo), disminuye

su peso por el efecto de empuje, esto en

función de la densidad del fluido;

cambiando los esfuerzos de tensión a

compresión a partir del punto neutro

hacia abajo.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Torsión.- La cantidad de esfuerzo por torsión que resiste una tubería bajo tensión debe calcularse

en cada cambio de tubería.

Presión cero

Presión máxima

Esfuerzos por colapso (kg/cm2, lb/pg2 ó en psi)

Compresión Rpi se disminuye

Compresión Rpc se incrementa

Colapso.- Este esfuerzo se debe principalmente al efecto de la presión exterior que ejerce la

columna hidrostática de los fluidos de perforación. El valor de este esfuerzo aumente con la

profundidad y su valor máximo estará en el extremo inferior de la tubería.

PiPe

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Un adecuado diseño de la sarta de perforación permite reducir costos a través de:

1. Optimizar el número de lastra barrenas, tubería pesada y tubería de trabajo.

2. Reducir el riesgo de desprendimiento o ruptura de los componentes de la sarta.

3. Reducir la posibilidad de pegaduras por presión diferencial.

4. Mantener un control sobre la dirección del pozo para reducir la turtuosidad y el arrastre.

Metodología Práctica de Diseño

1. Recopilación de información.

2. Selección del aparejo de fondo.

3. Diseño de la tubería de trabajo.

4. Criterios de estabilización de la sarta.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Debe tomarse en cuenta que un sobre diseño incrementa el costo de la perforación.

La metodología para obtener un diseño optimo consta de los siguientes puntos:

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

1.- Recopilación de la información.- La información necesaria para el proceso de diseño y

selección de la sarta se puede resumir en:

a. Profundidad total

b. Trayectoria y ángulo máximo

c. Peso sobre barrena requerido

d. Factores de diseño

e. Pozos de correlación

f. Margen de jalón

g. Inventario de tubería

h. Especificaciones de la tubería

Algunos cálculos del diseño de sartas de perforación se basan en experiencias y condiciones

esperadas durante la perforación. Por lo tanto, es necesario analizar con mucho detalle los

pozos de correlación para determinar variables como:

Arrastres esperados.

Posibles pegaduras por presión diferencial.

La hidráulica.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

2.- Selección del aparejo de fondo.- El diseño de la

sarta de perforación se realiza de abajo hacia arriba,

por lo que una ves que se tiene la información se

procede a la selección del aparejo de fondo (lastra

barrenas y tubería pesada).

Existen tres tipos de configuraciones de aparejos de

fondo, los cuales permiten mantener el punto neutro

por debajo de la tubería de trabajo. La selección se

hace en función de la severidad de las condiciones de

operación determinadas en los pozos de correlación.

Tipo 1.- Es la configuración más simple y esta compuesta por lastra barrenas y tubería de

perforación. El peso sobre la barrena se aplica con los lastra barrenas y el punto neutro se

localiza en los lastra barrenas.

Tipo 2.- Utiliza tubería pesada por arriba de los lastra barrenas, como transición entre los

lastra barrenas y la tubería de perforación. El peso sobre la barrena es aplicado con los lastra

barrenas y el punto neutro se localiza en los lastra barrenas.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Tipo 3.- Esta configuración utiliza lastra barrenas únicamente para el control direccional y

reducir la vibración de la sarta de perforación. El peso sobre barrena es aplicado con los lastra

barrenas y la tubería pesada, quedando el punto neutro en la tubería pesada. Este arreglo

permite manejar el aparejo de fondo en forma rápida y sencilla, reduce las pegaduras por

presión diferencial. Este arreglo es el más recomendado para la perforación direccional.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

2.1.- Determinar el diámetro de los lastra barrenas.- Cuando las pegaduras por presión

diferencial sean mínimas, la experiencia establece que el diámetro de los lastra barrenas

debe ser el máximo permisible. La siguiente ecuación proporciona un valor aceptable para

el diámetro de los lastra barrenas dMLB (pg).

d MLB = 2 dECTR – dB Donde;

dECTR = diámetro exterior del cople de la TR (pg)

dB = diámetro de la barrena (pg)

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

2.2.- Calcular la longitud de los lastra barrenas.- Cuando el peso sobre la barrena es

proporcionado únicamente por los lastra barrenas utilizar la siguiente ecuación:

LLB =671.4*PSB *Fd

PLB *FF *cos

Donde; LLB (m) es la longitud mínima de lastra barrenas

PSB (ton) es el máximo peso requerido por la barrena,

Fd es el factor de diseño para asegurar que el punto neutro se ubique

por debajo de la cima de los lastra barrenas y su valor es de 1.10 –

1.20

PLB (lb/pie) es el peso unitario de los lastra barrenas (sin flotación),

FF es el factor de flotación adimencional

es el ángulo del pozos respecto a la vertical.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

2.3.- Calcular la longitud de la tubería pesada.- Cuando la tubería pesada se utiliza para

reducir los niveles de esfuerzos en la zona de transición, el API recomienda utilizar de 9 a 10

tramos de tubería pesada. Cuando es utilizada además de lo anterior para dar peso a la barrena

la longitud se obtiene con la siguiente ecuación:

LTP =

671.4*PSB *Fd

PTPHW *FF *cos

PLB *LLB

PTPHW Donde; PTPHW es el peso unitario de la tubería (lb/pie)

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

3.- Diseño de la tubería de trabajo.- Después de calcular el diámetro y número de tramos

de lastra barrenas y de tubería pesada, se procede a diseñar la tubería de perforación,

proceso en el cual se revisan las condiciones más criticas a las que será sometida la

tubería y se comparan con su resistencia específica (tablas).

Para lograr un diseño óptimo y seguro de la sarta de perforación se deben tomar en

cuenta los siguientes parámetros:

a. Resistencia a la tensión de la tubería RT (tablas)

Se debe tomar en cuenta si la tubería es nueva o usada (clase I, Premium, clase II, etc)

b. Factor de diseño a la tensión FdT

Dependerá de las condiciones del pozo y varia de 1.3 a 1.6

c. Tensión de trabajo TT a la que estará expuesta la tubería

d. Margen de jalón MJ

Este dependerá de los riesgos potenciales de atrapamiento y condiciones de arrastre

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Paso 1.- Calcular la Máxima tensión permisible MTP (toneladas).- Es la máxima tensión

a la que estará expuesta la tubería y se calcula con la siguiente ecuación:

MTP = (Ton)

4.54 x 10-4 RT FdT

RT (lbs) resistencia de la tubería (tablas)

FdT factor de seguridad a la tensión el cual varía de

1.3 a 1.6.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

3.1.- Procedimiento de cálculo:

Paso 2.- Determinar el margen de jalón MJ

(toneladas).- El margen de jalón se determina tomando

en cuenta los riesgos potenciales de un atrapamiento de

la sarta de perforación, del arrastre máximo de la sarta de

perforación en pozos desviados y del efecto ocasionado

por las cuñas.

M J > = MTP [ (ET/EC) – 1] (Ton)

DiametroTubería (pgs) 12 (pgs) 16 (pgs)

2 3/8 1.25 1.182 7/8 1.31 1.223 1/2 1.39 1.284 1.45 1.324 1/2 1.52 1.375 1.59 1.425 1/2 1.66 1.47

Longitud de las cuñasConstante de efecto de cuñas (ET/EC)

En la practica el MJ varia de 20 a 60 ton

Asección = 4.17 x 10-4 FF P us Lsecc (sen )(Ton)

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Paso 2.- Calcule la Tensión de Trabajo TT (toneladas).- Una ves obtenida la máxima

tensión permisible MTP y el margen de jalón MJ, la tensión de trabajo se obtiene con la

siguiente ecuación:

TT = MTP - MJ (Ton)

Paso 3.- Calcular la longitud de las secciones de tubería de perforación.- El principio

para calcular las longitudes, grados y pesos de las secciones de tubería de perforación es

mantener durante todo el proceso de perforación, y a lo largo de toda la sarta de

perforación, la tensión de la misma menor o igual a la máxima tensión permisible. Bajo

este criterio la tubería de menor resistencia a la tensión se coloca inmediatamente arriba

de la tubería pesada o lastra barrenas.

Bajo este principio, y de acuerdo con el arreglo de la sarta seleccionado, la tubería de

menor resistencia se coloca inmediatamente arriba de los lastrabarrenas o tubería pesada.

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

La longitud de la primera sección esta limitada por la tensión de trabajo TT determinada

previamente y se obtiene con la siguiente ecuación:

LTP(SEC1) =

TT(SEC1)

FF - 1.49x10-3 (PLB LLB + PHW LHW)

1.49x10-3 PTP(SEC1)

LTP(SEC2) = (TT(SEC2) – TT(SEC1))

1.49x10-3 PTP(SEC2) FF

Si la longitud de la primera sección no es suficiente para la profundidad del pozo, la

longitud máxima de la segunda sección se calcula con la siguiente ecuación:

PTP (sec)1 Es el peso unitario de la tubería de perforación que se analiza (lb/pie)

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

LTT(SEC3) = (TT(SEC3) – TT(SEC2))

1.49x10-3 PTP(SEC3) FF

Si adicionalmente, es necesaria una tercera sección de tubería, la longitud se obtiene con

la ecuación:

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Con la siguiente información realizar el diseño de una sarta de perforación a la tensión y al colapso:

Datos:

Prof. = 5800 m (vertical)

TR 7 5/8” = 4150 m

TP 3 ½” grados X-95 y G-105, 13.3 lb/pie (nueva)

TP 2 7/8” grado E – 75, 6.85 lb/pie (nueva)

Lastrabarrenas: 4 ½” x 1 ½”, 48 lb/pie

Barrena: 6 ½”, Peso sobre barrena 2.5 ton

Fluido de control: 1.32 gr/cc

Factor de seg de lastrabarrenas = 1.15

Factor de seguridad a la tensión 1.3

Dejar la de TP 2 7/8” 150 m arriba de la zapata de 7 5/8”

Margen para jalar es de 25 ton.

No se considera tubería pesada.

Barrena 6 ½”

Lastra ba 4 ½”

TP 2 7/8”

TP 3 1/2”

5800 m

4150 m

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

TR 7 5/8”

TP GradoPesolb/pie

RtensiónLbs

RcolapsoPsi

Rpresión intpsi

2 7/8" E - 75 6.85 135,902 10,467 9,907

3 1/2" X - 95 13.3 343,988 17,877 17,480G - 105 13.3 380,196 19,758 19,320

4000 m

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Diseño por tensión

Paso 1 Calcular la longitud de lastra barrenas

LLB = = = 48.33 m671.4*PSB *Fd

PLB *FF *cos671.4 * 2.5 * 1.15

48 *0.832 *cos

FF = 1 – (lodo/ acero) = 0.832

Paso 2 Calcular la longitud de la primera sección de TP de 2 7/8”

L TP(SEC1) =

TT(SEC1)

FF - 1.49x10-3 (PLB LLB + PTP LTP)

1.49x10-3 PTP(SEC1)

TT1 = MTP - MJ = 47.46 – 30 = 22.46 ton

MTP = = = 47.46 ton4.54x10-4 RT

FdT

4.54x10-4 (135,902)

1.3

L TP(SEC1) = = 2,306.24 m27 - 1.49x10-3 (48 x 48.33)

1.49x10-3 (6.85)

TT1 / FF= 22.46 / 0.832 = 27 ton

La longitud requerida de TP de 2 7/8” es de: 1,752 m

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Diseño por tensión

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Como se requiere únicamente una longitud de 1,752 m de 2,306 calculados de TP de 2 7/8”,

requerimos calcular el peso flotado de la sección de la T.P. de 2 7/8” para no afectar a la

siguiente tubería.

En otras palabras corregiremos el Tt1, para poder continuar haciendo nuestro diseño de

sarta.

Despejando TT(secc1)c obtenemos el valor de Tt1 corregido.

L TP(SEC1) =

TT(SEC1)

FF - 1.49x10-3 (PLB LLB + PTP LTP)

1.49x10-3 PTP(SEC1)

Tt1c = 17.75 ton

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Paso 3 Calcular la longitud de la segunda sección de TP de 3 1/2” X - 95

LTP(SEC2) = (TT(SEC2) – TT(SEC1))

1.49x10-3 PTP(SEC2) FF

TT2 = MTP - MJ = 120.1 – 25 = 95.13 ton

MTP = = = 120.13 ton4.54x10-4 RT2

FdT

4.54x10-4 (343,983)

1.3

LTT(SEC2) = = 4,693.18 m(95.13 – 17.75)

1.49x10-3 (13.3 x0.832)

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

El diseño final es:

48 m de lastra barreas de 4 ½” x 1 ½”, de 48 lb/pie

1,752 m de TP de 2 7/8” E 75, 6.85 lb/pie

4,000 m de TP de 3 ½” X- 95, 13.3 lb/pie

TP 3 1/2”

5,800 m

4150 mTR 7 5/8”

4000 m

5,572 m

TP 2 7/8”

D C

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

3.3.1.- Diseño a presión interna y colapso.- La condición que debe cumplirse para el

diseño a presión interna y colapso es:

RPI > PI Fdpi RPc > Pc Fdpc

Cuando se consideran las cargas axiales el diseño al colapso se obtiene con la siguiente

ecuación:

r = x 100 (Tensión aplicada) FF + Mj

0.454 x At x PCP

Fdpi = 1.250 Fdpc = 1.125

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Donde:

r Es adimensional

Tensión aplicada (peso de la TP en el aire) en Kg

MJ Margen de jalón en Kg

At Área transversal de la tubería en pg2

PCP en lb/pg25,800 m

r1

r2r3

r4

GradoPCPpsi

PCP Minpsi

PCP Maxpsi

E 85,000 75,000 95,000X 110,000 95,000 125,000G 120,000 105,000 135,000S 145,000 135,000 155,000

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

1 2 3 4 5 6 72 x 3 ( 4 - 6 )

r % z % Rc/Fsckg/cm2

Rc por tenskg/cm2

Profundidadm

Presiónhidrostática

Kg/cm2

Margen pararepresionar

kg/cm2

r1 = 39.84 70 654 458 5572 736 -278r2 = 61.00 55 654 360 4000 528 -168r3 = 23.63 82 1117 916 4000 528 388r4 = 60.00 54 1117 603 0 1117

5,800 m

r1

r2r3

r4TuberíaPesolb/pie

Longitudm

Peso secckg

Peso acumkg

Ta (Ff) + Mjkg

Área seccpg2

L B 4 1/2" 48 48 3433 3433 27856 14.137TP 2 7/8" 6.85 1752 17882 21315 42734 1.812TP 3 1/2 13.3 4000 79268 100583 108685 3.621

r = x 100 (Tensión aplicada) FF + Mj

0.454 x At x PCP

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

% DE RESISTENCIA COMPRESION – TENSION (Nominal)

% D

E R

ES

IST

EN

CIA

CO

LA

PS

O –

PR

ES

ION

IN

TE

RN

A (

No

min

al)

C

O

L

A

P

S

OP

RE

SIO

N I

NT

ER

NA

120

100

80

60

40

20

0

20

40

60

80

100

120

r = 39.84%

120

100

80

60

40

20

0

20

40

60

80

100

120

COMPRESION – PRESION EXTERNA

TENSION – PRESION INTERNA

COMPRESION - COLAPSOTENSION – COLAPSO

C O M P R E S I O N T E N S I O N

-120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120

z = 70%

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Tarea No.

Con la siguiente información realizar un diseño de una sarta de perforación a la tensión y al

colapso utilizando la elipse de esfuerzos:

Datos:

Progf = 5,800 m (vertical)

TR 9 5/8” = 4,671 m

Lastrabarrenas: 88 lb/pie

Barrena: 8 ½””, Peso sobre barrena 4 ton

Fluido de control: 1.80 gr/cc

Factor de seg de lastrabarrenas = 1.18

Margen para jalar es de 30 ton.

Factor de seguridad a la tensión = 1.5

Factor de seguridad al colapso = 1.125

Barrena 8 1/2”

Lastra ba

T R 9 5/8”

TP 5”

5,800 m

4,671m

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

TP 5"19 5 lb/pie

Rtensiónlbs

Rcolapsopsi

Rpresión intPsi

Clase de laTP

E-75 395,595 9,962 9,503 PremiumX-95 501,087 12,026 12,037 PremiumG-105 553,833 13,000 13,304 NuevaS-135 712,070 15,672 17,106 Nueva

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Tarea No.

Con la siguiente información realizar un diseño de una sarta de

perforación a la tensión y al colapso utilizando la elipse de esfuerzos:

Datos:

Progf = 5,600 m (vertical)

TR 9 5/8” = 4,600 m

Lastrabarrenas: ,83 lb/pie

Diámetro ext del cople de la TR de 7” = 7.681

Barrena: 8 ½””, Peso sobre barrena 4 ton

Fluido de control: 0.85 gr/cc

Factor de seg de lastrabarrenas para el punto neutro= 1.16

Margen para jalar es de 35 ton.

Factor de seguridad a la tensión = 1.6

Factor de seguridad al colapso = 1.125

Barrena 8 1/2”

Lastra ba ”

T R 9 5/8”

TP 5”

5,600 m

4,600m

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

I. Sartas de perforación

TP 5"19 5 lb/pie

Rtensiónlbs

Rcolapsopsi

Rpresión intPsi

Clase de laTP

E-75 395,595 9,962 9,503 PremiumX-95 501,087 12,026 12,037 PremiumG-105 553,833 13,000 13,304 NuevaS-135 712,070 15,672 17,106 Nueva

Premium

PremiumPremiumPremiumNueva

GradoPCPpsi

PCP Minpsi

PCP Maxpsi

E 85,000 75,000 95,000X 110,000 95,000 125,000G 120,000 105,000 135,000S 145,000 135,000 155,000

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TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

CRITERIOS DE ESTABILIZACION

EN LAS

SARTAS DE

PERFORACION

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

4.- Criterios de estabilización de la sarta de perforación.- Los ensambles de fondo de las

sartas de perforación originan fuerzas en la barrena, que varían de acuerdo con las condiciones

de operación (peso sobre la barrena). Durante la perforación estas fuerzas gobiernan el ángulo

de inclinación del pozo. Para el control direccional del pozo se utilizan fuerzas laterales ejercidas

por los estabilizadores al cambiar el punto tangencial o de contacto con la formación.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

La manipulación de la posición y el número de

estabilizadores (puntos de contacto) es fundamental

para un buen control de la trayectoria del pozo.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

4.1 Principios de estabilización de aparejos de fondo.- Cuando se aplica peso sobre la

barrena se originan dos fuerzas en la barrena: una fuerza positiva (pandeo) y una negativa

(péndulo). La fuerza resultante en la barrena FB se puede determinar con la siguiente

ecuación:

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

FB = - 7.45 x 10-4 PLB FF LT sen + 0.0254 ( PSB – 7.45 x10-4 PLB FF LT cos l

LT

(Ton)

Péndulo Pandeo

FB es la fuerza resultante (ton)

LT es la longitud de la barrena al primer punto de contacto (m)

PSB es el peso aplicado a la barrena (ton)

PLB es el peso unitario de los lastra barrenas (lbs/pie)

l es el claro entre el agujero y el diámetro exterior del lastra barrena (pg)

l = 0.5 (db – deLB)Incrementa el ánguloDisminuye el ángulo

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

La ecuación anterior tiene dos incógnitas por lo que se recomienda el siguiente procedimiento:

1. Suponer un valor de LT. De acuerdo con la experiencia se sugiere iniciar con LT = 10 m

2. Calcular el factor de flotación y determinar el PLB

3. Calcular la carga compresiva de los lastra barrenas

CCLB = PSB – 7.45 x 10-4 PLB FF LTS sen Ton

4. Determine la rigidez de los lastra barrenas

RLB = 1.424 x 106 (d4eLB – d4

iLB ) lbs – pg2

5. Calcular la variable u (adimensional)

u = 924 LT

CCLB

RLB

0.5

6. Calcular la función X

X = 3 (tanu – u)

u3

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

LT =

7. Calcular la longitud de la barrena al punto de tangencia LT

1.2 x 10-4 RLB l

PLB FF sen X

0.25

( m )

8. Si el valor de LT calculado en el paso anterior es diferente del supuesto en el paso 1, calcular

un promedio de ambos.

9. Tomar el valor promedio de LT calculado como el nuevo valor de LT supuesto y repetir los

cálculos hasta que el valor calculado de LT sea aproximadamente igual al supuesto.

9. Calcular la fuerza resultante en la barrena FB

Si la fuerza resultante es positiva ( + ) el ángulo se incrementa

Si la fuerza resultante es negativa ( - ) el ángulo disminuye

Si la fuerza resultante es cero el ángulo se mantiene

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Reglas prácticas para estabilizar la sarta de perforación

El arreglo 1 es utilizado para obtener moderados

incrementos de ángulo .

Los arreglos 2 y 3 permiten obtener incrementos de 1

y 3° /30 m.

El arreglo 4 proporciona mayor fuerza de pandeo que

los arreglos 5 y 6 en agujeros con inclinación < a

8°.

Los arreglos 5 y 6 permiten incrementos de ángulo

de 2 y 5° /30m en pozos cuya inclinación es > a

8°.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Como resultado de modelos complejos (3D), que consideran fuerzas de inclinación y direccional de

la barrena, curvatura del agujero, diferentes diámetros del agujero y ensamble de fondo y puntos

de tangencia entre la barrena y estabilizadores y entre estabilizadores a continuación se presentan

algunas reglas practicas para determinar el número y posición de los estabilizadores.

1a1.5

a. Ensamble de fondo para incrementar el ángulo

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

b. Ensamble de fondo para reducir el ángulo

Este tipo de arreglo es conocido como arreglos tipo

péndulo, debido a que la fuerza lateral, de péndulo,

ejercida por la gravedad, es superior a la de pandeo

y se logra eliminando el estabilizador colocado arriba

de la barrena e instalándolo abajo del primer punto

de tangencia.

Los arreglos 5 y 6 proporcionan la mejor respuesta

para reducir el ángulo. Cuando se tienen pozos con

alta inclinación, el número de puntos de contacto

entre la barrena y el primer estabilizador se

incrementa causando reducción en la fuerza de

péndulo originando una menor respuesta a reducir el

ángulo del pozo.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Para contrarrestar lo anterior se disminuye la distancia de la barrena al primer estabilizador como lo muestran los arreglos 1 y 2. Estos arreglos son más utilizados para controlar la desviación del pozo.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

c. Ensamble de fondo para mantener el ángulo

Estos ensambles son conocidos como sartas

empacadas.

En estos arreglos los estabilizadores se colocan de

tal manera que las fuerzas laterales de pandeo y

péndulo se neutralicen. Este efecto generalmente se

logra colocando dos estabilizadores cerca de la

barrena, el primero inmediatamente arriba de la

barrena y el segundo a 6 m o menos.

Los arreglos 1 y 2 mantienen el ángulo de

incremento, los arreglos 4 y 5 mantienen la

reducción. El arreglo 3 en pozos con inclinación

menor a 10° mantiene el incremento de ángulo y

para mayores de 10° mantiene la reducción.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Los ensambles empacados, en realidad tienen la función de incrementar o reducir paulatinamente

el ángulo de inclinación del pozo evitando cambios bruscos.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Recomendaciones

1. En situaciones donde la sarta de perforación estará sometida a condiciones

extremadamente severas, como en pozos de alta inclinación o de largo alcance, se

recomienda diseñar la sarta tomando en cuenta esfuerzos combinados (tensión/colapso,

tensión/torsión, etc.).

2. Durante el diseño de una sarta de perforación, se recomienda contar con tablas de

especificaciones de la tubería actualizadas.

3. Existe sofware técnico como herramienta de cálculo para el diseño de la sarta de

perforación, por lo que se recomienda su empleo, una vez que se han comprendido los

conceptos y criterios básicos.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

Recomendaciones para el cuidado e inspección de la tubería de perforación

1. Llevar el control de las revisiones hechas por inspección tubular con la finalidad de tener

actualizada las condiciones de la sarta de perforación.

2. Aplicar el apriete óptimo durante su introducción para evitar deformaciones en caja y piñón.

3. Los instrumentos de medida de apriete, se deben revisar y calibrar periódicamente.

4. Verificar las condiciones de la tubería de perforación nueva y usada de acuerdo a la

codificación API.

5. Verificar las condiciones de las cuñas y buje maestro. Es recomendable una prueba de las

cuñas cada tres meses o de acuerdo a las condiciones observadas.

Ya se mencionó con anterioridad que la sarta de perforación es sometida a grandes esfuerzos

durante la perforación y operaciones de pesca, razón por la cual es de suma importancia que sea

inspeccionada continuamente para:

a. Cuantificar el desgaste del cuerpo del tubo y determinar su clase.

b. Ver si no existen fracturas en el tubo.

c. Determinar las condiciones de la rosca.

TEMA IV Herramientas de perforación

FACULTA DE INGENIERIA Elementos de Perforación

•Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

1a. ETAPASECCION VERTICAL (DE 50 A 1000

M)

ESTAB. 9 ½” x 17 1/2”

COMB.

DOBLE CAJA LISO (8 5/8” x 7 5/8”) API.

REG.

DIAMETRO DIAMETRO PESO PESO TORQUEEXTERIOR INTERIOR (LB/PIE) (KG/M) (FT-LB)

8" 2 13/16" 150.00 223.5 6 5/8" A.P.I. REG. 530009 1/2" 3" 217.00 323.33 7 5/8" A.P.I. REG. 88000

LASTRABARRENAS (DC)

CONEXIÓN

TORQUE (PIE-LB)

EXT. INT. D. INT. D. EXT. CAJA

5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

JUNTA

TUBERIA PESADA (HEAVY WEIGHT)

ESPESOR DE PARED

RECAL CENTRAL

RESIST. TENSION

(lb)

RESIST. TORSION

(lb/p)

DIAMETRO CONEXIÓN

PESO (lb/p)

PESO (kg/m)

MIN. MAX. MIN. MAX.

36 - 20 8 5/8 40000 60000 5530 8300

BARRENA

DIAMETRO TAMAÑO DEL

PIÑON API REG.

TORQUE RECOMENDADO (FT-LB)

(lb/pie) (kg/mt)

APAREJO DE FONDO

PESO NOMINAL

PESO AJUSTADO

RESIST. TENSION

TORSION DE

ENROSQUE

RESIST. TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100% EN LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 31153531.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 39461232.66 G-105 178425 6 3/32" 3 1/4" 0.4 21914 1304 43615033.67 S-135 229403 6 5/16" 2 3/4" 0.4 28381 1689 560764

DIAMETRO (pg)

CONEXIÓN GRADOJUNTAS (CLASE)

ESPESOR DE PARED

PREMIUM

AMP.

COMB.

12 TRAMOS HW 5”, 50 lb/pie

DCN 9 1/2”

DCN 8”

TP 5” ,19.5 lb/p

BNA 26”

ESTAB. 9 ½” x 17 1/2”

DCC 9 1/2”

ESTAB. 8” x 26”

DCN 9 1/2”

1

2

4

5

6

3

7

8

9

ESTAB. 8” x 26”

DCN 8”

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación

TUBERIA DE PERFORACION

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación

APAREJO DE FONDO 2a. ETAPA

SECCION VERTICAL (1000 A 2000 M)

PESOTORQUE (PIE-LB)

EXT. INT. D. INT. D. EXT. KG/M CAJA

5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

JUNTA

TUBERIA PESADA (HEAVY WEIGHT)

ESPESOR DE PARED

RECAL CENTRAL

RESIST. TENSION

(lb)

RESIST. TORSION

(lb/p)

PESO lb/p

DIAMETRO CONEXIÓN

DIAMETRO DIAMETRO PESO PESO TORQUEEXTERIOR INTERIOR (LB/PIE) (KG/M) (FT-LB)

8" 2 13/16" 150.00 223.5 6 5/8" A.P.I. REG. 530009 1/2" 3" 217.00 323.33 7 5/8" A.P.I. REG. 88000

LASTRABARRENAS

CONEXIÓN

MIN. MAX. MIN. MAX.

36 - 20 8 5/8 40000 60000 5530 8300

BARRENA

DIAMETRO TAMAÑO DEL

PIÑON API REG.

TORQUE RECOMENDADO (FT-LB)(lb/pie) (kg/mt)

PESO NOMINAL

PESO AJUSTADO

RESIST. TENSION

TORSION DE

ENROSQUE

RESIST. TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100% EN LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 31153531.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 39461232.66 G-105 178425 6 3/32" 3 1/4" 0.4 21914 1304 43615033.67 S-135 229403 6 5/16" 2 3/4" 0.4 28381 1689 560764

DIAMETRO (pg)

CONEXIÓN GRADOJUNTAS (CLASE)

ESPESOR DE PARED

PREMIUM

AMP.

COMB

DCN 9 1/2”

TP 5”, 19.5 lb/p

BNA 17 ½”

PORTA BNA. LISO

12

ESTAB. 9 ½” x 17 ½ ”

DCC 9 1/2”ESTAB. 9 ½” x 17 1/2”

4

5

DCN 8”

6

9

12 HW 5”, 50lb/p

3 DCN 9 1/2”

8

7

ESTAB. 8” x 17 ½ ”

COMBINACION

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación

APAREJO DE FONDO 2a. ETAPA

SECCION DIRECCIONAL (2000 A 3800 M)

MOTOR DE FONDO 8”

BHO 8”

DC ANTIMAGNETICO 8”

9 DC NORMAL 8”

Bna. 17 1/2”

Comb.6 5/8”-REG.X 5” NC-50

MARTILLO HDCO 8”

12 Tramos HW 5”

COMB (P) 75/8” REG. X 6 5/8” REG.

PESOTORQUE (PIE-LB)

EXT. INT. D. INT. D. EXT. KG/M CAJA

5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

TUBERIA PESADA (HEAVY WEIGHT)

ESPESOR DE PARED

RECAL CENTRAL

RESIST. TENSION

(lb)

RESIST. TORSION

(lb/p)

PESO lb/p

DIAMETRO CONEXIÓN

JUNTA

DIAMETRO DIAMETRO PESO PESO TORQUEEXTERIOR INTERIOR (LB/PIE) (KG/M) (FT-LB)

8" 2 13/16" 150.00 223.5 6 5/8" A.P.I. REG. 53000

LASTRABARRENAS

CONEXIÓN

MIN. MAX. MIN. MAX.

36 - 20 8 5/8 40000 60000 5530 8300

(lb/pie) (kg/mt)

BARRENA

DIAMETRO TAMAÑO DEL

PIÑON API REG.

TORQUE RECOMENDADO (FT-LB)

PESO NOMINAL

PESO AJUSTADO

RESIST. TENSION

TORSION DE

ENROSQUE

RESIST. TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100% EN LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 31153531.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 39461232.66 G-105 178425 6 3/32" 3 1/4" 0.4 21914 1304 43615033.67 S-135 229403 6 5/16" 2 3/4" 0.4 28381 1689 560764

DIAMETRO (pg)

CONEXIÓN GRADOJUNTAS (CLASE)

ESPESOR DE PARED

PREMIUM

AMP.

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

APAREJO DE FONDO 5a. ETAPA @ 6804 m

15 LASTRABARRENAS 6 ½ ”

COMB

BNA. 8 3/8”

PORTABARRENA ESTAB.6 1/2”X 8 3/8”

DC CORTO 61/2”

ESTAB. 6 ½ ”X 8 3/8 ”

B.H.O. 6 1/2”

L.B. monel 6 1/2”

MARTILLO HDCO. 6 1/2”

12 TRAMOS HW 5”

V.C.P. 6 1/2”

ESTAB. 6 ½ ” X 8 3/8”

1

15

DIAMETRO DIAMETRO PESO PESO TORQUEEXTERIOR INTERIOR (LB/PIE) (KG/M) (FT-LB)

6 1/2" 2 13/16" 92 137.08 NC-46 22900

LASTRABARRENAS

CONEXIÓN

MIN. MAX. MIN. MAX.

8 1/2 - 8 1/4 4 1/2 12000 16000 1660 2210

(lb/pie) (kg/mt)

BARRENA

DIAMETRO TAMAÑO DEL

PIÑON API REG.

TORQUE RECOMENDADO (FT-LB)

PESO NOMINAL

PESO AJUSTADO

RESIST. TENSION

TORSION DE

ENROSQUE

RESIST. TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100% EN

LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 31153531.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 39461232.66 G-105 178425 6 3/32" 3 1/4" 0.4 21914 1304 43615033.67 S-135 229403 6 5/16" 2 3/4" 0.4 28381 1689 560764

5" 4 NC-50 25.60 42.19 S-135 305363 6 9/32" 2 3/4" 0.5 27438 1633 746443

DIAMETRO (pg)CONEXIÓN GRADO

JUNTAS (CLASE)ESPESOR DE PARED

PREMIUM

AMP.

PESOTORQUE (PIE-LB)

EXT. INT. D. INT. D. EXT. KG/M CAJA

5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

TUBERIA PESADA (HEAVY WEIGHT)

ESPESOR DE PARED

RECAL CENTRAL

RESIST. TENSION

(lb)

RESIST. TORSION

(lb/p)

PESO lb/p

DIAMETRO CONEXIÓN

JUNTA

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación

Prof. Ing. Luis Soto Pineda

“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación