API 7 Roscas

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Nueva Conexión Premium Diseñada para Operaciones de Altas Cargas

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Nueva Conexión Premium Diseñada para Operaciones de Altas Cargas

SPE - ATW “Artificial Lift Systems”

Francisco Diaz TelliMatías PereyraRita ToscanoArgentina, Abril 2008

Varillas de Bombeo

Nota:

Esta nota ha sido modificada para su publicación.

Atte, los Autores

• Conexión Premium de Tenaris• Escenario del diseño API de la conexión.• Resolviendo el Problema…

– Análisis por Elementos Finitos (FEA)– Ensayos de Laboratorio a Plena Escala– Producción y controles de Calidad – Experiencias de Campo– Proceso de Make-up

• Conclusiones

Varillas de Conexión PremiumAgenda

Objetivo del Proyecto- Optimización de los Sistemas de Elevación Artificial mediante el uso de una columna de varillas de bombeo con una conexión especial.

Principales aspectos de la Conexión Especial denominada “Premium”:

• Filete de rosca trapezoidal cortado

• Interferencia Diametral con contacto flanco-flanco

• Baja pre-tensión de armado en el pin

- Desarrollar una conexión especial capaz de trabajar bajo elevadas cargas mejorando la vida a la fatiga de la varilla.

Escenario del diseño de rosca API• El Bombeo Mecánico es el sistema de producción de crudo más utilizado en el mundo (>600.000 pozos productores).

• Más del 30% de las fallas en el sistema se deben a fallas en la conexión.

• Resistencia a la Fatiga del Pin < Cuerpo (Eficiencia < 100%)

• Se requirió adoptar Grados de Alta Resistencia

• En la mayoría de los pozos, el diámetro de la varilla esta limitado por el diámetro interno del tubing (Ej. 2 7/8”)

Diseño Estándar API

Condujo a desarrollar un nuevo concepto en conexiones de varillas !

Diversas limitaciones físicas:• Desajuste de la conexión (huelgo en la rosca).• Deformación en las roscas durante la operación y el make-up. • Distribución no-uniforme de la solicitación en el perfil de la rosca. • Operación de make-up (sobre torque o unión floja).• Rotura de la rosca (deformación de la rosca, alineamiento, etc.).• Corrosión.

Concentración de Tensiones

7

Análisis por Elementos FinitosPRINCIPAL OBJETIVO: VIDA A LA FATIGAEsta herramienta de diseño fue utilizada para seleccionar la mejor rosca previo a las pruebas de laboratorio.Se realizó un gran número de comparaciones con la rosca API.

Design Alternatives

Production Controls & FEA evaluations

Lab Tests

Ok?

Field Trial

No Yes

Las simulaciones y las pruebas se realizaron con varillas Grado D con cupla UHS.

Simulaciones 3D

(Evaluación de pozos Desviados)

Varillas con Conexión PremiumAnálisis por Elementos Finitos (FEA)

Mejoras en la vida a la fatiga de la conexión: •Tendencia al desajuste (filete de rosca cilíndrico, contacto en un flanco y make-up basado en interferencia debida a un alto nivel de carga axial).

• Distribución poco uniforme de las tensiones en el perfil de la rosca.

• Elevado nivel de tensiones en el make-up que produce deformación plástica en las roscas y limita la capacidad de carga de las varillas.

• Reducción significativa en la zona de concentración de tensiones críticas.

Resolviendo el Problema

Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaEnsayos de fatiga axial

Capacidad:

• Carga axial Máxima: +/- 50 ton (110000 lbs).• Carrera: 150 mm (5.9”). • Control de cargas, desplazamiento y deformaciones.• Frecuencia: 60 Hz. • Cuñas Neumáticas.

279.8

5

104.87

Pesca en Pin

2.96Pesca en Pin

Ciclos (MM)

336308279.8% Goodman

5Cmin (Ton)

1716151515Cmax (Ton)

Premium 3/4”API 3/4”

Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión

Probetas de Ensayo: Trozos de 7/8” Grado D con Conexión Premium de 3/4”(Cuplas UHS)

10 Millones de Ciclossin fallas

(hasta 336 %Goodman)

Menos de5 Millones de Ciclos

10 Millones de ciclos sin falla(hasta 336 %Goodman)

Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premiumde 7/8” (Cuplas UHS).




1.271Falla en

cupla

300.7

22

1.4Falla en

Pin

300.7

5

22

API 7/8”

336

24

318.7

23

300.7

22

230

18

221.2

17.5

212.3

17

203.4

16.5

10

194.6

5

16

Premium 7/8”

Ciclos (MM)

% Goodman

Cmin (Ton)

Cmax (Ton)

10 Millones de ciclos sin falla(hasta 336 %Goodman)

Menos de 1.5 Millones de

ciclos


Probetas de Ensayo: Trozos de 7/8” Grado D con Conexión Premium de 3/4”(Cuplas UHS)

Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premiumde 7/8” (Cuplas UHS).

247.8

25

10

223.5

5

23

262.3

27

Ciclos (MM)

280.5

% Goodman

Cmin (Ton)

28.5Cmax (Ton)

Premium 1”

Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premiumde 1” (Cuplas UHS).



Goodman Diagram HS & D Grade Rods

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Smin (Ksi)

Sm

ax (

Ksi

)

Min YS D Grade (Ksi)

S allowable D Grade (Ksi)

Min YS HS Grade (Ksi)

S allowable HS Grade (Ksi)

Smin (Ksi)

Varillas 7/8” D PCVarillas 3/4” D PC

Varillas 1” D PC


Control de Calidad y FabricaciónControl de perfil de rosca

Proceso de Make-up

El armado se divide en cinco pasos:

1- Limpieza de Roscas2- Engrase de las roscas (grasa de tubing) 3- Posición de Ajuste a Mano4- Contacto entre el pin y el box con la llave de torque5- Control con desplazamiento circunferencial

El armado se divide en cinco pasos:1- Limpieza de Roscas2- Engrase de las roscas (grasa de tubing)3- Posición de Ajuste a Mano4- Contacto entre el pin y el box con la llave de

torque5- Control con desplazamiento circunferencial

Proceso de Make-up

Paso #1: Limpieza de las roscas

Se debe asegurar la ausencia completa de partículas sólidas.

Proceso de Make-up

Proceso de Make-up

Paso #2: Engrasado de la Rosca

Se debe aplicar grasa estándar de tubing para evitar el engrane de las roscas.

Proceso de Make-up

Paso #3: Posición de Ajuste a Mano (Hand-tight)

Debido a la interferencia diametral, la conexión mantiene un tiraje después del ajuste a mano.

Proceso de Make-up

Paso #4: Control de contacto entre espejos (Pin/Box)

Se requiere la aplicación de la llave de torque para hacer contacto entre los espejos (se utiliza un calibre de 0,05 mm).

Paso #5: Control del Desplazamiento Circunferencial

Después de asegurar el contacto de los espejos se dibuja una línea vertical y se logra el desplazamiento deseado con la llave de torque.

Experiencia de Campo

2 7/8”Tubing:

2”Diámetro de Bomba:

M 912-365-168Unidad de Bombeo:

478 bpd (76 m3/d)Producción:

7.81GPM:

~10 °API

168”

7155 ft (2181 m)

Densidad del Crudo:

Carrera:

Profundidad de Bba.:

Principales Características del Pozo

1½”

¾”

7/8”

1”

Diám. SolicitaciónCanti.Grado

20

77

94

93

(Barra de Peso)

AltaResistencia

GRADO D PC

AltaResistencia

81% deGoodman (SF 0.9)


NA


Diseño de Sarta

Un pozo de ensayo opera con varillas Conexión Premium de 7/8”Grado D intercaladas entre tramos de Alta Resistencia:

Fecha de Instalación: 23 de Septiembre de 2005

Acumula >9 millones de golpes (ciclos) trabajando al 137 % Goodman (SF 0.9).

23

Goodman Diagram HS & D Grade Rods

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Smin (Ksi)

Sm

ax (

Ksi)

Min YS D grade(Ksi)

S allowable D grade (Ksi)

S allowable UHS grade (Ksi)

Smin (Ksi)

137% (0.9 SF)83% (0.9 SF)

Varillas D PC

Varillas 1” AR

El tramo Grado D con varillas Conexión Premium ha trabajado en condiciones de solicitación de varillas Alta Resistencia, indicando que las últimas podrían ser reemplazadas por las primeras.

Experiencia de Campo

Conexión Premium de VarillasConclusiones

• La Conexión Premium es 100% eficiente para Altas Cargas:Resistencia de la Conexión > Resistencia del Cuerpo

• Mayor resistencia a la fatiga que el diseño de rosca API comprobado en ensayos de fatiga

à Reducción de los niveles de tensiones en el área crítica.• La performance de la Conexión permite la utilización de Varillas

Grado D en pozos con elevadas cargas donde se requieren Varillas de Alta Resistencia (Aceros con TT y aleaciones especiales).

• La capacidad de carga de la Conexión Premium permite reducir el diámetro de las varillas en el diseño de la sarta.

Muchas Gracias!Francisco Diaz Telli

[email protected]

Matías Pereyra

[email protected]

Rita Toscano

[email protected]

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