2#_Diseño2

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Seminario de Diseño de Tuberías

Métodos de Diseño de Tuberías

7/23/2019 2#_Diseño2


April 2, 2003Métodos de Diseño de Tuberías TenarisSidercaDepartamento de Asistencia Técnica

2

Contenido

Introducción a los métodos de diseño

Métodos monoaxial, biaxial y triaxial

Factor de diseño de Von Mises

Buckling

Consideraciones básicas de un diseño

Diseño según método TDAS/EXP

Hipótesis de carga básicas para un diseño

Consideraciones especiales en los diseños

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3

Contenido




Buckling





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4

El propósito de un diseño es determinar la mejor alternativa

técnico-económica para la designación de un tubo, es decirdiámetro externo, espesor o peso métrico, grado de acero yconexión, con los siguientes parámetros a tener en cuentafundamentalmente:

Seguridad en el pozo:

•Fallas catastróficas violentas

•Fallas dependientes del tiempo

•Manipuleo y almacenamiento

Costos:

•Costos operativos

•Costos de capital

Información relacionada al futuro del pozo:

•Nuevas completaciones•Exploraciones futuras

•Régimen de producción

Introducción a los Métodos de Diseño

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Como se ha mencionado, el diseño de Casing y Tubing esbásicamente un problema de análisis de tensiones y de costos

• Esfuerzos

• Costos

• Resistencia a la corrosión• Condiciones fluidodinámicas

• Practicidad de utilización

• Factible de ser fácilmente modificado

Introducción a los Métodos de Diseño

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Contenido




Buckling





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Cargas Axiales

Cargas Circunferenciales

Presión (psi)

P r o f u n d i d a d

( p i e s )

C o l a p s o

E s

t a l l i d

o

Región para

diseño óptimo

Tubos A-B-C

A

B

C

Método de Diseño Monoaxial

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Método de Diseño Biaxial

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Tensiónequivalente

de Von Mises

Método de Diseño Triaxial

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Contenido




Buckling





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11

•Tensión equivalente de Von Mises, σσVME :

σσVME = [0.5((σσa - σσt)2 + (σσt - σσr)

2 + (σσr - σσa)2 + 6(ττt

2 + ττr2 + ττa

2))]1/2

σa = Tensión axial, psiσt = Tensión tangencial, psi

σr = Tensión radial, psiτa = Fuerza de corte axial paralela al eje radial, psi.τt = Fuerza de corte tangencial normal al eje axial, psi.τr = Fuerza de corte radial normal al eje axial, psi.

•El factor de diseño equivalente de Von Mises es:

VME

p

VME

YFD

σ=

Factor de diseño de Von M ises

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April 2, 2003M étodos de Diseño de Tuberías TenarisSiderca

Departamento de Asistencia Técnica

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Contenido

Introducción a los métodos de d iseño



Buckl ing


Diseño según método TDA S/EXP


Consideraciones especiales en los d iseños

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13

El problema d el “buckling” no se considera en los diseños

convencionales.

En los diseños tr iaxiales es pert inente evaluar la fuerza efect iva

de “bu ckling” así como la estabil idad y el punto neutro d e la

co lumna.

Pand eo clásico en pozos

verticales:

Feff = Ft + Fp

Fef f = Fuerza efect iva de pandeo

F t = Fuerza axial de tensión en el punto

de interés

Fp = Efecto adicional ocasionado por lapresión (Fuerza ficticia)

Compresión Tensión

-Fb

Fb

(+)

(-)

Punto neutro

Buckling

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14

Los cam bios en la Presión son fundamentales para evaluar el

problema de “B uckl ing”.

Pandeo en columnas sometidas

a presión externa e interna:

Fef f = Ft + Ao Po - A iP i

A o = Area correspondiente a l diámetro

externo del tubo

Po = Presión externa

A i = Area correspondiente a l diám etro

interno del tubo

P i = Presión interna

Pint

Pext

Buckling

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15

FEFF

= Ft

+ AoP

o- A

iP

i << 0 →→ Pandeo

Ao

= Area correspondiente al d iámetro externo del tubo

Po

= Presión externa

Ai

= Area correspondiente al d iá metro interno del tubo

Pi

= Presión interna

FEFF = 0→→

Punto neutro

π=

EFFF

IEP

8

( )

+

−−

π= −

TUBOC

TOOLTUBO

TOOL

IDr

ODIDcos

PL

2

11

1

( )

ππ+

=°

C

C

r

r P'/DL

2

222

4

4

5730100

Paso de la hélice de

una tubería enPandeo Longitud máxima de una herramienta

en una tubería en Pandeo

Bending generado en en una tubería

en Pandeo

Buckling

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Contenido




Buckl ing





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17

•Selecc ione la tubería que representa la alternativa m as econó mica.

•Diseñe el pozo tan s imple co mo sea posib le.

•Reduzca t iempo s de entubación.

• Minimizar número de cross-overs

• Evite secciones cortas de tuberías

• Descarte conexiones exóticas (s in el adecuado servic io en la zona)

•Comparar s iempre el costo de increme ntar el grado de acero versus reducir

D/t para incrementar resistencia al colapso.

•Util izar conexiones mas resistente en vez de incrementar el grado (o el

espesor) para aumentar resistencia a la tracción.

•Verif icar impacto en carga de tracc ión cuando se increme nta el espesor para

aum entar res istencia a la presión interna.

Consideraciones Básicas en un Diseño

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18

• Recuerde que e l d iseño de pozo mas económico es aquel que mant iene al pozo en

producción por mas t iempo.• Los factores de d iseño deberán ser mayores que 1.00.

• Factores de d iseño recomendados:

• Tensión: 1.60 ÷÷ 1.80

• Colapso: 1.10 ÷÷ 1.20

• Presión interna: 1.10 ÷÷ 1.30

• Compresión: 1.20 ÷÷ 1.40

• Von Mises: 1.20 ÷÷ 1.30

• No caer en la tentación de reducir los factores de diseño para hacerlo mas

económico

• Diseño de múlt ip le secciones de tuberías genera lmente desembocan en a lternativas

mas costosas

• El factor de segur idad es muy di fíc i l de conocer en el diseño ya que, s i bien podem osestimar la carga má xima posible, nunca conocerem os en que parte de la columna

está la sección de menor resistencia de la mism a.

Consideraciones Básicas en un Diseño

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Contenido




Buckl ing





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INGRESO DE

DA TOS

TDAS

EXP

CONDICIONES

DE SERVICIO

Diseño Análisis

Reportes Diag. VME Perfiles Esq. Pozo

Resultados


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Diseño de Casing y Tubing

Vertical

Direccional

Profundos

Alt a p res ion

Corrosivos

TIPO DE POZO

Clasificacion de Aceros y Conexiones (pre - seleccion)

Convencional

Triaxial

TIPO DE DISEÑO

Caracteristicas de la formacion

Diametro exterior del Tubing

DATOS DE ENTRADA

Tension

Estallido

Colapso

Compresion

Von Mises

FACTORES DE

DISEÑO

Peso de la Tuberia

Presion interna y externa

Flotacion

Flexion

Costo de la tuberia

Temperatura

Balooning

Cementacion

Cambios en áreas de secciones

Pandeo

Punzado

Desgaste

CONDICIONES DEL SERVICIO

Zapato

Diametro

Tipo de Acero

Espesor

Conexiones

DISEÑO


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Contenido




Buckl ing





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23

Casing Intermedio:

• Tubería 1/3 evacuada

• Tubería 1/3 reemplazada por gas

Casing de Producción:

• Totalmente evacuada

• Pérdida de tubing en superf icie

Tubing de Producción:

• Cierre en boca

• Totalmente evacuado

Hipótesis de carga para un diseño

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24

Presión

Perfil de presiónexterna

Perfil de

temperatura

Columna de

perforación

Profundidad

Presión de formación

Tubería 1/3 reemplazada con

gas:

Perfi l de presión interna con gas de 0

ppg desde la super f ic ie hasta 1/3 de la

profundidad vert ica l del pozo

correspondiente a la próxima tuber ía.

Las 2/3 partes inferiores tienen lodo

con la densidad uti l izada para perforar

hasta la profundidad final.

La presión del gas arriba es: 0.05195

mult ipl icado por 1/3 de la máxima prof.

a pozo abierto (pies) y multipl icado por

la densidad del lodo (ppg).

La presión es el gradiente poral y se

consideran dos perf i les térmicos:

estático y de circulación.

Perfil depresión

interna


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25

Tubería 1/3 evacuada:

Perf i l de presión interna con casing

totalmente e vacuado desde la superf ic ie

hasta 1/3 de la profundidad

correspondiente a pozo abierto

(profundidad de la próxima columna).

Se asume a las 2/3 parte inferior del

pozo ocupadas por lodo de densidad iguala la uti l izada para la columna siguiente.

La presión externa está dada por la

columna de lodo uti l izada para la

perforación del tram o previo ( lodo

remanente “detrás” de l cas ing).

Se asum e perf i l térmico estát ico.

Presión

Perfil de presiónexterna

Perfil depresión

interna

Columna deperforación

Diferencial

Pérdida de circulación

Profundidad

Perfil de

temperatura


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26

Vacío

Perfil de presión

externa

Perfil de

presión

interna

Tubería totalmente evacuada:

En este m odo de carga la tuber ía se

está completame nte vacía en su

Interior.

La columna de lodo uti l izada durante la

bajada de e l cas ing se ut i li za como perf i l

de presión externa.

El perfi l de temperatura es el

correspondiente al gradiente estático

normal .

Perfil de

temperatur

a


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27

Pérdida en tubing en superficie:

El valor de presión interna está dado por

la presión total de cierre en superficie

actuando sobre el “packer fluid”.

La presión poral natural es ut i l izada com o

perfi l de presión externa.

Este análisis se realiza en dos estadostérmicos:

1.- temperatura estát ica

2.- temperatura d inámica (ca l iente)

Presión

Perfil de

presión

externa

Perfil de

presión

interna

Pérdida

entubing

Gas de formaciónPresión de

formación

Profundidad

Perfil de

temperatura


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28

T u bi n g c on

cierre estático

en boca

Packer fluid

Packer

Reservorio

Tsuperficie

Tfondo

Gas

C ie rre d e Tu bi ng en Boca:

E l tubing está comple tamente lleno con

gas. El perfi l de presión interna se asume

de acuerdo a la densidad del gas producido

(asumir 100 % met ano pued e ser una

alternativa)

La columna de “Packer fluid” (o bien el

último lodo de perforación) se uti l iza comoperfi l de presión externa.

Este análisis se realiza en dos estados

térmicos:

1.- temperatura estática

2.- temperatura d inámica (ca l iente)

Perfil detemperatura


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29

Tubing totalmente evacuado:

En es te modo de ca rga el tubing de

producción está completam ente vacía en su

Interior.

La columna de lodo uti l izada durante la

bajada de e l cas ing (o b ien la co lumna del

Packer Fluid) se uti l iza como perfi l de

presión externa.

El perfi l de tem peratura es el gradiente

estát ico norm al, o bien la temp eratura del

tubing en producción, en éste últ imo caso se

deberá tener en cuenta la expansión del

“packer Fluid”.

Tubing

Evacuado

Packer

Reservorio

Tsuperficie

Tfondo

Packer fluid

Perfil de

temperatura


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30

Contenido




Buckl ing





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31

• Desgaste de tuberías

• Presencia de Domo s de Sal

• Servicio crít ico

• Pozos para est imulac ión térmica

• Pozos profundos

• Servicio árt ico

• Presencia de H2S

• Calentamiento de Espacio Anular

• Perforación con Casing o Tubing

• Est imulac iones a través de Casing

Consideraciones especiales

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32

S A L

C a s i n g d e P r o d u c c i ó n

Como re gla gen eral , la naturaleza plást ica de la sal hace que esta “ f luya”

rápidamente hacia el hueco del pozo con dos consecuencias graves:

•Si el pozo no está entubado se cierra atrapando a la barra de sondeo

•Si el pozo está entubado existe una gran probabi l idad de que se colapse al

casing

Normalmente la pres ión que t ransmi te la sa l a l cas ing no es mas que e l

gradiente l i tostát ico para la zona en la cual está local izado el pozo, los valores

de gradiente generalmente osci lan entre 1.0 y 1.3 psi/p ié de profundidad.

Ejemplo: Pozo Cerro de la Juana x4 (Men doza)

Domo de sal desde 1800 hasta 2400 metros

Gradiente Li tostát ico: 1.1 psi/p ié

Presión externa esperada: 8660 psi

Factor de diseño sol icitado: 1.20

Resistencia al co lapso mínima bus cada: 104 00

T ub o se le cc io na do : c as in g 9 5 /8 ” 53 .5# S D 110 HC

Otra a l ternat iva: cas ing concéntr i co

Diseño en ambientes con presencia de Domo Salino


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33

P a c k e

r

“ P a c k e r

F l u i d ”

T u b i n g

Inyección de

Inhibidor

Los pozos de Servicio Crítico están caracterizados por la

presencia de CO2 . El diseño involucra especialmente al

tub ing en pozos de petró leo.

Condic iones en las que se podr ía usar acero a l Carbono del

tip o C S:

- Baja re lac ión Agua/Oi l

- P CO2 máxim a de 300 psi

- Velocidad de flujo infer ior a 3.0 m/s

- P rograma de Inhibi c ión y Mon ito reo por cupones

Y a c i m i e n t o d e O i l c o n

p r e s e n c i a d e C O 2

M o d o d e f a l l a

Diseño para pozos con Servicio Crítico


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V a p o r y a g u a c o n d e n s a d a

A g u a c o n d e n s a d a y o i l

O i l f r ío

J u m p O u t o

F r a c t u r a e n

l a u n i ó n

T e m p e r a t u r a C o m

p r e s i ó n

T r a c c i ó n

C a l e

n t a

m i e

n t o

L ím i t e d e F l u e n c i a

E n f r i a

m i e

n t o

T e m p e r a t u r a d e I n y e c c i ó n

T e m p e r a t u r a d e R e s e r v o r i o

M o d o c o m ú n d e f a l l a

C a v e r n a d e b i d a au n a p o b r e

c e m e n t a c i ó n

D o g L e g e n t u b e r ía

c o n g r a n d e s

t e n s i o n e s d e f l e x i ó n

T u b i n g

p a r a

i n y e c c i ó n

d e v a p o r

Pozos para estimulación térmica


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35

El diseño para pozos dest inados a est imulación térmica deberá tener en

cuenta las s iguientes consideraciones:

- Temperaturas de t rabajo de aprox imadamente 600/700 °F (∼350 °C)

- Presiones de trabajo que osci lan en los 3000 psi

- Presencia de gases corros ivos ta les como CO2

y H2S

- Agua con contenido de C loruros y B icarbonatos

- Grandes esfuerzos compres ivos y de t racc ión en cas ing

- P an de o e n t ub in g

- Est imulación cícl ica o cont inua

Alternativas factibles:

- Tub ing a i sl ado de dobl e pared

- Tubi ng con “S ti nger ” y packer gas a is lant e- Ut i li zación de conex iones “Extra Compress ion”

- D iseño de una adecuada cementac ión

Pozos para estimulación térmica


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36

C a s i n g d e P r o d u c c i ó n

( m a s d e 4 5 0 0 m e t r o s )

T e m p e r a t u r

a

d e f o n d o :

3 5 0 °F

P r e s i ó n

d e F o n d o :

1 0 0 0 0 p s i

- Pres ión de fondo e levada (genera lmente super ior a

10000 psi)

- Es trecho margen en t re pres ión pora l y pres ión de

fractura

- Generalmente son de gas. Si son de petróleo t ienen

una elevada relación Gas / Petróleo

- Agua con gran conten ido de Cloruros

- Presenc ia de gases corros ivos

- Grandes esfuerzos sobre todo e l equ ipo de

perforación

- Posib il idad de inyectar inh ib idores de corros ión

Diseño para pozos profundos


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37

Presión sobre

Cas ing en fondo

Cas ing de Producc i ón

(mas de 4500 metros)

Temperatur

a

de fondo:350 °F

Presión

de Fondo:

10000 psi

L ea k e n

e l t ub in g

Pres ión sobre Cas ing

en superficie

Packer

“Packer

Fluid”

La fuga o “ leak” en un tub ing de producc ión

correspondiente a un pozo profundo de gran

presión es un de los esfuerzos mas severos a los

que se va a someter al cas ing. R iesgos:

- Leak

- Estal li do

- Desenchufe

- F ra ct ur a

-Buckl ing

El otro esfuerzo importante a anal izar va a ser el

cas ing tota lmente evacuado. R iesgos:

- C ol ap so

Desde e l punto de v is ta de l tub ing las dos

hipótesis de carga mas importantes van a ser:

Evacuado y Cierre en superficie

Diseño para pozos profundos


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38

La suscept ib il idad de fal la de un acero se increment a a baja te mperatura. El factor

desencade nante generalmente es una imperfección en el mater ial (de baja tenacidad) que

desemb oca en rotura catastróf ica.

Las consideraciones a tener en cuenta para diseño son:

- Tratar de no especi f icar grados super iores a P-110

- No usar tubos “pesados” a menos que sea absolutamente necesar io

- Ut il iz a r conexiones “non upset ”

Consideraciones para el manejo de los tubulares en el campo :

- Inspecc ión en cada punto de t ranspor te

- No dejar caer los tubos sobre las p lanchadas o bancales

- No separar con barretas los tubos en caso de ag lut inamiento con hie lo

- No remover protectores con golpes de mart il lo o palancas

- No golpear a las conexiones durante el “stabbing”

- Use técn icas adecuadas de enrosque y desenrosque

Consideraciones para el “Permafrost”:

- D iseñar ten iendo en cuenta efectos de subsidencia

- Diseñar teniendo en cuenta tensiones de “refreezing” generadas luego de la

perforación

Diseño para pozos en ambientes “árticos”


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39

P r e s e n c i a d e H 2 S

Cas ing de Producc ión

Para los responsables de un diseño todo pozo que contenga

agua y trazas de H2S deberá ser considerado como “Pozo enCond i ci ón Sour ”

Para la NACE un am biente es considerado “Sour” s i contiene

agua co mo l íquido y contiene H2S de acuerdo a lo siguiente: a)

gas “sour” cuya presión tota l excede los 65 psi o cuya presión

parcial excede los 0.05 psi o b) petróleo “sour” (o sistema

mult i fásico “sour”) cuya presión tota l excede 265 psi o cuya

presión parcial excede 10 psi, o bien cuando la fase aguacontiene 15 % de H2S

M o d o d e F a l l a

Pozos Con H2S


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40

Entalla o Impronta

Carga externa

Mat eri al f rag i li zado por

di fusión de Hidrógeno(Zona con al ta

concentración de

dislocaciones)

La deforma ción localizada en fr ío es un factor desencadenente, ya que produce lossiguientes efectos: aume nto de la dureza, aume nto de la concentración de

dis locac iones y movimiento y apilamiento de bordes de grano

La presencia de discontinuidades metalográf icas (bandas, inclusiones, precipitados

grandes y de bordes angulosos) tam bién favorecen al proceso, a l igual que las

tensiones residuales

La fal la se desencadena por presencia deHidrógeno atómico, el cual puede generar

hidrógeno gaseoso de dos formas:

- Nuc leando en la superf ic ie de l materia l

- Di fundiendo dentro de l acero y nuc leando

en espacios disponibles (discontinuidades)

La falla también se puede observar en form a

de pit (corrosión local izada)

Pozos Con H2S


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41

•Selección de aceros con una adecuada microestructura

- Aceros de Al ta Tenacidad

- Aceros con tamaño de grano ch ico

- Es tructura martens í ti ca reven ida

•Selecc ión de un coat ing adecuado

•Selección de diámetros y espesores

- Balance entra d iámetro , espesor y grado

- FD de tracc i ón super io r a 1.75

- FD Von Mi ses super io r a 1 .30

•Selección de uniones adecuadas

- Uniones que generan a l tas tensiones durante e l M&B no son recomendadas

•Implementac ión de un s is tema de inh ib ic ión continua

•Almacenamiento y Manipuleo

Consideraciones para Diseño en ambientes con H2S


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42

Casing

Conjunto de

fondo retrácti l

Ventajas:

- Reducc ión de costo de materia y t ranspor te

- Reducción de espac io

- Reducción del t iemp o de perforación del pozo

Desventajas:

- Di f icultad para enfr iar el trépano- Desgaste de l cas ing que debi l ita su resi stenc ia al

colapso y a la presión interna

- L im i tac iones de to rque

Consideraciones para el diseño:

- P an de o

- V ibraci ones

- Conex iones Ex tr a To rque- F at ig a

- Hidrául i ca de l s istema

Perforación con Casing o Tubing


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43

AM S XT: Perforación con Casing

• 1° experiencia en el pais

• Pozo El Guadal 402

• Cuenca San Jorge

• Trépano de sa crif icio

• Bombeo mecánico

Perforación con Casing o Tubing


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44

Perforación con Casing: Esquema del Pozo El Guadal 402

Casing de Protección:

9 5/8” 32.3# H40 STC

Open Hole: 12 1/4”

Profundidad: @ 160 m

Casing de Producción:

5 1/2” 17# K55 AMS XT

Open Hole: 7 7/8”Profundidad: @ 680 m

Trépano Hughes:GT1 C-3 (3 x 12 & 1 x 11)

Unión Doble

Accesorio para

cementac ión

Casing para perforar

5 1/2” 17# K55 AMS XT


7/23/2019 2#_Diseño2




45

Perforación con Casing A M S XT

Top Drive

AMS XT

Sub

Casing

AMS XTOperación

de

perforación

con casing

AMS XT

(Torque

óptimo)

AMS XT

(Torque

óptimo)

Mordazas

hidráulicas

de

sujeción


7/23/2019 2#_Diseño2




46

7”

9 5/8” 150 m

1,575 m

3 1/2” 2,139 m

2,570 m

Barrena de 6 1/8”

Datos del Pozo:

Tope de Ceme nto : 1536 M

Profundidad final: 2570 M

“RO P”: 26 Metros por hora

Tiem po total perforación : 39 Hs 59 Min

Reduc ción de t iempo : 21 %

Perforación con Tubing Antares PJD


7/23/2019 2#_Diseño2




47

Torque de apr iete: 2350 - 3250 f t .lbs

Máximos torques de “Apertura”

•7000 - 8000 ft .lbs (Cerca de la superf ic ie)

•1050 0 ft . lbs (Fondo)

•1750 0 ft . lbs (solame nte 3 conexiones)

Peso sobre el “bit”: 11000 l ibras

Veloc idad de rotac ión: 120 - 140 rpm

Completac ión:

•Tipo: TUBING LESS

•Colum na: 3 1/2” 9.3 # N-80 Antares PJD

•MD : 2139 metros

Perfo ración con Tubing Antares PJ D:

Datos de la operación


7/23/2019 2#_Diseño2




48

Tipo de pozo

• Pozo Vertical

• Pozo desviado

• Roca abrasiva

• Profundidad

• Onshore

• Offshore

• Corrosivo

Características del pozo

• Densidad del lodo

• Cementación

• Presión de Formación

• Gradiente de fractura

• Perfil de temperaturas

• Profundidad del zapato

• Trayactoria

• TVD

• MD

• Øint and Øext

• Desgaste

Tubos en stock

• Diámetros

• Peso lineal

• Acero

• Conexion

Consideraciones p/ diseño

• Cargas axiales

• Presiones internas

• Presiones externas

• Flotación• Temperatura

• “Bal oo ning ”

• Pandeo• Tope de cemento

• Costo de tubos

• Cargas especia les

Factores de Diseño

• Tensión

• Compresión

• Colapso

• Estallido

• Von Mises

• Diámetros

• Grado de acero

• Espesores

• Conexiones

Ingeniero deDiseño y staff

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Accesorios disponibles

• Cross Overs

• F low Coup l ings, etc


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