Curso Basico de Hidraulica

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Hidráulica Básica

SECTION 1 - BASIC HYDRAULICS

INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................................... 7ÁREAS .................................................................................................................................................................... 7

Área de un Círculo ............................................................................................................................................ 7Área de Sección Transversal ............................................................................................................................. 9Área Anular ..................................................................................................................................................... 10

VOLÚMEN Y CAPACIDAD..................................................................................................................................... 12Volúmen.......................................................................................................................................................... 12Capacidades de Revestidor y de Tubería ......................................................................................................... 15Presión – Hidrostática y Aplicada ................................................................................................................... 17Presión Hidrostática ........................................................................................................................................ 19Conversión de presión en altura o capacidad................................................................................................... 20Presión hidrostática de mezclas de fluído y arena........................................................................................... 25Presiones diferenciales entre tubería y revestidor ............................................................................................ 28Presión aplicada ............................................................................................................................................. 29Presión total ................................................................................................................................................... 30Clasificación de presión diferencial para componentes de obturadores ............................................................ 31

MATERIALES ........................................................................................................................................................ 32Fuerza y límite elástico ................................................................................................................................... 32Productos tubulares – datos de elongación ..................................................................................................... 33Elongación y punto libre .................................................................................................................................. 35Roscas ........................................................................................................................................................... 38

FUERZA ................................................................................................................................................................ 39Fuerzas relacionadas con la presión ............................................................................................................... 41Fuerza de flotación ......................................................................................................................................... 42Peso de revestidor .......................................................................................................................................... 43

DEFINICIÓN DE “K.B.” ........................................................................................................................................... 49HERRAMIENTAS RECUPERABLES...................................................................................................................... 52OBTURADORES RECUPERABLES DE AGARRE SENCILLO ASENTADOS CON TENSIÓN ................................ 54

¿Cuanta tensión hay que aplicar al obturador para retener la presión? ............................................................ 55¿Cuánta presión se puede aplicar al espacio anular? ...................................................................................... 56Limitaciones de profundidad para achique ....................................................................................................... 57Circulación de diferentes pesos de fluído al obturador ..................................................................................... 58Asentamiento de obturadores de tensión en pozos con bajos niveles de fluído ............................................... 60

OBTURADORES RECUPERABLES DE AGARRE SENCILLO ASENTADOS CON PESO ..................................... 62¿Cuanto peso de asentamiento se necesita para aguantar la presión? ........................................................... 63¿Cuánta presión se puede aplicar debajo de un obturador tipo compresión? ................................................... 64¿Cuanta presión anular se necesita para aguantar el obturador? ..................................................................... 65Circulación de diferentes pesos de fluído al obturador ..................................................................................... 66Asentamiento en pozos con bajos niveles de fluído ......................................................................................... 68

OBTURADOR CON CALIBRE DE SELLO .............................................................................................................. 70Cuando la tubería es más grande que el calibre del obturador ......................................................................... 70Tubería 2-7/8” en un obturador con calibre de sello de 2.688” .......................................................................... 72Cuando la tubería es más pequeña que el calibre del obturador ...................................................................... 74Conjuntos de sello .......................................................................................................................................... 76Tubería Tapada................................................................................................................................................ 79Tapones de obturador ...................................................................................................................................... 81

TAPONES PUENTE RECUPERABLES ................................................................................................................. 83ANCLAS DE TUBERÍA........................................................................................................................................... 85GRÁFICOS DE FUERZA DE TENSIÓN .................................................................................................................. 88

ESTA PÁGINA EN BLANCO INTENCIONALMENTE


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Hidráulica Básica

Para que una herramienta de subsuelo realice el trabajo para el cual sediseñó, debe ser adecuadamente seleccionada y adecuadamente instalada.Existen muchas fuerzas que actúan sobre la sarta de tubería y el obturadordurante las operaciones de terminación, producción y reparación de pozos.Para asegurar una exitosa terminación, instalación y recuperación de unobturador, se deben considerar y calcular correctamente las condicionesdel pozo y las fuerzas y/o los cambios de longitud de la tubería antes deseleccionar y correr el obturador.

Para estos análisis es necesario entender cómo calcular áreas,volúmenes y capacidades. Mucha de esta información está incluida en losManuales Técnicos y las Tablas de Ingeniería de este manual. Ya que lamayoría de estos cálculos de áreas y volúmenes les fueron enseñadasanteriormente, aquí se presenta sólo un breve resumen. Se solucionanalgunas problemas para mostrar cómo se generó la informaciónen las Tablas de Ingeniería.

ÁREAEl área es la superficie dentro de una borde definido. El borde puede

ser cuadrado, rectangular, circular o de cualquier otra forma cerrada. Lasunidades de medida (n) son expresadas como n cuadrados o n2.

En las operaciones con herramientas de subsuelo, la habilidad decalcular las áreas correctamente y de utilizar estos cálculos diariamentedurante las instalaciones o durante la preparación de propuestas conducea un mejor entendimiento de las herramientas y sus aplicaciones.

ÁREA DE UN CÍRCULO

Debido a la naturaleza de la industria petrolera y la manera en que serealizan las operaciones, nos vemos obligados a trabajar con materialescomo tubería, revestidores y obturadores de forma circular y áreasdiferentes.

De todos los cálculos realizados durante un trabajo o una propuestade instalación, los más realizados son el área de superficie total y el áreade sección transversal (o área transversal). La clave para ladeterminación de ambas áreas es conocer cómo calcular el área de uncírculo.

Se determina el área de cualquier círculo multiplicando el número πpor el diámetro del círculo cuadrado, luego dividiendo entre 4, o sea:

área del círculo = π D2 ÷ 4

π es un número irracional que representa la relación entre lacircunferencia y el diámetro de un círculo. Lo redondeamos a 3.14159para los cálculos.

El área es lasuperficie dentro

de un límitedefinido.

INTRODUCCIÓN


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Hidráulica Básica

Ya que sabemos el valor de π , podemos simplificar el cálculodel área dividiendo π entre 4 para obtener la constante 0.7854.Nuestro cálculo del área de un círculo es ahora:

área del círculo = 0.7854 D2

INTENTALO

Calcular el área de un círculo con un diámetro de 2.50 pulg.área de círculo = 0.7854 D2

= 0.7854 x (2.50)2

= 0.7854 x 6.25= 4.91 pulg2

Calcular el área de un círculo con un diámetro de 2.875 pulg.

El cálculo del área de un círculo se parece al cálculo usado paradeterminar el área afectado por la presión en la tubería con un tapóninsertado. También es similar al cálculo del área de un émbolo enuna bomba reciprocante para determinar el flujo volumétrico de labomba.

2.50 ins2.50 pulg


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ÁREA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL

Ya que estamos trabajando con tubería, tenemos que calcular nosolamente el área de superficie sino también el área de la seccióntransversal. El área transversal es el área entre dos círculos. Loscírculos pueden representar el espesor de pared de la tubería o delrevestidor, el área entre dos anillos de sello, o el área entre la tuberíay el revestidor.

La formula para calcular el área transversal es π multiplicadopor la cantidad (diámetro exterior cuadrado menos diámetro interiorcuadrado) todo dividido entre 4:

área transversal = π (DE2 – DI2) ÷ 4

Podemos simplificar nuestros cálculos dividiendo π entre 4 paraobtener 0.7854:

área transversal = 0.7854 (DE2 – DI2)

ACUÉRDESE: Cuando se calcula un área transversal, primerohay que cuadrar los dos diámetros, luego restarlos para obtener ladiferencia.

NO SE DEBE RESTAR UN DIÁMETRO DEL OTRODIÁMETRO.

Para determinar el efecto de flotación sobre un tubo abiertointroducido en un pozo lleno de líquidos, tenemos que calcular el áreade la sección transversal. Los tubos de paredes más gruesas tienenuna mayor área transversal que los tubos de paredes delgadas.

INTÉNTALO

Calcule el área transversal de un tubo de revestimiento de 7pulgadas con un diámetro interior de 6.276 pulgadas:

Área transversal= 0.7854 (D.E.2 – D.I.2)= 0.7854 x ((7 pulg)2 – (6.276 pulg)2)= 0.7854 x (49 pulg2 – 39.39 pulg2)= 0.7854 x 9.61 pulg2

= 7.55 pulg2

Calcule el área transversal de un tubo de revestimiento de 5pulgadas con un diámetro interior de 4.276 pulgadas.

Cuando se calcula elárea transversal, las

áreas de los dosdiámetros deben ser

calculadas por separadoy luego restados paraobtener la diferencia.

1 .9 0 in s

2 . 3 7 5 in s

pulg

2.75 pulg


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ÁREA ANULAR

El área anular es la diferencia entre el área del diámetro interiordel revestidor y el área del diámetro exterior de la tubería. En lospozos no revestidos, el área anular es la diferencia entre las áreasdel hoyo abierto y la tubería (de perforación o revestimiento).

Para calcular el área anular entre la tubería y el revestidor, secalcula el área del diámetro interior del revestidor y luego se resta elárea del diámetro exterior de la tubería. La formula para determinarel área anular es:

Área anular = A D.I. revestidor – A D.E. tubería

Puede ser expresado usando los diámetros:

Área anular = π (D.I. revestidor

2 – D.E. tubería

2) 4

Nuevamente podemos simplificar nuestros cálculos dividiendo πpor 4 para obtener 0.7854:

Área anular = 0.7854 x (D.I. revestidor 2 – D.E. tubería

2)

INTÉNTALO

Calcule el área anular entre un revestidor de 7 pulgadas y de 20lb/pie con un diámetro interior nominal de 6.456 pulgadas, y un tubode 2-7/8”:

El área anular es ladiferencia entre las

áreas del D.I. delrevestidor y el D.E. de

la tubería.

2 . 8 7 5 in s

6 . 4 5 6 in s

pulg

pulg


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Cuando hay dos o más sartas de tubería dentro delrevestidor, se obtiene el área anular restando el total de lasáreas de la tubería del área del diámetro interior del revestidor,expresada así:

Área anular = Área D.I. revest. – (Área D.E. tub. 1 + Área D.E. tub. 2)

INTÉNTALO

Calcule el área anular de un revestidor de 7 pulgadas, 23lb/pie con una sarta de tubería de 2-3/8” y otra de 2-7/8”.

1. El área interna del revestidor con un diámetro interior de6.366 pulgadas es 31.83 pulg2.

2. El área externa de la tubería de 2-3/8” es 4.43 pulg2.

3. El área externa de la tubería de 2-7/8” es 6.49 pulg2.

4. Área anular= 31.83 pulg2 – (4.43 pulg2 + 6.49 pulg2)= 31.83 pulg2 – 10.92 pulg2

= 20.91 pulg2

El área anular entre las dos sartas de tubería y el revestidor es20.907 pulg2.

Tubing String 1

Tubing String 2

Casing

Sarta de Tuberia 1

Sarta de Tuberia 1

Sarta de Tuberia 2

Revestidor


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VOLÚMEN Y CAPACIDAD

VOLÚMEN

El volúmen es una de las cantidades calculadas másimportantes, y se defina como la cantidad de espacio ocupada poralgo. En diferentes momentos hay que calcular varios volúmenes: detanques, tuberías, revestidores o pozos no revestidos.

Se calcula el volúmen tomando el área y multiplicando por laaltura:

volúmen = área x altura

Cuando se realiza un cálculo de volúmen, el área y la altura sedeben expresar usando las mismas unidades de medición (pies,pulgadas, metros). La respuesta será expresada en unidadescúbicas o unidades3 (pies3, pulg3, m3).

VOLÚMEN DE RECTÁNGULOS

Para determinar el volúmen de un tanque rectangular, loscálculos están basados en el área de un rectángulo multiplicado porla altura del rectángulo:

Volúmen = área x altura del rectánguloo

Volúmen = longitud x ancho x alturao

V = l x w x h

INTÉNTALO

Calcule el volúmen de una tanque de 25.0 pies de largo, 8.0 piesde ancho y 6.0 de alto.

Se calcula el volúmendeterminando primero

el área y luegomultiplicándola por laaltura sobre el cual se

extiende.

L

H

W

ALT

LONG

ANCH


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Hidráulica Básica

VOLÚMEN DE CILINDROS

Para calcular el volúmen de un cilindro, se multiplica el área de labase por la altura del cilindro:

V = área de base x altura del cilindroo

V = 0.7854 D2 x altura

INTÉNTALO

Calcule el volúmen de un cilindro con un diámetro de 16 pies yuna altura de 22 pies.

VOLÚMEN ANULAR

El volúmen anular es la diferencia en el volúmen de un cilindrogrande y otro cilindro pequeño. La formula para el volúmen anular es:

Volúmen anular = V cil. grande – V cil. pequeño

o

Volúmen anular = 0.7854 x altura x (D cil. grande – D cil. pequeño)

INTÉNTALO

Calcule el volúmen anular entre dos cilindros de 28 pies dealtura. El cilindro grande tiene un diámetro de 7.5 pies y el pequeñoes de 3.75 pies.

D larg e

D s m a l l

H e igh t

B a se

Altura

grande

pequeño

Base


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REVISIÓN DE ÁREA Y VOLÚMEN

Calcule los siguientes:

1. El área de un círculo de 7.0 pulgadas.

2. El área de un círculo de 2-3/8 pulgadas.

3. El volúmen de un tanque de 15 pies de largo, 4.5 pies de alto y6.5 pies de ancho.

4. El área transversal de un tubo con un diámetro exterior de 9pulgadas y un diámetro interior de 7 pulgadas.

5. El área anular entre un tubo con un diámetro interior de 5.75pulgadas y un tubo con un diámetro exterior de 1.9 pulgadas. Expreseel resultado en pulg2.

6. El volúmen anular de dos cilindros de 18 pies de alto. Un cilindrotiene un diámetro interior de 78 pulgadas y el otro tiene un diámetroexterior de 3 pies.


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CAPACIDAD DE REVESTIDOR Y TUBERÍA

Los datos usados para calcular la capacidad se pueden obtener de las Tablas de Ingeniería eneste libro. Los datos están presentados en una variedad de formatos para su conveniencia.

Para calcular la capacidad de la tubería en barriles, ver la columna “Barrels per Lin. Ft.” (Barrilespor pie lineal) en las Tablas de Ingeniería. El valor indicado es el número de barriles de fluídocontenido en un pie lineal de tubería. Multiplicar este número por la longitud de la tubería en piespara obtener la capacidad total. Se usa el mismo proceso para los revestidores.

Nota: No se obtiene el volúmen anular restando la capacidad de la tubería de la del revestidor.Acordar que la capacidad anular está basada en el área anular, el cual se calcula usando el D.E.de la tubería y el D.I. del revestidor. La capacidad de la tubería está basada en el D.I. de latubería, no el D.E.

Cuando la capacidad para un producto tubular particular no se encuentra en la tabla, se puedecalcular usando el área adentro de la tubería multiplicado por la longitud unitaria (normalmente unpie) para obtener el volúmen. Hay convertir este volúmen a las unidades correctas, por ej.barriles.

Cálculos de muestra:

Tubería de 2-3/8" 4.60 lb/pie hasta el obturador12,500 pies hasta el obturador12,600 pies hasta las perforacionesRevestidor de 5-1/2" 20 lb/pie debajo del obturadorCalcular el volúmen desplazado hasta las perforaciones.

De las Tablas de Ingeniería:Tubería: 0.00387 bbl/pie lin.Revestidor: 0.0222 bbl/pie lin.

Capacidad de tubería:= 12,500 x 0.00387= 48.38 barriles

Capacidad de revestidor:= (12,600 – 12,500) x 0.0222= 100 x 0.0222= 2.22 barriles


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Desplazamiento = 48.38 + 2.22 = 50.6 barriles

Cuando los datos no están disponibles en las tablas:

Tubería de 2-7/8" 10.7 lb/pie PH-6 Hydril (D.I. = 2.091")Revestidor de 7" 38#Profundidad del obturador = 18,500 piesProfundad hasta las perforaciones = 18,700 pies

Capacidad de la tubería:A

i = (D.I.)2 x 0.785

Ai = (2.091)2 x 0.785

Ai= 4.372 x 0.785

Ai= 3.432 pulg2

Volúmen = área x longitud:Volúmen de un pie lineal de tubería = A

i x 12 pulg

V = 3.432 x 12V = 41.187 pulg3

y:1 barril = 9702 pulg3

entonces la capacidad de esta tubería es de:= 41.187 ÷ 9702= 0.00425 barriles por pie lineal

Usando el mismo método para el revestidor, se obtiene lo siguiente:0.0340 barriles por pie lineal

Desplazamiento hasta el obturador:= 18,500 x 0.00425= 78.625 barriles

Desplazamiento desde el obturador hasta las perforaciones:= 200 x 0.0340= 6.8 barriles

Desplazamiento hasta las perforaciones:= 3.40 + 78.54= 85.425 barriles

o aproximadamente 86 barriles.


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Presión – Hidrostática y AplicadaTanto la presión hidrostática como la presión aplicada están representadas por la cantidad defuerza que empuja contra una unidad de área. Las unidades son expresadas normalmente enlibras por pulgada cuadrada (lb/pulg2, o psi). La presión aplicada es la presión ejercida sobre elsistema por una fuente externa, por ej. una bomba. Normalmente se obtiene la presión aplicadade un medidor de presión montado en un múltiple o en la bomba. La presión hidrostatica es la presión creada por el peso de una columna de fluído.

Presión AplicadaLa presión aplicada a la superficie de un fluído es uniforme a través de toda la columna de fluído.La presión aplicada en la parte superior del pozo será igual a la presión al fondo del pozo y en laformación siempre que no haya flujo. Los fluídos en movimiento crean una pérdida de persióndebido a la fricción que tiene que ser restada de la presión aplicada para obtener la presiónactual en el fondo del pozo. El cálculo de presión de fricción es una técnica compleja ya quedepende de la reología del fluído, la tasa de bombeo y las dimensiones de la tubería y del pozo.

Presión HidrostáticaLa presión hidrostática es la creada por cualquier columna de fluído. Acuérdese que el gastambién es un fluído. La referencia más común a la presión hidrostática es la presión ejercidapor la columna de gas que consiste en la atmósfera, o sea la presión barométrica. Los reportesde tiempo nos informan de la presión hidrostática de aproximadamente 30,000 pies de airemedida en pulgadas de mercurio. También se puede expresar como 14.696 psi (promedio).

En la industria petrolera se trata de pesos o densidades de fluído en unidades de libras por galón(“pounds per galon”, o ppg). Para calcular la presión hidrostática, se puede usar la siguienteformula:

PSI = 0.052 x (ppg) x profundidad

El valor 0.052 es el valor de psi/pie de un fluído con una densidad de 1 ppg.

Las tablas pueden indicar el valor “psi/ft” (psi por pie) de un fluído. Se multiplica este valor por laprofundidad para obtener la profundidad hidrostática a esta profundidad.

Gravedad EspecíficaSe define la gravedad específica como la densidad de un fluído dividida entre la densidad deagua bajo las mismas condiciones.


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Hidráulica Básica

Por ejemplo: si sabemos que el agua tiene una densidad de 8.333 libras por galón y unagradiente de fluído de 0.433 psi/pie y nos informan de que un fluído de terminación tiene unagravedad específica de 1.5, entonces sabemos que pesa 1.5 x 8.333 o 12.5 ppg y que tiene unagradiente de fluído de 1.5 x 0.433 o 0.650 psi/pie.

Ejemplos:

Profundidad hasta las perforaciones 8400 piesPeso de lodo 12.2. ppgPresión en la bomba 1500 psi

Suponiendo que la pérdida de fricción es mínima, calcular la presión en la superficie y en lasperforaciones.

Presión aplicada = 1500 psiPresión hidrostática:

= 12.2 x 0.052 x 8400= 5329 psi

Presion en la superficie = 1500 psiPresion en las perforaciones = 1500 + 5329 = 6829 psi

Nota: Puede haber pequeñas diferencias entre las presiones calculadas usando diferentesmétodos. Estas se deben normalmente a la manera de redondear los decimales.

Presión de una Mezcla Agua/Aceite

Calculamos la presión hidrostática de una mezcla de aceite y aguausando la densidad del agua de producción, el aceite y el porcentajede corte de agua. Si el pozo ha estado cerrado, el agua y el aceitese habrán separado pero el cálculo sigue siendo el mismo.

Ejemplo:

Un pozo que produce petróleo de 38 grados API tiene un corte de agua de 35% con agua de 9.2ppg. Cálcular la gradiente de fluído.

Agua:9.2 x 0.052 = 0.478 psi/pie.

Aceite:de las tablas o calculada = 0.362 psi/pie

Gradiente de fluído:= (0.35 x 0.478) + (0.65 x 0.362)= 0.403 psi/pie

65 % aceite35% agua


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Hidráulica Básica

PRESIÓN HIDROSTÁTICA

La presión hidrostática es la presión creada por el peso de unacolumna de fluído actuando sobre un área definida. La presiónhidrostática cambia al variar el peso del fluído o la altura de la co-lumna de fluído. En un pozo perforado o de hueco abierto, la presiónde la formación soporta la columna de fluído.

La altura de la columna de fluído se calcula usando laprofundidad vertical verdadera y no la longitud de la columna. Porejemplo, un pozo horizontal podría alcanzar una profundidad medidade 10,000 pies, sin embargo, la profundidad vertical verdaderapodría ser sólo 7,000 pies. Se calcularía la presión hidrostática deeste pozo usando la altura vertical de 7,000 pies, que representa laaltura vertical de la columna de fluído.

La presión hidrostática es el resultado de la atraccióngravitacional terrestre actuando de manera perpendicular a lasuperficie de la tierra. Esencialmente la columna de fluído es atraídahacia el centro de la tierra. Como resultado, la presión hidrostáticaes mayor en el punto más profundo.

La presión hidrostática existe en todos los puntos en el pozo. Sino se dispone de medios de aislamiento, actúa igualmente sobretodas las áreas circundantes.

Cuando hay dos o más columnas de fluídos de diferentesdensidades en el pozo, se debe calcular la presión hidrostática decada columna por separado y luego sumarlas para obtener la presiónhidrostática total.

Columna de Fluído

Profundidad Vertical Verdadera

PH=?

PH

Columna de Fluído

Profundidad Vertical

VerdaderaProfundidad Medida


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Hidráulica Básica

CONVERTIENDO PRESIÓN EN ALTURA O CAPACIDAD

Son comunes las herramientas que requieren presión para asentar, tales como obturadoresde asentamiento hidráulico. A veces demasiada presión podría dañar la herramienta o causaráque la herramienta se asiente prematuramente al correrla en el pozo. Es importante tener la presióncorrecta en la herramienta en el momento oportuno.

Si el pozo está lleno de fluído el asunto de control de presión en la herramienta es sencillo;aplicar la presión debida en la superficie usando una bomba. En el caso de un pozo con bajo nivelde fluído, se tendrá que convertir la presión requerida en pies o barriles de fluído requeridos.

Por ejemplo: Hay que asentar un obturador de asentamiento hidráulico en un pozo con un bajonivel de fluído usando un tapon asentado en un perfil debajo del obturador. Cuando se asienta eltapón, la tubería no está cargada. La presión hidrostática obtenida al llenar la tubería no solamenteasentará el obturador sino también podría exceder la clasificación de presión de las cámaras deasentamiento y dañar el mecanismo de asentamiento.

Para convertir Presión a AlturaBuscar o calcular la gradiente de fluído (psi/pie), para el fluído a usarse y dividirla entre la

presión.

Altura (pies) = psi ÷ Gradiente de Fluído (psi/pie)

Para convertir Presión a BarrilesA veces se necesita saber el número de barriles a introducirse en este tamaño de tubería para

obtener la presión requerida. Primero se busca en las Tablas de Ingeniería para obtener el valor“psi/barril”, o de no haberlo, el valor “pies/barril”. El primero se convierte directamente, mientrasque con el segundo se tiene que convertir la presión a altura.

Barriles = psi ÷ “psi/barril”


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Hidráulica Básica

INTENTALO

¿Cuantos pies se necesitan para obtener la presión necesaria?

Ver el esquemático de pozo a la derecha:Profundidad de herramienta 9000 piesPetróleo de 36° API hasta 7500 piesTubería 2-7/8” 6.4#Se necesita 1500 psi para asentar la herramienta

¿Cuánto fluído hay que bombear (en barriles)?

Calcular la gradiente de fluído de aceite de 36°:

= 61.27 / (131.5 + 36)= 0.366 psi/pie

Calcular los pies requeridos:

= 1500 / 0.366= 4094 pies

¿Cuántos barriles para obtener la presión necesaria?

de las Tablas de Ingeniería:

Tubería de 2-7/8" 6.4#: 0.00579 bbl/pie

Usando la altura calculada anteriormente (4094 pies),

= 0.00579 x 4094

= 23.7 barriles de aceite de 36°

3406 ft(ca lculated)

4094 ft o f 36o

O il added

7500 ft

9000 ft

36 o A P IG ravity O il

4094 pies de aceite de 36°

Aceite de 36° API

3406 pies (calculados)

pies

pies


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Hidráulica Básica

Presión Hidrostática y Aplicada

Ver el esquemático de pozo a la derecha:Presión de bomba = 1800 psiFluído en la tubería = lodo de 12 lb/galObturador a 3500 piesPerforaciones a 3550 pies

¿Cuál es la presión en la superficie?¿Cuál es la presión en el fondo de pozo en lasperforaciones?

Calcular gradiente de fluído:

= 12 x 0.052

= 0.624 psi/pie

Calcular la presión hidrostática:

= 3550 x 0.624= 2215 psi

Presión en las perforaciones:

= P hidrostática

+ P bomba

= 2215 + 1800= 4015 psi

La única presión observada en la superficiees la presión de la bomba, 1800 psi.

P acker@ 3500 ft

12 P P G M udin Tub ing &be low P acker

P erfs@ 3550 ft

1800 ps iP um p P ressure

Presión de la bomba 1800PSI

Lodo de 12 lb/gal entubería y debajo delobturador

Perforaciones a 3500 pies

Obturador

a 3500 pies


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Hidráulica Básica

Como se calculan las Gradientes de Fluído

Si se conoce el peso de fluído en libras por galón (ppg):

psi/pie = lb/gal x 0.052

Ejemplo: Fluído de terminaciones de 12.5 lb/galpsi/pie = 12.5 x 0.052psi/pie = 0.650

Si se conoce el peso de fluído en libras por pie cúbico:

psi/pie = (lb/pie3) x 0.007

Ejemplo: Lodo de 98 lb/pie3

psi/pie = 98 x 0.007psi/pie = 0.686

Si se conoce el peso de fluído en gravedad específica:

psi/pie = G.E. x 0.433

Ejemplo: Lodo con gravedad específica de 1.72psi/pie = 1.72 x 0.433psi/pie = 0.745

Si se conoce el peso de fluído en grados API:

psi/pie = 61.27 ÷ (131.5 + grados API)

Ejemplo: Aceite de 38° APIpsi/pie = 61.27 ÷ (131.5 + 38)psi/pie = 61.27 ÷ 169.5psi/pie = 0.362


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Hidráulica Básica

Presiones Hidrostáticas y Aplicadas en un Pozo con Bajo Nivelde Fluído

Ver el esquemático de pozo a la derecha:Obturador asentado a 3800 piesTubería de 2-7/8" 6.4#Nivel de fluído 3000 pies, salmuera de 9.2 lb/galHerramienta de asentamiento hidráulica, requiere 2000 psi depresión en la tubería

¿Qué operaciones se necesitan para asentar el obturador?

Calcular la gradiente de fluído de salmuera

= 9.2 x 0.052 = 0.478 psi/pie

Calcular la altura de fluído requerido para asentar

= 2000 ÷ 0.478 = 4184 pies

PERO, tenemos una profundidad de apenas 3800 pies y es imposibletener 4184 pies de fluído en este pozo. Tal como semencionó anteriormente, hay dos fuentes de presión:hidrostática y aplicada. Si no se puede efectuar el trabajocon presión hidrostática tenemos que utilizar presion aplicada.

Máxima presión arriba de obturador con la tubería llena= 3000 x 0.478 = 1434 psi

DespuésCalcular la cantidad de fluído para llenar 3000 pies de tubería.

De las Tablas de Ingeniería:2-7/8" 6.4 lb/pie = 0.00579 bbl/pieFluído requerido = 3000 x 0.00579

= 17.37 barriles

Si se necesita 2000 psi arriba del obturador para asentarlo,podemos calcular la presión aplicada requerida:

= 2000 - 1434 = 566 psi

Para asentar el obturador, tenemos que agregar 17.4 barrilesde fluído y aplicar 566 psi de presión a la tubería usando labomba.

Flu id Level3000 ft

S alt W ater9.2 ppg

P acker@ 3800 ft

P um p Pressure?Presión de

la bomba?

Nivel defluído 3000

pies

Obturador a3800 pies

Salmuera9.2.ppt


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PRESIÓN HIDROSTÁTICA DE MEZCLAS DE FLUÍDO Y ARENA

A veces hay que calcular la presión hidrostática de una columna que contiene una mezcla defluído y arena, especialmente después de un trabajo de fractura cuando la tubería está completamenteo parcialmente llena de arena. Para desasentar el obturador, es necesario balancear las presionesde las dos columnas de fluído. Como resultado, hay que determinar la presión hidrostática del lodomezclado con arena.

Se obtiene el peso de un fluído mezclado con arena usando la siguiente formula:

gal n)]por arena de (lbsxgal/lb) [(.04561

gal n)]por arena de ()fluido de densidad[((lb/gal) lodo de Densidad

++= lbs

El valor de .0456 gal/lb es constante para el volúmen absoluto de arena, basado en arenasilícea Ottawa con una densidad absoluta de 22.1 lb/gal y una gravedad específica de 2.65. Laspropiedades físicas para los demás materiales tales como la bauxita se pueden obtener de losmanuales de ingeniería.

Se usa la formula para calcular el peso de 1 galón de la mezcla. Cuando se añade 1 lb dearena a un fluído para hacer una mezcla de lodo, esta cantidad de arena ocupa 0.0456 galones delvolúmen total de la mezcla. Como resultado, el fluído ya no ocupa 100% del voluman ni representa100% de la densidad sino un porcentaje. Ya que la arena y el fluído tienen densidades diferentes,se usa el porcentaje de cada uno para deteminar la densidad de 1 galón de la mezcla.


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Ejemplo:

¿Cuál es la presión hidrostática de 1500 pies de fluído para fracturas de 9.0 lbs/gal con 3.0 lb/galde arena?

Peso de lodo = [ 9.0 lb/gal fluído + 3.0 lb/gal arena ] 1 + [ .0456 x 3.0 lb/gal arena ]

= 12.01 + .1368

= 12.0 1.1368.

= 10.6 lb/gal

Presión hidrostática= 10.6 x 1500.0 x .052= 826.8 psi

Calcular la presión hidrostática al fondo de 6000 pies de tubería llena hasta la superficie confluído para fracturar de 9.5 lb/gal con 9.5 lb de arena por galón de fluído.


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CÁLCULO DE PRESIÓN DIFERENCIAL

Ud. es el operador de herramientas en el pozo indicado a laderecha.Se presenta la siguiente situación:

Herramienta de cementación asentada a 8500 piescon tubería 2-7/8” 6.5# EUE

Espacio anular lleno de salmuera 9.2 lb/galCemento (16.5 lb/gal) seguido por5 barriles de agua dulceHay que desasentar la herramienta y

circular el cemento en reversa.

¿Qué presión hay que aplicar al revestidor paraevitar que fluya el cemento alrededor de la herramienta?

de las Tablas de Ingeniería:Tubería 2-7/8” 6.5#: 172.8 pies lineales / barril

Calcular gradientes de fluído:Agua dulce = 0.433 psi/pieSalmuera = 9.2 x 0.052 = 0.478 psi/pieCemento = 16.5 x 0.052 = 0.858 psi/pie

Calcular las alturas de fluído:Comenzando en la herramienta

Cemento = 3 x 172.8 = 518.4 piesAgua dulce = 5 x 172.8 = 864.0 piesSalmuera = 8500 – 518.4 – 864.0 = 7117.6 pies

Calcular la presión hidrostática en la herramienta:Tubería:

Cemento: (518.4 x 0.858) = 444.8 psiAgua dulce: (864.0 x 0.433) = 374.1 psiSalmuera: (7117.6 x 0.478) = 3402.2 psiTotal en la Tubería = 4221 psi

Revestidor:Salmuera: (8500 x 0.478) = 4063 psi

Diferencia de presión en la herramienta = 4221 – 4063= 158 psi a favor de la tubería.

Esto quiere decir que al soltar la herramienta y retirar lasarta de trabajo, el cemento fluirá desde la tubería hasta elespacio anular del revestidor a menos que se aplica o se aguanta158 psi al revestidor.

C em ent:3 B bl in Tubing

Fresh W aterbehind Cem ent

S alt W ater inA nnulus & aboveFresh W ater inTubing

Salmuera en el espacioanular, agua dulce enla tubería

Agua dulce después

del cemento

Cementode 3 Bbl

enTubería


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PRESIÓN DIFERENCIAL DE TUBERÍA / REVESTIDOR

La presión diferencial es la diferencia entre las presiones que actúansobre un área. Se calcula restando la presión a un lado de la superficiede la presión del otro lado.

Presión diferencial = presión total A - presión total B

Un exceso de presión diferencial causará una falla delproducto tubular o en las herramientas de subsuelo.

Cuando se calculan las presiones diferenciales esimportante especificar el sentido en que actúan laspresiones. Según el lado que soporta la diferencia depresión, el resultado final será la rotura o el colapso de latubería.

Las presiones de rotura y colapso están disponiblesen las Tablas de Ingeniería. Los datos en el manual estánbasados en el límite de elasticidad según A.P.I. (AmericanPetroleum Institute). La clasificación A.P.I. de tubería yrevestidor no incluye factores de seguridad, por tanto seusa un factor de cálculo de 0.875.

El cálculo A.P.I. para la rotura o el colapso estábasado en el espesor de pared nominal, obtenido restandoel D.I. nominal del D.E. nominal y usando el factor de cálculo de 0.875para compensar las variaciones en el espesor de pared de la tubería. Lastablas de dimensiones de revestidores A.P.I. muestran las variaciones enlas dimensiones para los revestidores. Por ejemplo, para el revestidor de5-1/2 pulg, 15.5 lb/pie:

D.E. máximo = 5.555 pulg.D.E. mínimo = 5.473 pulg.D.I. nominal = 4.950 pulg.D.I. mínimo = 4.923 pulg.D.I. máximo = 5.074 pulg.

Debido a estas variaciones en las dimensiones, a veces haysituaciones en que se haya aplicado presión superior a las presionesmínimas señaladas por A.P.I. sin ningún daño a la tubería.

ACUÉRDESE QUE LOS VALORES A.P.I. SON MÍNIMOS SOLAMENTE.

Cuando se usan las Tablas de Ingeniería como referencia, laspresiones están indicadas como presión de colapso (collapse pressure) ypresión de rotura (internal yield pressure). Las clasificaciones de presiónestán basadas en los cálculos de A.P.I. para cada grado de acero.

TUBERIA

TUBERIA

REVESTIDORES


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PRESIÓN APLICADA

La presión aplicada es cualquier presión aplicada a un sistema.Típicamente el sistema consiste en el pozo y la presión es aplicadapor una bomba o la formación. Cualquier presión aplicada afectatodo el pozo de manera igual en la ausencia de algún sistema deaislamiento (o sea un obturador).

Por ejemplo, si se aplica 500 psi en la superficie en un pozo de10,000 pies lleno de fluído, la presión en el fondo del pozo seaumentaría en 500 psi, al igual que la presión a una profundidad de4000 pies. Esto es porque los líquidos son prácticamenteincompresibles, y un fluído incompresible no cambiará devolúmen al aplicarse una presión. Cuando se bombea unlíquido, cada elemento de volúmen empuja contra elvolúmen adyacente y el proceso se repite hasta que lapresión aplicada afecte el sistema de fluído total.

Cuando el fluído bombeado está en movimiento, lapresión aplicada en la superficie es mayor que la presiónaplicada en el fondo del pozo, porque se genera fricciónentre el fluído y la superficie interna de la tubería.

Al aumentarse el flujo de fluído, también aumenta lafricción entre el fluído y la superficie de la tubería. Labomba en la superficie no solamente causa que semueva el fluído sino debe generar suficiente fuerza parasuperar la fricción total del sistema. La pérdida depresión aplicada debido a la fricción de los fluídos enmovimiento se denomina la pérdida de presión debido africción.

Esta pérdida o reducción de presión depende del fluídobombeado, su temperatura, el flujo y el diámetro interior de la tubería.Acuérdese que ocurre una pérdida de presión debido a fricciónsolamente cuando el fluído está moviendo. Si ocurre una obstrucción(por ejemplo, al llenarse de arena las perforaciones durante untrabajo de fractura) la pérdida de presión se reduce a cero y lapresión aplicada en la superficie también se aplica en su totalidad enel fondo del pozo. Por esta razón, normalmente se puede omitir la

La presión aplicada escualquier presión

aplicada a un sistema.

WELLHEAD GAUGEPUMP GAUGE

PUMP LINE

CASING

TUBING

REVESTIDOR

TUBERIA

VALVULA DE PRESION

LINEA DEPRESION

VALVULA DELPOZO


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pérdida de presión debido a fricción de los cálculos para obtener undiseño para el peor de los casos.

También puede haber presión aplicada debido a la presión de laformación o presión en el cabezal del pozo. Durante la fase deproducción de un pozo, la formación crea una presión dentro delpozo y hay que considerar esta presión durante la instalación de lasherramientas de subsuelo. En ciertas situaciones la presión del pozopuede causar que se exceda la capacidad de una herramienta.

Las pérdidas debido a fricción también están presentes en todopozo en producción. Mientras que el fluído sube por la tubería, segenera fricción entre el fluído y la superficie interna de la tubería. Lafricción producida durante la producción depende del tipo de fluídoproducido, la temperatura, el flujo de producción y el tamaño de latubería de producción.

PRESIÓN TOTAL

La presión total es la suma de la presión hidrostática y la presiónaplicada en cualquier punto del sistema. La combinación de estasdos puede ocasionar una falla en el sistema.

Como se indicó anteriormente, generalmente es más seguroconsiderar que la presión aplicada es igual en todos los puntos y noha sido reducido por pérdidas de presión.

La presión total es lasuma de la presión

hidrostática y lapresión aplicada.


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CLASIFICACIÓN DE PRESIÓN PARA LOS COMPONENTES DE LOS OBTURADORES

Se pueden obtener las clasificaciones de presión para los compontes de los obturadores delgrupo de Ingeniería. Cada componente tiene una clasificación de presión diferencial. La clasificaciónde un componente particular no puede ser menos que la clasificación de presión máxima para laherramienta. Los cálculos que son realizados fácilmente para todos los componentes están basadosen las especificaciones tales como grado de material, espesor de pared, áreas afectadas, etc.

Por ejemplo, cada herramienta puede tener una clasificación de presión de rotura y de colapsodiferente para el mandril de soporte de los elementos de empaque. Dos diferentes obturadorespueden tener diferentes clasificaciones de presión para un solo componente aún cuando estándiseñados para el mismo tamaño de revestidor.

No se debe presumir que las clasificaciones de los fabricantes diferentes sean lasmismas. Si la información que Ud. necesita no está disponible, consultar la literatura técnicadel fabricante o su representante o consultar con Ingeniería.

PRESIÓN DIFERENCIAL A TRAVÉS DE LOS ELEMENTOS DE EMPAQUE

No es fácil calcular las clasificaciones de presión diferencial para los elementos de sello en losobturadores. Estas clasificaciones están basadas principalmente en pruebas realizadas yexperiencia adquirida. Los procedimientos de prueba involucran variables tales como temperatura,composición del material del elemento, medio ambiente donde será usado el elemento, etc. Lasfuentes de información principales son el grupo de Ingeniería y los proveedores dentro de la industriade goma.

Repetimos que no se puede confiar en que todos los parámetros de sello usados portodos los fabricantes sean los mismos.

Normalmente, si un obturador no cumple satisfactoriamente una prueba de presión, lo primeroque se supone es que los elementos de sello no están aguantando la presión. Esto no siempre esel caso. Si no se han dañado los elementos durante la corrida, entonces se necesita una presióndiferencial significativa para dañar el elemento hasta fallarse.

En las situaciones en que se presenta una pequeña pérdida de presión durante una prueba,hay que considerar la posibilidad de que exista una fuga en la tubería, la bomba u otro componentedel sistema.

El uso de los procedimientos de corrida adecuados y la selección de los elementos de empaquecorrectos reducirá y/o eliminará daños a los elementos y optimizará el uso del obturador.


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RESISTENCIA DE MATERIALES

La resistencia a la tensión de cualquier tubería o revestidor está basada en el grado de material delcual se fabricó la tubería y la sección transversal del material.

La designación del grado A.P.I. especifica el proceso de manufactura, la composición química y laspropiedades mecánicas necesarias para cumplir con una especificación determinada. Estasespecificaciones están delineadas en la norma A.P.I. Spec 5CT. Algunos ejemplos de lasdesignaciones A.P.I. para tubería son: J-55, N-80 y L-80.

La letra en la especificación del grado de tubería A.P.I. señala la composición química o lacombinación de elementos del cual está compuesta la tubería. Típicamente están presentes el hierro,el carbono, el manganeso, el fósforo y el azufre. Además, los elementos molibdeno, cromo, níquel ycobre pueden formar parte de la aleación. Al variar la composición de las aleaciones y seleccionar unproceso de manufactura (especialmente el tratamiento térmico del acero) el fabricante puede produciruna variedad de grados de acero A.P.I. Esta variedad permite la selección y uso apropiado del aceropara una variedad de ambientes y condiciones de carga.

El número en la especificación del grado de tubería A.P.I. identifica el límite elástico mínimo enlibras por pulgada cuadrada. El límite elástico es el punto a partir del cual ocurre la deformaciónpermanente del material. Al deformarse permanente el acero, se pierde la memoria y el componenteno regresará a su forma original.

El número 55 en la designación A.P.I. J-55 es una abreviación para 55,000 libras por pulgadacuadrada (379,200 kPa). La fuerza mínima para deformar permanentemente una pulgada cuadrada dematerial J-55 es 55,000 libras.

La norma API establece un rango aceptable para el límite elástico de cada grado de mate-rial. También se especifica un valor mínimo para la resistencia a la tracción (también conocidocomo la última resistencia), al cual se rompe el material. Por ejemplo, el grado L-80 requiere unlímite elástico entre 80,000 y 95,000 psi (551,600 a 655,025 kPa). La mínima resistencia a latracción de 95,000 psi (655,025 kPa).

Aunque los materiales N-80 y L-80 tienen la misma resistencia mínima, la composición químicadel material L-80 lo deja más blando y más adecuado para usarse en un ambiente de servicioamargo.

SE DEBE RECORDAR QUE EL LÍMITE ELÁSTICO ES EL PUNTO AL CUAL COMIENZA LADEFORMACIÓN PERMANENTE DEL MATERIAL. LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN ESEL PUNTO EN QUE SE ROMPE EL MATERIAL.

Se usa el siguiente procedimiento para calcular la fuerza de los elementos tubulares:

1. Determine el área de la sección transversal del material.AS = (D.E.2 – D.I.2) x 0.7854

2. Multiplique el área transversal por el límite elástico en psi (libras por pulgada cuadrada)para determinar la resistencia del material en libras.


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PRODUCTOS TUBULARES – DATOS DE ELONGACIÓN

Comunmente hay que determinar la extensión o elongación de los materiales tubulares en los pozospetroleros debida a la aplicación de fuerzas de tracción. Robert Hooke (1635-1702) descubrió la Ley deHooke que dice que la deformación o distorción es proporcional al esfuerzo o la fuerza siempre que nose haya excedido el límite elástico del material. El límite elástico es la deformación o distorción quecausaría la deformación permanente.

La extensión causada por la aplicación de tracción varia de acuerdo con la magnitud de la fuerzaaplicada, la longitud de la sarta de tubería, la elasticidad del material y el área transversal.Comunmente se expresa la Ley de Hooke como sigue:

∆L = (F x L) ÷ (AS x E)

donde: ∆L = deformación líneal (pulg)F = fuerza de tracción (lb)L = longitud o profundidad (pulg)A

S = Area de la sección transversal de la tubería (pulg²)

E = Módulo de elasticidad (psi)

Nota: Hay una noción equivocada que la deformación varía según el grado de acero (J-55, P-105, etc.).Todos los grados de acero tiene esencialmente el mismo módulo de elasticidad, aunque algunos tienenlímites elásticos más altas y resisten así la deformación permanente.

Ejemplo:Determinar la extension causada por un fuerza de 30,000 libras ejercida en 7000 pies de tubería de 2-7/8” 6.40 lb/pie.

Encontramos de las tablas de ingeniería que el DI de la tubería es 2.441.A

S= (2.875² - 2.441²) x 0.7854= 1.812 pulg²

Extensión = 30.000 x 7000 x 121.812 x 30 x 106

= 46.36 pulgadas

Algunas tablas de ingeniería contienen un valor conocido como el constante de estiramiento. Esteconstante se aplica a la tubería de un tamaño y peso determinado y se supone que la tubería tiene unmódulo de elasticidad igual al acero. (Todos los aceros al carbono tiene el mismo módulo deelasticidad). Para obtener la deformación usando este constante, la formula es:


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∆L = F x L x S.C.Donde:

∆L = diferencia de longitud (pulg)F = Fuerza de tracción (1000 lb)L = Longitud (1000 pies)S.C. = “Stretch Constant” (constante de estiramiento)

Nota: Los constantes de estiramiento normalmente están presentados en unidades de pulgadas deextensión por cada mil pies de tensión por cada mil pies de tubería.

Determinación del Punto Libre

El punto libre, que es el punto a partir del cual la tubería pegada o anclada puede moverse, se calculamanipulando los variables de la ecuación general de deformación elástica. Cuando se conoce lalongitud de deformación y la fuerza de tracción, podemos cambiar la ecuación como sigue:

L = (∆L x E x AS) ÷ (12 x F)

Donde:L = Longitud de tubería libre (pies)∆L= Deformación linea (pulg)E = Módulo de Elasticidad (psi)A

S= Área transversal (pulg²)

F = Fuerza de tracción (lb)

También se pueden usar los constantes del punto libre (“Free Point Constants” o F.P.C.) para obtenerun estimado del punto libre usando la siguiente formula:

L = ∆L x F.P.C. ÷ FDonde:

F.P.C. = Constante del punto libre (“Free Point Constant”)

Los F.P.C. normalmente se pueden encontrar en las tablas de ingeniería pero también pueden sercalculados.


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ELONGACIÓN Y PUNTO LIBRE

Cálculo de Constantes de Deformación y de Punto LibrePara los tamaños de tubería comunmente usados o no presentes en una gráfica se pueden calcular losconstantes como sigue:

S.C. = 0.4 ÷ AS

F.P.C. = 2500 x AS

Donde:S.C. = Constante de Estiramiento (“Stretch Constant”)F.P.C.= Constante del Punto Libre (“Free Point Constant”)A

S = Área de sección transversal (pulg²)

Nota: Cuando se calcula el punto libre de la tubería pegada o anclada, existen fuerzas de fricción queactúan sobre la tubería que no pueden ser determinadas. Estas fuerzas tienden a producir una longitudlibre calculada más corta que la longitud libre actual. Por esta razón, los cálculos del punto libre sedeben considerar con cierto márgen de error basado en la configuración del pozo.

Ejemplo:Determinar el constante de estiramiento y el constante del punto libre para:

Tubería de 2-3/8” 4.60 lbs/pieTubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pie

2-3/8” 4.60 lb/pie: A

S= (2.375² - 1.995²) x 0.7854

= 1.3036 pulg²

S.C. = 0.4 ÷ AS

= 0.3068

F.P.C. = 2500 x AS

= 3260

2-7/8” 6.40 lb/pie A

S= (2.875² - 2.441²) x 0.785

= 1.812 pulg²

S.C. = 0.4 ÷ AS

= 0.2209

F.P.C. = 2500 x AS

= 4527.75

También se pueden usar estas fórmulas para revestidores y tubería de perforación para los cuales setiene la información dimensional.


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GRÁFICAS DE ESTIRAMIENTO

Las páginas siguientes contienen gráficas de estiramiento para la tubería del peso más común de cadatamaño. Si el peso de tubería varía de estos ejemplos, se deben hacer los cálculos en base a laformula anterior o considerar estas gráficas como un estimado.

Las gráficas están basadas en los siguientes tamaños y pesos de tubería:

1.660” 2.40 lb/pie1.900” 2.90 lb/pie2-1/16” 3.40 lb/pie2-3/8” 4.60 - 4.70 lb/pie2-7/8” 6.40 - 6.50 lb/pie3-1/2” 9.20 lb/pie

Cada gráfica de estiramiento involucra solo tres variables: fuerza de tracción, longitud y extensión. Alconocer dos de los variables, se puede leer el tercero de la gráfica.

Más abajo encontrará una discusión más comprensiva de estas gráficas y sus aplicaciones.

Ejemplo:

Se aplica unos 15,000 lbs de tracción a tubería de 2-3/8” 4.60 lb/pieSe obtiene 37” de extensión.¿Cuál es la longitud de tubería libre en el pozo?

Longitud (L) = (∆L x F.P.C.) ÷ F= (37 x 3260) ÷ 15.0= 8041 pies


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GRÁFICAS DE ELONGACIÓN

Si se está calculando la fuerza ejercida hacia arriba o hacia abajo debido a cambios detemperatura o efectos de “balonamianto”, esta fuerza se puede convertir en elongación (o deelongación a fuerza) usando las gráficas de elongación.

Por ejemplo, se está inyectando fluído frío dentro de tubería de 2-3/8 pulgadas creando unafuerza de contracción de 25,000 libras en la sarta. Además, la presión de inyección crea una fuerzahacia arriba de 7,000 lbs. Estamos a 11,000 pies de profundidad con una fuerza hacia arriba de32,000 libras.

Cuando se busca en la gráfica de elongación para tubería de 2-3/8”, leyendo desde la línea de11,000 pies hasta la intersección con la línea de 32,000 lbs de tensión, observará un valor de 110pulgadas.

Esto quiere decir que la longitud de la tubería será reducida por unas 110 pulgadas. Paracompensarlo, habrá que agregar 110 pulgadas adicionales de tubería en el pozo, o si se estáusando un conjunto de sello tipo localizador, 110 pulgadas de sellos adicionales en el fondo. Estoes para asegurar que la tubería se mantenga aislada durante el tratamiento.

Elongación de Tubería Colgando en el PozoA veces es necesario calcular la elongación de una sarta de tubería colgando en el pozo para

determinar su longitud verdadera. Esto podría ser indispensable para colocar una herramienta enel medio de dos grupos de zonas perforadas.

Las gráficas de elongación indican la elongación si se conoce la fuerza de tensión. En estecaso, la fuerza de tensión varía a lo largo de la sarta. Para determinar la fuerza promedio que actúasobre cada parte de la sarta, se usa el peso promedio de la sarta, es decir, el peso de la tubería(ajustada para la flotación) dividido entre dos. Aplicar esta cantidad a la gráfica de elongación paradeterminar las pulgadas de elongación de la tubería debido a su propio peso.

Top

Bottom

El extremo superior de la sartaestá soportando el peso máximode la tubería

El peso promedio soportadopor la tubería es la mitaddel peso máximo

El peso colgado desde elextremo inferior de latubería es cero.

ARRIBA

ABAJO


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ROSCASLas roscas mecanizadas en la tubería de producción o de

revestimiento tienen su propio límite de tensión, el cual podría sermenor que aquel del cuerpo del tubo limitando así la resistencia a latensión. Se calcula el límite elástico de la rosca en base a lasdimensiones desde la raíz del hilo hasta el diámetro interior de latubería y el límite elástico del material del cual está producida larosca.

Una inspección de una rosca típica para tubería EUE (conextremos recalcados externamente) indica porque larosca tiene la misma resistencia que el cuerpo de latubería. Al mecanizar la rosca en la porción recalcadadel cuerpo, el área de la sección transversal en la raízde la rosca es igual que el área transversal del cuerpo

Las roscas de tubería de producción NUE (conextremos no recalcados) o de tubería de revestimientono se mecanizan sobre una sección recalcada del tubo.Al mecanizar las roscas, se elimina material del cuerpoy el área transversal resultante es menor que el áreatransversal del cuerpo.

Comparamos el límite elástico de la tubería de2-7/8 pulgadas, 6.5 lb/pie, tipos EUE y NUE:

EUE : Resistencia del cuerpo: 99,700 lbsResistencia de la rosca: 99,700 lbs

NUE: Resistencia del cuerpo: 99,700 lbsResistencia de la rosca: 72,600 lbs

La diferencia entre los dos se debe a las dimensiones de larosca.

Cuando se prepara un trabajo o una propuesta de instalación, esimportante tomar en cuenta no sólo a la resistencia mínima de latubería sino la fuerza de las roscas para determinar el factor limitante.

API EXTERNO DE ROSCA DE EXTREMO RECALCADO


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FUERZA

La fuerza es la medición del empuje o del tirón ejercido sobre unobjeto. La fuerza sobre una sarta de tubería o revestidor puede serde tensión o de compresión. Se introduce tensión fijando el fondo dela sarta y aplicando tracción en la superficie. Se debe recordar quela tubería suspendida en el pozo está en tensión a lo largo de suextensión debido a su propio peso. Cada junta debe soportar elpeso de las juntas de tubería abajo de ella. Estas fuerzas en latubería o el revestidor se conocen como los pesos de sarta.

Para calcular el peso de una sarta de tubería, se multiplica elpeso por pie por la longitud.

Por ejemplo: una sarta de revestidor de 4.5 pulgadas tiene unpeso unitario de 11.6 lb/pie. Para determinar el peso en aire de unasarta de 4000 pies de revestidor, se multiplica la longitud de la sartapor su peso unitario.

Peso en aire =11.6 lb/pie x 4000 pies= 46,400 lbs

Al medirlo en el aire, la sarta de tubería de revestimiento pesaría46,400 libras, es decir, ejercería una fuerza de 46,400 libras detensión sobre la junta superior.

El instrumento usado para medir la fuerza sobre la junta superiorde la sarta (comúnmente conocido como el peso de la sarta, o elpeso en el gancho) es el indicador de peso. Este dispositivo indicael peso o la carga soportada por el gancho del equipo. Además dela fuerza correspondiente al peso de la tubería, el peso indicaademás el peso de la polea viajera (o bloque viajero) y el gancho.Para determinar el peso de la sarta hay que restar el peso del equipoviajero del valor total mostrado en el indicador de peso.

String weightcreates force

Peso de tubería

crea fuerza


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Cuando se asienta un obturador o una sarta de tubería entensión, se aplica tracción a la sarta de tubería para generar la fuerzade asentamiento. Al anclar la sarta de tubería en el fondo y aplicarletensión se aumenta la fuerza en la sarta suspendida del gancho. Alaumentarse la tensión en la superficie, también se incrementa lalectura en el indicador de peso.

En cambio, se crea compresión en una sarta de tuberíareduciendo la tensión en la superficie para que el fondo de la tuberíasoporte parte del peso. Una sarta de tubería en compresiónnormalmente no se encuentra en compresión en toda su longitud;más bien está en compresión cerca del fondo, en tensión alacercarse a la superficie y tiene un valor neutral en algún punto en lasarta. Un indicador de peso no muestra directamente la compresiónsino la falta de tensión en la superficie, el cual representa el pesosoportado por el fondo de la sarta.

Para calcular el peso de dos diferentes tamaños de sarta detubería de producción o de revestimiento, se calcula cada tamañopor separado y luego se suman los dos para obtener el peso total dela sarta.

INTÉNTALO

¿Cuál es el peso total de una sarta de 2500 pies de tubería de2-3/8 pulgadas, 4.7 lb/pie y una de 4050 pies de tubería de 2-7/8pulgadas de 6.5 lb/pie?


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FUERZAS RELACIONADAS CON LA PRESIÓNAnteriormente se definió la presión como la fuerza que actúa

sobre una unidad de área, típicamente una pulgada cuadrada o unmetro cuadrado. Hay una relación directa entre la fuerza, la presión yel área, expresada mediante la formula:

F = P x A, dondeF = Fuerza (libras)P = Presión (psi)A = Área (pulg2)

Cuando una presión de 50 psi actúa sobre una área de 10 pulg2

se obtiene una fuerza de 500 libras. Un ejemplo de cómo secombinan los efectos de presión y área para obtener una fuerza esun sistema de subida para un camión de volteo. Para levantar la cajadel camión suficiente para descargarla, hay que superar el peso delmaterial en la caja. El sistema de presión hidráulica en el camióngenera una presión que actúa sobre el área del cilindro de subida,creando una fuerza suficiente para levantar la caja y descargar elcargamento.

Si el peso máximo de la carga a levantarse es 29,000 libras y siel cilindro de subida tiene una área de 24 pulg2, ¿cuál es la presiónnecesaria para subir la caja?

F = P x A29,000 libras = P x 24 pulgadasP = 29,000 libras ÷ 24 pulgadasP = 1208 psi

Para elevar la caja del camión, la presión debe ser mayor que1208.33 psi. Si no, la caja se mantendrá estacionaria.

Cuando se calculan las fuerzas se debe tener en mente e ilustrarla dirección en que actúan las fuerzas para determinar la fuerza neta.En el ejemplo anterior, la fuerza del peso del cargamento es haciaabajo, el cual se indica con una flecha hacia abajo. La fuerza creadapor el sistema hidráulico en el camión actúa hacia arriba. La fuerzaneta que actúa sobre cualquier objeto se determina sumando todaslas fuerzas tomando en cuenta sus direcciones (positivas onegativas). Si la fuerza neta no es cero entonces el objeto tiene quedesplazarse.

2

100

50

psi

0

10 in

500 lbs

pulg2


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FUERZA DE FLOTACIÓN

El efecto de flotación se define como la tendencia a flotar de un objeto sumergido en unfluído. Un objeto flota cuando la presión creada en el fluído actúa sobre el área del objeto. Porejemplo, un bloque de madera flotará si la fuerza de flotacion del agua es superior al peso de lamadera. A medida que el bloque de madera asciende en el agua, el volúmen de madera sobreel agua ya no esta afectado por flotacion y la madera alcanza un punto de balance.

Cuando el objeto sumergido pesa más que la fuerza flotante, el objeto permanecerásumergido pero pesará menos. Tomamos el ejemplo de una piedra grande en el fondo de unlago. Si levantamos la piedra y comenzamos a caminar hacia la orilla, al salirse del agua lapiedra pesa más. El peso de la piedra podría elevarse tanto que no podemos transportarlo.

La fuerza flotante es igual al peso del líquido desplazado por el objeto sumergido. Unapiedra que pesa 164 libras con un volúmen de 1 pie cúbico desplaza 1 pie cúbico de agua dulce,es decir 62 libras. El peso de la piedra en agua dulce sería 164 – 62 libras = 102 libras.

En un pozo petrolero, la sarta de tubería es afectada por la flotación debido al fluído en elpozo. En lugar de calcular el volúmen desplazado por la tubería para determinar la fuerza deflotación, podemos aproximar la fuerza boyante considerando que toda la fuerza está presentesobre el extremo inferior de la tubería empujando sobre el área transversal de la pared. Estafuerza flotante siempre actúa hacia arriba, reduciendo el peso de la sarta y la lectura delindicador de peso.

Para calcular correctamente el efecto de flotación sobre el peso de la tubería en líquido, sedebe calcular primero el peso de la sarta de tubería en aire y después restar la fuerza flotante,para obtener el peso flotante de la sarta de tubería.


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PESANDO EL REVESTIDOR

Para determinar el peso sobre el gancho de diferentes sartas de tubería, no se puedesimplemente multiplicar el peso por pie por la longitud de la sarta. El revestidor pesa menos enfluído que en aire, que es donde se calcula el peso “seco”. La diferenia es la fuerza de flotación, lacual es igual al peso del volúmen de fluído desplazado por el metal del revestidor.

Algunas tablas de ingeniería presentan el desplazamiento del fluído debido al metal en la sartajunto con el fluído desplazado por cada 100 acoples. Aunque este método exacto es técnicamentecorrecto, se puede hacer un estimado bastante preciso para los pozos derechos usando la presiónhidrostática del fluido en el extremo inferior de la tubería actuando sobre el área de sección transversaldel revestidor. En los pozos muy desviados y horizontales hay muchos otros variables que afectanal peso de la sarta, tal como la fricción en área de grandes cambios de ángulo.

Para hacer los cálculos primero se obtiene los diámetros interiores y exteriores del revestidorde las tablas de ingeniería y luego se calcula el área transversal del extremo de la sarta. Despuésse calcula la presión hidrostática de la columna de fluído y se aplica la fuerza resultante en el sentidosuperior para levantar la sarta del pozo.

Zapata GuíaCon una zapata guía, la única área afectada es el área transversal del propio revestidor. La

presión hidrostatíca actúa sobre el extremo inferior empujando hacia arriba, reduciendo así el peso.Todas las fuerzas sobre los componentes dentro de la zapata se cancelan. Para calcular el pesode la tubería, multiplicar el peso unitario (lb/pie) por la profundidad del revestidor y después restar lafuerza de flotación estimada. Se calcula la fuerza de flotación multiplicando el área transversal delrevestidor por la presión hidrostática presente en en la zapata. Si se usan revestidores de diferentespesos (y diámetros internos) se puede calcular el peso para cada sección, pero los cambios en eldiámetro interior afectan la manera de calcular la fuerza de flotación. El método requerido serácubierto más adelante en esta sección.

Zapata FlotadoraCuando se corre una zapata flotadora en el extremo de la sarta del revestidor, ésta no permite

que el fluído del pozo entre al revestidor y la sarta efectivamente está tapada. Se estima el peso derevestidor calculando el área del extremo de la tubería usando solamente el D.E. y luego multiplicandopor la presión hidrostática sobre la zapata. Cualquier fluído dentro del revestidor (a veces el personalen el equipo de perforación llena el revestidor usando una manguera) debe ser tomado en cuentahaciendo un estimado de la cantidad de fluido y luego la presión hidrostática interna (el fluídoadentro del revestidor puede tener una densidad diferente que el fluído externo) y multiplicando porel área interna del revestidor. Cuando se usan diferentes pesos de revestidor, se aplican las mismasreglas que con el ejemplo de la Zapata Guía. Recordar también que la fuerza de flotación no puedeser más que el peso del revestidor en aire; o sea, no puede haber un peso negativo sobre elgancho.


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Equipo de Llenado DiferencialNormalmente cuando se emplea un accesorio de llenado diferencial, el revestidor se llenará

hasta un 90%; con dos accesorios (collar y zapata) un 81%. La práctica general es de calcular elpeso del revestidor después de que el revestidor ha dejado de llenar y se ha cerrado la válvula. Eneste momento se deben hacer los mismos cálculos como el ejemplo de una zapata flotadora con elrevestidor parcialmente lleno. La única diferencia es que hay un estimado más exacto de la alturade la columna de fluído adentro del revestidor y que este fluído es el mismo que el fluído externo.


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Cálculos con Zapatas de Guía:

Observamos el pozo a la derecha:8700 pies de revestidor de 5-1/2” 23 lbs/pieLodo de 12.6 lbs/gal

Ejemplo de cálculo de peso sobre el gancho:

Calcular gradiente de fluído= 12.6 x 0.052= 0.655 psi/pie

Calcular presión hidrostática= 8700 x 0.655= 5698.5 psi

Calcular área del extremo del revestidor= 0.7854 x (5.52 – 4.6702)= 6.630 pulg2

Estimar fuerza de flotación= 5698.5 x 6.630= 37,781 lbs ↑

Calcular peso de revestidor en aire= 23 x 8700= 200,100 lbs ↓

Peso sobre el gancho= 200,100 – 37,781= 162,318 lbs ↓

D rilling M ud12 .6 ppg

G uide S hoe

Lodo de perforación

12.6 lb/gal

Zapata guía


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Cálculos para Zapata Flotadora

Observamos el pozo a la derecha:

4800 pies de revestidor de 7” 20 lbs/pieLodo de 9.2 lbs/gal

Ejemplo de cálculo de peso sobre el gancho:

Calcular gradiente de fluído= 9.2 x 0.052= 0.478 psi/pie

Calcular presión hidrostática= 4800 x 0.478= 2296 psi

Calcular área de extremo del revestidor= 0.7854 x 7.0002

= 38.485 pulg2

Estimar fuerza de flotación= 2296 x 38.485= 88,362 lbs ↑

Peso del revestidor en aire= 20 x 4800= 96,000 lbs ↓

Peso sobre el gancho= 96,000 – 88,362= 7,638 lbs ↓

D rilling M ud9.2 ppg

Floa t S hoe

D rySeco


9.2 ppg

Zapata de flotación


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Cálculos para Llenado Diferencial

Observar el pozo a la derecha:

4800 pies de revestidor de 7” 20 lbs/pieLodo de 10.8 lbs/galZapata de llenado diferencial

Ejemplo de cálculo de peso sobre el gancho:Calcular gradiente de fluído = 10.8 x 0.052

= 0.562 x psi/pie

Calcular profundidad de fluído adentro del revestidor:Usando un solo accesorio de equipo diferencial quieredecir que se llenará 90% del revestidor

Profundidad de fluído en el revestidor= 0.90 x 4800= 4320 pies

Presiones hidrostáticas:Dentro del revestidor = 4320 x 0.562

= 2428 psi

Afuera del revestidor = 4800 x 0.562= 2698 psi

Calcular área de revestidor:Interna = 0.7854 x 6.4562

= 32.735 pulg2

Externa = 0.7854 x 7.0002

= 38.485 pulg2

Calcular peso del revestidor en aire= 4800 x 20= 96,000 lbs ↓

Balancear fuerzas:Dentro del revestidor = 2428 x 32.735

= 79,481lbs ↓Afuera del revestidor = 2698 x 38.485

= 103,833 lbs ↑Peso del revestidor en aire

= 96,000 lbs ↓Peso sobre el gancho

= 96,000 + 79,481 – 103,833= 71,648 lbs ↓


D ifferen tia lF ill S hoe

90% Fill


10.8 ppg

90%

lleno

Zapata de llenadodiferencial


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Cálculo de Más de Un Peso de Revestidor en la Sarta

Usando el ejemplo da la Zapata Guía, modificamos el programade revestidor como sigue:

1500 pies de 5-1/2” 23lb/pie

2500 pies de 5-1/2” 20lb/pie

4700 pies de 5-1/2” 15.50lb/pie

Lodo de 12.6 lbs/gal

Acuérdese: Las sartas de revestidores se leen desde abajo hacia arriba:

Calcular presión hidrostática:

a 4700 pies: = 4700 x 0.655= 3078 psi

a 7200 pies: = 7200 x 0.655= 4716 psi

a 8700 pies: = 8700 x 0.655= 5700 psi

Calcular áreas en los cambios de D.I. de revestidor:

a 4700 pies: = 0.7854 x (4.9502 – 4.7782)= 1.314 pulg2

a 7200 pies: = 0.7854 x (4.7782 – 4.6702)= 0.801 pulg2

a 8700 pies: área de extremo del revestidor:= 0.7854 x (5.52 – 4.6702)= 6.630 pulg2

Calcular las fuerzas que actúan en los cambios de D.I. de revestidor:

a 4700 pies: = 1.314 x 3078= 4044 lbs ↓

a 7200 pies: = 0.801 x 4716= 3776 lbs ↓

a 8700 pies: = 6.630 x 5700= 37,791 lbs ↑

Calcular peso de revestidor en aire:

= (1500 x 23) + (2500 x 20) + (4700 x 15.50)= 34,500 + 50,000 + 72,850= 157,350 lbs ↓

Peso sobre el gancho = 157,350 + 4044 + 3776 – 37,791= 127,379 lbs ↓

7200 ft

8700 ft

4700 ft


G uide S hoe


12.6 ppg

Zapata guía

Pies

Pies

Pies


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Hidráulica Básica

DEFINICIÓN DE “K.B.” [BUJE DE CUADRANTE]

El término “Kelly Bushing” (buje del cuadrante) o “K.B.” es un punto de referencia para lasmediciones de profundidad en un pozo. Al progresarse las operaciones en el pozo: perforación,corrida de registros, terminación y producción, el K.B. proporciona un punto base desde el cual

se toman todas las mediciones de profundidad.

La industria petrolera ha estandarizado los procedimientos de medición para el K.B. Setoma la medida desde la superficie del buje de cuadrante en el equipo de perforación hasta elnivel del suelo o la brida del revestidor de superficie. Ya que el nivel del suelo puede variardurante la vida productiva de un campo, la manera preferida y más exacta es de tomar la medidahasta la brida. Esto se conoce como “K.B. a C.F.” (“casing flange”, brida de revestidor).

El problema se presenta cuando se retira el equipo de perforación del pozo y se monta unequipo de servicio de pozos u otro equipo. Normalmente los equipos de servicio de pozos noson del mismo tamaño que los equipos de perforación y se cambia la altura del piso de trabajo.El punto al cual se toman las medidas cambia y por lo tanto las mediciones de profundidadpueden ser incorrectas a menos que se tome en cuenta y se utiliza correctamente el valor K.B.

Cuando se trabaja con un equipo de servicio las profundidades de asentamiento de lasherramientas son medidas desde la superficie de las cuñas de tubería o el colgador de tubería. Sise asienta la tubería en las cuñas, en los equipos nos proporcionan la altura desde las cuñas hasta

GROUND LE VEL

DRIL LING RIG DRILL ING RIGW ITH CAS ING SET

WEL LHEADINS TALLE D

K ELLY BUSHING

1 4 ft.

6.6 ft.

CASING FLA NG E

BUJE DECUADRANTE

NIVEL DEL SUELO

BRIDA DELREVESTIDOR

TORRE DE PERFORACIONCON EQUIPO DE BRIDA

TORRE DEPERFORACION

POZOINSTALADO


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Hidráulica Básica

la brida del revestidor, expresado como “Cuñas a Brida”.

Cuando se asientan las herramientas y se cuelga la tubería en las cuñas, se toma lamedición original “K.B. a C.F.” y se resta la altura desde las cuñas hasta la brida para obtener ladiferencia del K.B. Para determinar más correctamente las profundidades de asentamiento delas herramientas, sumamos la diferencia del K.B. a las mediciones de tubería y herramientas.

K.B. a C.F. = 13.5 piesCuñas a C.F. (brida) = 6.8 piesDiferencia del K.B. = 6.3 pies

Cuando se asienta un obturador y se asienta la tubería en las cuñas del equipo de serviciode pozos, se suma la diferencia de 6.3 pies a la profundidad indicada en la hoja de cuentas de latubería y la herramienta para determinar correctamente la profundidad de asentamiento delobturador o el fondo de la tubería.

¿Cuál es la profundidad de la tubería si:Diferencia del K.B.= 5.9 piesTally de tubería = 6815 piesTally de herramienta = 16.8 pies

Profundidad de tubería

= 5.9 pies + 6815 pies + 16.8 pies= 6837.7 pies K.B.

Se usa el término “pies K.B.” si se toma en cuenta la altura del K.B. en el cálculo de lasprofundidades de asentamiento.

El ejemplo indicado no toma en cuenta la carrera de asentamiento del obturador ni lacompresión ni la tensión de la tubería, los cuales deben ser consideradas para calcularexactamente las profundidades de asentamiento.


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Si se cuelga la tubería en el colgador de tubería, entonces la medida necesaria es la alturaentre la brida del revestidor y el cabezal de tubería. Se expresa esta altura como:

T.S. a C.F. (cabezal de tubería a brida de revestidor)

Cuando se asientan las herramientas y se cuelga la tubería en el colgador de tubería, semide la profundidad de asentamiento de la tubería y las herramientas como sigue:

Se mide la altura del cabezal de tubería desde la brida del revestidor y se resta esta alturade la medición original “K.B.” Se suma esta diferencia a la tarja para obtener las profundidadesde asentamiento de la tubería y las herramientas.

Ejemplo:

Altura de cab. de tub. = 1.25 piesK.B. a C.F. = 13.5 pies

1. Restamos la altura del cabezal de tubería de la diferencia K.B a C.F. (13.5 – 1.25 pies)para obtener una diferencia de 12.25 pies.

2. Se suma 12.25 pies a la cuenta.

3. También se debería agregar la longitud del colgador de tubería, especialmente cuandose asientan obturadores entre dos zonas.

Este ejemplo no toma en cuenta la carrera de asentamiento del obturador, compresión detubería, etc.

INTÉNTALO

Calcule la profundidad del fondo de una sarta de tubería si la tubería está colgada delcabezal de tubería y se tiene la siguiente información:

K.B. a C.F. = 18.0 piesAltura de cab. de tub. = 1.65 piesTally de tubería = 7410 piesNiple de asentamiento tipo NCR = .775 piesColgador de tubería = 0.75 pies


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HERRAMIENTAS RECUPERABLES

Las situaciones en las páginas anteriores se relacionaban con el cálculo del peso sobre elgancho. Cuando tratamos las herramientas recuperables nos preocupamos con el esfuerzo detracción, el peso y la presión a aplicarse sobre una herramienta.

Para determinar el empuje, la tracción o la presión que se puede aplicar a la herramienta, sólohay que considerar las fuerzas a través de la herramienta en sí. Cuando se corren y se asientan lasherramientas, se supone que están balanceadas; o sea, no existe ninguna presión diferencial através de la herramienta.

Bajo ciertas circunstancias, hay fuerzas aplicadas en el momento de asentamiento de laherramienta. La sarta de tubería es más corta en fluído pesado que en fluído liviano, debido a lafuerza de flotación del fluído más pesado desplazado por el acero de la sarta. Si se desplaza elfluído pesado en la tubería o en el espacio anular después de asentarse el obturador, hay que tomaren cuenta estas fuerzas “acumuladas”. Para entender mejor este punto, hacemos una comparaciónentre la sarta y un resorte largo, que ha sido comprimido por la presión hidrostática actuando sobrela superficie inferior. Cuando se reduce la presión hidrostática, se relaja el resorte hasta que alcanzasu longitud inicial. Por ejemplo, el resorte no sería más largo si se corriera en un pozo lleno de helioa presión atmosférica, a pesar de que el helio pesó menos que el aire. Este tema será cubierto enmás detalle en la sección Movimientos de Tubería de este manual.

Resumimos: al correr una herramienta en un pozo con un fluído liviano, la sarta será más larga.Si el fluído pesara más, la sarta sería más corta. No existe ninguna presión diferencial hasta que seasiente el obturador y haya un cambio en los fluídos, sus pesos o las presiones en el pozo. Cerodiferencial implica cero fuerza; el obturador está balanceado.

Una vez que se asiente el obturador, cualquier cambio ocasionado por el pozo o el operadordebe ser tomado en cuenta y/o balanceado, ya que la herramienta ya no puede moverse librementey habrá una fuerza de resistencia. Ya que las fuerzas en la sarta de tubería están identificadas y seconoce su presencia, hay que incluirlas en los cálculos.

Posiblemente se le ocurrirá agregar el peso de la sarta de tubería a los cálculos. Recordarque sólo nos interesa saber los cambios en la herramienta, y el peso de la tubería ya estaba presenteal asentarla. Es más fácil de suponer que la herramienta esté balanceada cuando fue asentada y loúnico que se necesita es analizar los eventos posteriores. Los hechos subsiguientes normalmenteson los siguientes:

! Aplicación de un valor determinado de tensión o de peso sobre el obturador.! Purga de presión de un área específica. Cualquier presión superior a la presión

hidrostática sostenida al momento de asentar la herramienta, por ej: presión deformación retenida por una válvula o presión de bomba usada para balancear unacolumna de fluído más pesado en el espacio anular.

! Achique o “suabeo”. Eliminación de presión hidrostática de la tubería o del espacio


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anular.! Aplicación de presión sobre un área específica bien sea mediante una bomba o el

pozo. Un ejemplo común es: asentar un obturador, disparar los cañones TCP(Perforación a través de la tubería) e iniciar la producción.

Cuando el peso calculado para asentar la herramienta es menos que la cantidad indicada enel manual técnico, usar el valor más alto. Por ejemplo: si el cálculo indica que se necesitan 5000lbs ↓ para una situación determinada y el manual técnico dice que son 10,000 lbs ↓ , usar el pesomayor. La lógica en el manual técnico es que se requiere una cierta cantidad de fuerza para energizarlos sellos. Algunas condiciones requerirán valores iniciales superiores a los indicados en el manualtécnico, los cuales serán discutidos más adelante en este capítulo.

Acuérdese … Si se está calculando el peso sobre el gancho, o la lectura del indicador depeso, calcular el peso de la sarta en aire y las fuerzas debidas a las presiones y las áreas de lasarta sobre las cuales actúan las presiones. Sumar las fuerzas y direcciones para obtener el pesosobre el gancho.

Cuando se quiere determinar las fuerzas que actúan sobre la herramienta en sí, recordar quela herramienta estuvo balanceada al momento de asentarla y después calcular qué ha pasado conla herramienta desde entonces.

Hay cuatro tipos básicos de herramientas recuperables:! Herramientas que requieren tensión para el asentamiento inicial y también para

permanecer asentadas.! Herramientas que requieren peso para el asentamiento inicial y también para

permanecer asentadas.! Asentamiento neutro, que requieren tensión o compresión para el asentamiento inicial.

Esta energía es retenida en la herramienta mediante algún medio mecánico. Estas herramientas permiten dejar la tubería en tensión, compresión o neutro.

! Asentamiento hidráulico, que requieren una fuerza generada por medios hidráulicospara asentarse, bién sea con presión hidrostática en el pozo o presión aplicada. En lamayoría de estos casos se asientan estos obturadores después de fijar la tubería enposición y por lo tanto las fuerzas de asentamiento son retenidas en la herramientapermitiendo que la tubería permanezca en tensión. Estas herramientas se puedendejar en compresión o neutro manipulando la tubería después del asentamiento.

El manual de cálculos incluye situaciones para cada una de estas herramientas.

En la realidad puede haber dos o más de estas situaciones, durante la misma corrida de laherramienta. Se consideran las combinaciones de situaciones suponiendo que la herramientaestuvo balanceada al asentarse, y luego se calcula los efectos de cada operación en la ordenpresentada. Tener cuidado de no calcular las condiciones iniciales y finales sin considerar lospasos intermedios. Las condiciones intermedias pueden sobrecargar, desasentar o hacer fugar laherramienta, dando resultados falsos.


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OBTURADORES DE TENSIÓN RECUPERABLES DE AGARRE SENCILLO

Existen muchos diferentes tipos de obturadores de tensión, pero ahora vamos a tratar losobturadores de tensión recuperables de agarre sencillo sin compensación de presión. Estosobturadores se asientan y se sellan mediante tensión aplicada a la sarta de tensión.Permanecerán asentados siempre que haya suficiente fuerza de tracción. Cualquier fuerzadebido a presión o temperatura que ejerce una carga de compresión sobre el obturador tenderáa soltarlo. Este tipo de obturador no tiene ningún desvío para permitir la igualización de presióndiferencial antes de librarlo. Normalmente dispone de un mecanismo de liberación tipo corte ocizallamiento, activado mediante un aumento de tensión en la tubería.

Hay tres preguntas básicas respecto a los obturadores de tensión:· ¿Qué fuerza se tiene que aplicar para aguantar una presión anular determinada?· Para una fuerza determinada, ¿Cuál es la máxima presión anular que puede aguantar el

obturador?· Para una fuerza determinada, ¿Hasta qué profundidad se puede achicar?En el primer caso, se busca la fuerza; en el segundo, la presion y en el tercero, la profundidad.

Acuérdese: al momento de asentar la herramienta, las fuerzas a través de la herramientaestán balanceadas. Ud. debe calcular en base a lo que ocurre después de este punto.

¿Qué fuerza hay que aplicar?Ya que la herramienta está balanceada al comenzar, y la intención es de aplicar presión, calcular

primero la fuerza que ejercerá esta presión hacia abajo. Multiplicar la presión por el área anular yaplicar por lo menos esta fuerza hacia arriba. Esta fuerza es además de la usada para asentar laherramienta.

¿Cuánta presión?Primero determinar la fuerza hacia arriba. Dividir este valor entre el área anular de la herramienta

para obtener la presión.

¿Hasta qué profundidad se puede achicar?Primero determinar el área sobre el cual actúa la presión hidrostática abajo de la herramienta.

Dividir este valor entre la fuerza de tracción ejercida sobre la herramienta. El resultado es la presiónhidrostática que se puede remover desde la parte inferior del obturador con la fuerza de tracciónindicada. Convertir la presión hidrostática a profundidad al dividir la presión entre la gradiente defluído (psi/pie) para el fluído extraído. Esto representa la profundidad que se puede achicar antesde que la herramienta comience a mover hacia abajo.

Cuando se circula un fluído de un peso diferente hasta la profundidad de la herramienta, seasienta la herramienta y se purga la presión anular, hay que calcular el efecto de la purga de presióny aplicarlo a los cálculos posteriores. Acuérdese, hay que considerar todas las operacionesrealizadas después de asentar la herramienta.

Si se obtiene un valor de fuerza menos que el valor recomendado para el sello inicial, usar elvalor más alto. Esto le asegurará de tener suficiente tensión para obtener un sello así como pararealizar la operación.


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¿CUÁNTA TENSIÓN HAY QUE APLICAR ALOBTURADOR PARA AGUANTAR LAPRESIÓN?

Obturador de tensión sin compensación de presiónProfundidad 3800 piesRevestidor de 5 ½” 15.50 lbs/pieTubería de 2-3/8” EU 4.70 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/galPresión anular de 1500 psi

Espacio AnularD.I. de revestidor = 19.234 pulg²D.E. de tubería de 2-3/8” = 4.428 pulg²Área anular = 19.234 – 4.428

= 14.806 pulg²

Fuerza hacia abajo = 1500 x 14.806= 22,209 lbs ↓

La presión anular de 1500 psi aplicará una fuerzahacia abajo de 22,209 lbs. Hay que mantener por lomenos esta tensión en la tubería para que el obturadorno deslice hacia abajo.

5-1/2" 15 .5#C as ing

S alt W ater9 .2ppg

P acker@ 3800 ft

2 -3/8" 4 .7#Tub ing

1500 ps i P um pP ressure inA nnulus

Presión de la bombaen el espacio anular

1500 PSI

Salmuera

9.2 lb/gal2-3/8” 4.7#

Tubería

5-12” 15.5#

Revestidor

Obturadora 3800 pies


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¿Cuánta Presión se puede aplicar al Espacio Anular?

Obturador de tensión sin compensación de presiónProfundidad 3500 piesRevestidor de 5-1/2” 15.50 lbs/pieTubería de 2-3/8” EU 4.70 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/gal12,000 lbs↑ - tensión en la herramienta

Espacio AnularD.I. de revestidor = 19.234 pulg²D.E. de tubería de 2-3/8” = 4.428 pulg²Espacio anular = 19.234 – 4.428

= 14.806 pulg²

Presión = 12,000 ÷ 14,806= 810.5 psi

Se puede aplicar hasta 810 psi en el espacio anularsin exceder la fuerza de 12,000 lbs↑ aplicada sobrela herramienta.

5-1 /2 " 1 5 .5 #C as ing

S a lt W ate r9 .2 ppg

P acker@ 3500 ft

2 -3 /8 " 4 .7#Tu b in g

12 ,00 0 lbsP u lle d onP acker

Salmuera9.2 lb/gal

2-3/8” 4.7#

Tubería

5-12” 15.5#

Revestidor

Obturadora 3500pies

12,000 lbs detension en el

obturador


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Limitación de Profundidad para Achique

Obturador de tensión sin compensación de presiónProfundidad de 4300 piesRevestidor de 7” 20 lbs/pieTubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/gal15,000 lbs↑ - de tensión aplicada

D.I. de revestidor = 32.735 pulg²D.I. de tubería = 4.679 pulg²Área debajo del obturador

= 32.735 – 4.679= 28.056 pulg²

Presión hidrostática removida= 15,000 ÷ 28,056= 535 psi

Altura de fluído de 9.2 lb/gal= 535 ÷ (9.2 x 0.052)= 1118 pies

Profundidad de fluído a achicarse = 1118 pies

Se puede achicar el pozo hasta un nivel defluído de de (4300 – 1118) = 3182 pies.

7" 20 # C a s in g

S a lt W a te r9 .2 ppg

P acke r@ 4 300 ft

2 -7 /8 " 6 .4#Tub ing

15 ,000 lbsP u lled onP acke r

Salmuera

9.2 lb/gal

2-7/8” 6.4#Tubería

7” 20#

Revestidor

15,000 lbs detension en el

obturador



58

Hidráulica Básica

CIRCULACIÓN DE UN FLUÍDO DE UNA DENSIDAD DIFERENTE AL OBTURADOR

Consideramos la condición en que se circula un fluído de unpeso diferente al obturador antes de asentarlo. Lo mismo se aplicaal efectuar una operación subsiguiente cuyas consecuencias debenser calculadas y consideradas. Se maneja la eliminación de presiónde una área de manera igual que la aplicación de presión a estamisma área.

El primer paso es de considerar que ocurre cuando se circulaun fluído de una densidad diferente. Se suelta la herramienta y secircula el fluído hasta la herramienta. Si el fluído es de una densidaddiferente, el pozo ahora está desbalanceado y hay que retener presiónen alguno de los lados. Se podría mantener una presión en la tuberíaal circular un fluído más liviano a través de la tubería. Cuando setermina de circular, normalmente se soltaría esta presión.

Cuando se asentó la herramienta, las fuerzas fueronbalanceadas. Al terminar la operación de asentamiento, el sistemase desbalanceó aplicando una presión a la tubería. Al purgar estapresión, se eliminó una fuerza del obturador. Ya que la fuerza fueeliminada, actúa en el sentido contrario. Por ejemplo, si la fuerzaeliminada estaba presente en el espacio anular, representa unafuerza hacia arriba. Si estaba por debajo del obturador, representauna fuerza hacia abajo.

En el ejemplo a la derecha, se mantuvo una presión de 2000psi en la tubería al asentar la herramienta, para no permitir que elfluído fluyera del espacio anular hasta la tubería. Después de asentarla tubería (con 5,000 lbs ↑ ), se purga la presión de 2000 psi de latubería. Con esta operación se elimina una fuerza de (2000 psi X elárea debajo del obturador). Si esta fuerza es más de 15,000 lbs, elobturador fallará en seguida. Si es menos, se ha reducido la presiónque se puede aplicar al espacio anular o la profundidad que puedese achicada.

2000 psiH ydrosta tic

+2000 psi Pum p

Prere

15,000 lbsP ulled onP acker

4000 ps iH ydrosta ticP ressure inA nnu lus

4000 psi dePresión

Hidrostática enel Espacio

Anular

15,000 lbsTensión en el

Obturador

2000 psi dePresión

Hidrostática+

15,000 dePresión de

Bomba


59

Hidráulica Básica

Circulación de Fluídos de Diferentes Pesos con unObturador de Tensión

Obturador de tensión sin compensación de presiónProfundidad de 7200 piesRevestidor de 7” 26 lbs/pieTubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pieAgua salada de 9.6 lbs/gal en el espacio anularAceite de 42° API circulado por la tubería

¿Cuánta tensión se tendrá que aplicar al obturador parapurgar la presión de circulación después de asentar elobturador?

Fluído anular = 0.499 psi/pieFluído en la tubería = 0.354 psi/pieDiferencial = 0.145 psi/piePresión diferencial = 7200 x 0.145

= 1044 psi

Esta presión diferencial se presentacomo presión de bomba que habrá demantenerse al asentar el obturador. Laherramienta está balanceada mientras que seaguante esta presión con la excepción de latensión aplicada a la tubería durante elasentamiento.

D.I. de revestidor = 30.920 pulg²D.I. de tubería = 4.678 pulg²Área debajo del obturador = 30.920 - 4.678

= 26.242 pulg²Fuerza = 1044 x 26.242

= 27,397 lbs -

Si se asienta el obturador y se purga la presión de

sing

r

P a@

2-Tu

il

Salmuera

9.6 ppg

2-7/8”6.4#Tubería

7” 26#

Revestidor


Aceite de 42°

API


60

Hidráulica Básica

ASENTAMIENTO DE OBTURADORES DE TENSIÓN EN POZOSCON BAJOS NIVELES DE FLUÍDO

El objetivo de esta sección es de enseñarle la diferenciaentre la operación de asentar un obturador en un pozo lleno y laadición de fluído después del asentamiento.

Recordar que las fuerzas sobre el obturador estánbalanceadas cuando se asienta el obturador. La longitud de latubería se reduce al exponerse a una fuerza de flotación.Después de asentar el obturador y añadir fluído al pozo, la tuberíaestá fija y su longitud no puede disminuir. Se genera una fuerzaque tiene que ser considerada.

En el ejemplo, se asentó la herramienta con el fluído ‘A’ enel pozo. Ya que la tubería estaba libre para moverse, el obturadorestaba balanceado.

Si se llena el pozo con el fluído ‘B’, se crean fuerzasadicionales sobre el espacio anular y el fondo del obturadordebido al cambio de presión hidrostática sobre estas áreas.

F lu id ’A ’

F lu id ’B ’

fluído B

fluído A


61

Hidráulica Básica

Asentamiento de Obturadores de Tensión en Pozos con BajosNiveles de Fluído

Obturador de tensión sin compensación de presiónRevestidor de 7” 26 lbs/pieAsentado a 7430 piesTubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pieAceite de 42° API a 6360 pies20,000 lbs - de tensión para asentar el obturadorLlenar el pozo con aceite de 42° después de asentar el obturador

¿Qué fuerza existe en la herramienta al llenarse el pozo?

Espacio anularD.I. de revestidor = 30.936 pulg²D.E. de tubería = 6.492 pulg²Área = 24.444 pulg²Presión hidrostática = 6360 x 0.354

= 2251 psiFuerza hacia abajo = 2251 x 24.444

= 55,023 lbs ¯Tubería

D.I. de revestidor = 30.936 pulg²D.I. de tubería = 4.680 pulg²Área = 26.256 pulg²Presión hidrostática = 2251 psiFuerza hacia arriba = 2251 x 26.256

= 59,102 lbs -

Balanceo de Fuerzas= 20,000 lbs - + 59,102 lbs - - 55,023 lbs ̄

Fuerza neta sobre la herramienta = 24,079 lbs -

Nota: Al llenar primero el espacio anular se crearía una fuerzahacia abajo que causaría que fallara el obturador.

7" 26# C as ing

Packer@ 7430 ft

2 -7/8" 6 .4#Tub ing

42 o AP I O il

6360 ft42 o AP I O il

20,000 lbsPu lled onPacker

Aceite de 42° API

7” 26#Revestidor

Aceite de 42° API

Peso de asentamientosobre el obturador

20,000 lbs


6360 pies



62

Hidráulica Básica

OBTURADORES RECUPERABLES DE COMPRESIÓN DE AGARRE SENCILLO

Existen varios tipos de obturador de compresión, pero aquí trataremos de obturadoresrecuperables de compresión de agarre sencillo sin compensación de presión. Estos obturadoresse asientan y sellan con el peso de la tubería. Un obturador de compresión mantiene su sellomientras que haya suficiente fuerza de compresión sobre el obturador. Cualquier fuerza que seoponga a esta carga compresiva trabajará para soltar el obturador. Este tipo de obturador carecede un desvío para permitir que se iguale la presión diferencial a través de la herramienta al soltarla.

Existen tres situaciones básicas cuando se corren las herramientas de compresión o de peso:· ¿Qué peso se requiere sobre el obturador para aguantar una presión determinada debajo de la

herramienta?· Con un peso determinado sobre la herramienta, ¿qué presión inferior podrá aguantar?· Con un peso dado y una presión determinada, ¿cuánta presión se necesita en el espacio anular

para retener el obturador?

Al igual que la herramienta de tensión, existe una situación adicional cuando se circula fluídode un peso diferente.

Acuérdese … las fuerzas a través de la herramienta están balanceadas al momento de asentarla herramienta. Calcular los efectos de las operaciones posteriores. Muchas veces se observaráque la herramienta requiere una fuerza adicional para mantenerla en posición.

¿Cuánto peso se requiere?La herramienta está balanceada inicialmente. Se aplicará una presión determinada debajo

del obturador. Multiplicar el área debajo del obturador por la presión a aplicarse. Aplicar este pesosobre la tubería para retener la herramienta en posición.*

¿Cuánta presión inferior puede aguantar el obturador?Usar el peso aplicado para calcular la presión máxima permitida. Dividir la fuerza entre el

área debajo del obturador para obtener la presión máxima debajo de la herramienta.

¿Qué presión se debe aplicar al espacio anular para retener el obturador en posicíón?Conocemos la fuerza de asentamiento (hacia abajo). Calculamos la fuerza hacia arriba

causada por la presión debajo de la herramienta multiplicando el área debajo del obturador por lapresión. Si la fuerza neta es hacia arriba, entonces se necesita presión anular. Dividir el áreaanular entre esta fuerza neta para obtener la presión requerida en el espacio anular para mantenerla herramienta en posición.

Si el peso de asentamiento calculado es menos que el peso recomendado para energizar elsello, se debe usar el valor más alto. Esto le proporcionará suficiente peso para efectuar un sello yrealizar el trabajo.

*Existen limitaciones sobre la cantidad de peso que se puede aplicar a los obturadores. Algunasde los problemas siguientes no se tratan de estas limitaciones sobre todas las secciones de unasarta determinada. Estos ejemplos sólo ilustran los principios del efecto de pistón. En la práctica,se deben acudir a las tablas de aplicación de peso (“slack-off”) para asentar los obturadores de


63

Hidráulica Básica

¿CUANTO PESO SE DEBE APLICAR PARAAGUANTAR LA PRESIÓN?

Obturador de compresión sin compensación de presiónRevestidor de 5-1/2” 15.50 lbs/pieProfundidad de asentamiento 7800 piesTubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/galPresión de tratamiento = 2000 psi

Nota: Se realizará primero el cálculo suponiendo que elobturador de compresión no tuviera cuñas superiores, yaque algunos obturadores tienen un diseño de agarre sencillosin cuñas de retención.

Acuérdese ... el obturador está balanceado al asentarse.

D.I. de revestidor = 19.244 pulg²D.I. de tubería = 4.680 pulg²Área = 14.564 pulg²

Fuerza hacia arriba = 2000 x 14.564= 29,128 lbs ↑

Hay que aplicar un mínimo de 29,128 lbs ↓ para retener elobturador. Observar que las gráficas de aplicación de pesoindican que no es práctico aplicar este peso usando tuberíade 2-7/8”. Por lo tanto hay que usar un obturador con cuñasde retención tales como cuñas superiores. En este caso, lafuerza de 29,128 lbs es transmitida hacia el revestidormediante las cuñas.

5-1/2" 15 .5#C as ing

P acker@ 7800 ft

2 -7/8" 6 .4#Tub ing

S alt W ater9 .2 ppg

2000 ps iT rea tingP ressure

Salmuera 9.2 lb/gal

tubería



Presión de tratamiento

2000 PSI


64

Hidráulica Básica

¿Cuánta Presión puede Aguantar un Obturador de Compresión?

Obturador de compresión de agarre sencilloRevestidor de 4-1/2” 11.60 lbs/pieProfundidad de asentamiento 6900 piesTubería de 2-3/8” 4.70 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/galAplicación de 10,000 lbs ¯ de peso sobre el obturador

Área de D.I. de revestidor = 12.560 pulg²Área de D.I. de tubería = 3.124 pulg²Área diferencial = 9.436 pulg²

Presión = 10,000 ÷ 9.436= 1060 psi

Si la presión es más de 1060 psi, el obturador de agarresencillo se deslizara en el pozo. Si se usa una herramientacon cuñas de retención, la fuerza se transmite a las cuñassuperiores.

4-1 /2" 11 .6#C as ing

P acker@ 6900 ft

2 -3 /8" 4 .7#Tub ing

S a lt W ater9 .2 ppg

10,000 lbsS et-D ow nW eigh t onP acker

Salmuera

9.2 lb/gal


Revestidor


10,000 lbs

Obturador

a 6900 pies


65

Hidráulica Básica

¿Cuánta Presión Anular aguantará el Obturador?

Obturador de compresión de agarre sencilloRevestidor de 4-1/2” 11.60 lbs/pieAsentado a 8000 piesTubería de 2-3/8” 4.70 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/galAplicación de 10,000 lbs ¯ de peso sobre el obturadorPresión de tratamiento = 2800 psi

Área del D.I. del revestidor = 12.566 pulg²Área del D.I. de la tubería = 3.126 pulg²Área diferencial = 9.440 pulg²

Fuerza hacia arriba = 2800 x 9.440= 26,432 lbs -

Balanceo de fuerzas = 26,432 lbs -= 10,000 lbs ¯

Fuerza a balancearse = 16,432 lbs -

Área anular:D.I. de revestidor = 12.566 pulg²D.E. de tubería = 4.430 pulg²Área diferencial = 8.136 pulg²

Presión anular = 16,432 ÷ 8.136= 2020 psi

Se debe aplicar 2020 psi de presión anular pararetener el obturador en posición en esta aplicación.

4-1 /2" 11 .6#C as ing

P acker@ 8000 ft

2 -3 /8" 4 .7#Tub ing

S a lt W a ter9 .2 ppg

10,000 lbsS et-D ow nW eigh t onP acker

2800 ps iT rea tingP ressu re

Salmuera

9.2 lb/gal

2-3/8”4.7#Tubería4-1/2” 11.6#

Revestidor


10,000 lbs

Obturador

a 8000 pies

2800 psi dePresion deTratamiento


66

Hidráulica Básica

CIRCULANDO UN FLUÍDO DE UN PESO DIFERENTE ALOBTURADOR

Consideramos la condición cuando se circula un fluído de unpeso diferente al obturador antes de asentar el obturador. Otravez, se aplica la regla que la herramienta está balanceada alasentarse y hay que considerar toda operación subsiguiente. Elpurgar presión de un área es una de estas operaciones.

Primero, considerar lo que está pasando cuando se circulaun fluído de un peso diferente al obturador. El pozo estádesbalanceado debido a la diferencia de fluídos, el cual significaque hay una presión retenida. Si se circuló un fluído de densidadreducida, hay que mantener presión en la tubería. Si se introdujoun fluído más pesado, hay que mantener la presión en el revestidor.De cualquier manera, se desahogará la presión después deasentar la herramienta.

Las fuerzas sobre el obturador fueron balanceadasantes de asentarlo. Cuando se asentó el obturador, sedesbalancearon las fuerzas debido al peso aplicado. Alliberar la presión, se eliminó una fuerza que actuaba sobreel obturador. Esta fuerza es igual a la presión multiplicadapor el área sobre el cual actúa. Ya que representa una fuerzaeliminada, actúa en el sentido contrario.

En el dibujo, hay que mantener una presión 2000 psi enla tubería cuando se asienta el obturador para evitar el flujodesde el espacio anular hacia la tubería. Después de asentarel obturador con una fuerza de 15,000 lbs ↓ , liberar 2000psi de la tubería. Con esta acción se elimina una fuerza(equivalente a 2000 psi x área bajo el obturador) resultandoen un fuerza equivalente hacia abajo.

15,S eW eP a

2000 ps i

4000 ps iH ydrosta ticP ressure inA nnu lus

4000 psi depresiónhidrostática enel espacio

anular

Peso deasentamientosobre elobturador

15,000 lbs


67

Hidráulica Básica

Circulando un Fluído de un Peso Diferente al Obturador

Obturador de compresión de agarre sencilloRevestidor de 5-1/2” 17 lbs/pieProfundidad de asentamiento 7240 piesTubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/gal en el espacio anularAceite de 28° API circulada por la tuberíaAsentar la herramienta con 16,000 lbs↓Purgar la presión en la tubería

¿Cuales serán las fuerzas sobre un obturador de agarre sencillo?

Gradiente de fluído de agua = 0.478 psi/pieGradiente de fluído de aceite = 0.384 psi/pieDiferencial = 0.094 psi/piePresión de bomba = 0.094 x 7240

= 681 psi

Área interna del revestidor = 18.796 pulg²Área interna de la tubería = 4.680 pulg²Área diferencial = 14.116 pulg²

Fuerza = 681 x 14.116= 9613 lbs ↑

16,000 lbs ↓ aplicadas sobre el obturador 9,613 lbs ↓ creada mediante la liberación

de presión de la tubería

25,613 lbs ↓ Fuerza neta después deliberar la presión

lbsw non

P@

2T

r

2

Salmuera

9.2 lb/gal


5-1/2”17#

Revestidor


16,000 lbs

Obturador

a 7240 pies

Aceite de

28° API


68

Hidráulica Básica

ASENTAMIENTO EN POZOS CON BAJOS NIVELES DEFLUÍDO

Esta explicación es un recordatorio de las condiciones creadaspor un bajo nivel de fluído en el pozo y su posterior llenado despuésde asentar la herramienta.

Las fuerzas que actúan sobre la herramienta están balanceadasal asentarse el obturador. La longitud de la tubería se reduce alexponerse a una fuerza de flotación (hacia arriba). Después deasentar el obturador y agregar fluído, la tubería está fija y no puedecomprimirse para resistir la fuerza hacia arriba. Se deben calcularlas fuerzas generadas en la tubería determinando las presioneshidrostáticas y multiplicándolas por las áreas afectadas.

En este ejemplo, se asentó la herramienta en el pozo con unfluído inicial. En aquel momento la tubería estaba libre para mover sey cualquier efecto de reducción de longitud fue compensado por lafuerza resistente en la tubería.

Un vez que se llenó el pozo con un fluído diferente, se crearonfuerzas adicionales en el revestidor y abajo de la herramienta debidoal cambio de presión hidrostática que actúa sobre estas áreas. Nose puede desplazar la tubería para resistir estos cambios.

F lu id ’A ’

F lu id ’B ’

fluído B

fluído A


69

Hidráulica Básica

Asentamiento de un Obturador de Compresión de AgarreSencillo en un Pozo con Bajo Nivel de Fluído:

Obturador de compresión de agarre sencilloRevestidor de 7” 26 lbs/pieProfundidad de asentamiento 5800 piesTubería de 3-1/2” 9.20 lbs/pieAceite de 42° API a 3599 pies20,000 lbs ↓ aplicadas sobre el obturadorDespues de asentar la herramienta, se llenó el pozo con

aceite de 42°

Espacio anularÁrea interna del revestidor = 30.936 pulg²Área externa de la tubería = 9.621 pulg²Área = 21.315 pulg²Presión hidrostática = 3599 x 0.354


= 27,155 lbs ↓

TuberíaÁrea interna del revestidor = 30.936 pulg²Área interna de la tubería = 7.031 pulg²Área = 23.905 pulg²Presión hidrostática = 1274 psiFuerza hacia arriba = 1274 x 23.905

= 30,455 lbs ↑

Balance de Fuerzas:= 20,000 lbs ↓ peso aplicado= 27,155 lbs ↓ espacio anular= 30,455 lbs ↑ tubería

Fuerza neta = 16,700 lbs ↓

P@

3T

s

n

35

42

Aceite de

42° API

7” 26#Revestidor


3599 pies


Peso de asentamientosobre el obturador20,000 lbs


70

Hidráulica Básica

OBTURADORES CON UNIDADES SELLANTES

Peso en el gancho para liberar la tubería de un obturador con calibre desello cuando la tubería es más grande que el calibre del obturador

El objetivo de éste cálculo es de estimar el peso sobre elgancho o la lectura en el indicador de peso bajo una condiciónneutral del obturador. Primero se calcula el peso de la sarta detubería en aire y después la presión total (la suma de presiónhidrostática y cualquier presión aplicada en la superficie) que actúasobre la sarta de tubería y las áreas respectivas.

El dibujo a la derecha representa un obturador con unidadessellantes con la tubería más grande que el diametro internodelobturador. La presión total en el espacio anular empuja haciaarriba sobre el área “a”, desde el D.E. de la tubería hasta la unidadsellante. La presión que actúa sobre el área “f” entre el calibre delobturador y el D.E. del niple de sello crea fuerzas iguales superiorese inferiores. La presión que actúa sobre la superficie “e” (es decirel obturador asentado en el revestidor) transmite sus fuerzas haciael revestidor y no toma un papel importante en los cálculos de latubería.

Ya que el diámetro interior de la tubería es mayor que eldiámetro de sello del obturador, la presión en la tubería actuaráhacia abajo sobre el área entre el D.I. de la tubería y el calibre delobturador, área “b”. El área “c”, desde la unidad sellante hasta elD.I. del conjunto de sello, está balanceada por el área “d” debajodel obturador los cuales se cancelan de este cálculo. Losresultados son: la presión de la tubería sobre el área “b” contra lapresión en el revestidor sobre el área “a”.

Para realizar los cálculos requeridos se toman los siguientespasos:Espacio anular

Calcular la presión total en el espacio anular a la profundidaddel obturador. Calcular el área desde el D.E. de la tubería hasta eldiámetro de sello del obturador. Multiplicar la presión total por elárea y asignar un sentido hacia arriba a este valor.

TuberíaCalcular la presión total dentro de la tubería a la profundidad

del obturador. Calcular el área desde el D.I. de la tubería hasta el diámetro desello del obturador. Multiplicar la presión total por el área y asignar un sentidohacia abajo a este valor.

Peso sobre el GanchoCalcular el peso de la sarta de tubería en aire y asignar un sentido hacia

abajo a este valor. Sumar esta fuerza a la fuerza hacia abajo en la tubería ydespués restar la fuerza hacia arriba creada por el espacio anular.

a a

ff ee

b b

cc

dee

d


71

Hidráulica Básica

Peso sobre el Gancho para liberar la Tubería cuando la Tuberíaes más Grande que el Calibre del Obturador

Usando el pozo ilustrado a la derecha::Obturador de 4-1/2” con la unidad sellante asentado a 12,500 piesRevestidor de 4-1/2” 15.10 lbs/pieFluído de terminación de 7.8 lbs/gal en el revestidorAgua salada de 9.2 lbs/gal en la tuberíaSellos colocados en tubería 2-7/8” 6.50 lbs/pie grado P-105No hay presión aplicada en la tubería ni en elrevestidor

Observamos el manual técnico para los obturadores concalibres de sello: el calibre del obturador es de 2.390”.De las Tablas de Ingeniería tomamos el D.I. de latubería como 2.441”.

Espacio anularÁrea externa de tubería de 2-7/8” = 6.492 pulg²Área de calibre del obturador = 0.7854 x 2.390 pulg²

= 4.486 pulg²Área “a” = 6.492 - 4.486

= 2.006 pulg²Presión hidrostática = 12,500 x 7.8 x 0.052

= 5070 psiFuerza hacia arriba = 5070 x 2.006

= 10,170 lbs↑Tubería

Área interna de tubería de 2-7/8” = 4.680 pulg²Área de calibre del obturador = 4.486 pulg²Área “b” = 4.680 – 4.486



= 1159 lbs↓Peso sobre el gancho

Peso de la tubería = 12,500 x 6.5= 81,250 lbs ↓

Fuerza del espacio anular = 10,170 lbs ↑Fuerza sobre la tubería = 1,159 lbs ↓Peso sobre el gancho = 81,250 + 1,159 – 10,170

= 72,239 lbs ↓

Esto representa el peso requerido para lograr un punto neutralcon el obturador.

S a lt W ater9 .2 ppg

4-1/2" 15 .1#C asing

P acke r @12 ,500 ft

2 -7 /8" 6 .5#Tub ing

C om ple tion F lu id7.8 ppg

Salmuera

9.2 ppg

2-7/8”6.5#

Tubería

4-1/2” 15.1 #

Revestidor

Fluído determinaciónde 7.8 lbs/gal

Obturador a 12500 pies


72

Hidráulica Básica

Tubería de 2-7/8” con un Obturador con un Calibre de Sellode 2.688”

En esta sección dedicamos especial atención a unacombinación de tubería y obturador cuando el calibre de sello estáentre el D.I. y el D.E. de la tubería.

El D.I. del peso de tubería más común de 2-7/8” es 2.441”, elcual es más pequeño que el calibre de 2.688”. En este caso lapresión en la tubería y en el espacio anular actuará sobre las áreas“a” y “b” para levantar la tubería.

Observar que en el esquemático a la derecha, la presión anularresultará en una fuerza hacia arriba porque el D.E. de la tubería esmás grande que el calibre del obturador.

La presión en la tubería también causará una fuerza haciaarriba porque el D.I. de la tubería es más pequeño que el calibre desello del obturador.

Considerar que las fuerzas debidas a las presiones en la tuberíay en el espacio anular son hacia arriba y se restará la suma deestas del peso de la sarta en aire para obtener el peso sobre elgancho.

a a

b b


73

Hidráulica Básica

Cálculo para Tubería de 2-7/8” y un Obturador con unCalibre de Sello de 2.688”:

Usamos el pozo ilustrado a la derecha:Obturador de 5-1/2” con calibre de selloAsentado a 12,500 piesRevestidor de 5-1/2” 20 lbs/pieFluído de terminación de 7.8 lbs/gal en el espacio anularAgua salada de 9.2 lbs/gal en la tuberíaSellos instalados en tubería de 2-7/8” 6.40 lbs/pieCero presión aplicada por la tubería y el revestidor.

Del manual técnico para los obturadores concalibres de sello, confirmamos que el calibredel obturador es de 2.688” y que el D.I. de latubería es 2.441”.

Espacio anularÁrea externa de tub. de 2-7/8” = 6.492 pulg²Área del calibre del obturador = 0.7854 x 2.688²

= 5.675 pulg²Área “a” = 6.492 – 5.675

= 0.817 pulg²Presión hidrostática = 12,500 x 7.8 x .052


= 4143 lbs ↑Tubería

Área interna de tub. de 2-7/8” = 4.680 pulg²Área del calibre del obturador = 5.675 pulg²Área “b” = 5.675 – 4.680



= 5951 lbs ↑Peso sobre el gancho

Peso de la tubería = 12,500 x 6.4= 80,000 lbs ↓

Fuerza en el espacio anular = 4,143 lbs ↑Fuerza en la tubería = 5,951 lbs ↑Peso sobre el gancho = 80,000 – 4,143 – 5,951

= 69,906 lbs ↓Esto representa el peso requerido para lograr un punto

neutral con el obturador.

S a lt W ate r9 .2 ppg

5-1/2" 20#C as ing

P acker @12,500 ft

2 -7/8" 6 .5#Tubing

C om pletion F lu id7 .8 ppg

Salmuera9.2 ppg

2-7/8”6.5#

Tubería

5-1/2”20#

Revestidor

Obturador a 12500 pies

Fluído determinaciónde 7.8 LPG


74

Hidráulica Básica

Peso en el Gancho para Liberar la Tubería de un Obturadortipo Calibre de Sello cuando la Tubería es más Pequeña queel Calibre del Obturador

El objetivo es de calcular el peso en el gancho cuando la tuberíaestá neutro respecto al obturador. El procedimiento es: calcular el pesode la sarta de tubería en aire y después las presiónes y áreas quecambian el peso indicado en el gancho.

El pozo ilustrado a la derecha indica que el D.E. de la tubería esmás pequeño que el calibre del obturador. La presión en el revestidorempuja hacia abajo sobre el área “a” entre el calibre de sello del obturadorhasta el D.E. de la tubería. Nuevamente, cualquier presión afuera delcalibre de sello del obturador es soportada por el revestidor mediante elobturador y no toma parte en este cálculo.

Ya que el D.I. de la tubería es menos que el calibre del obturador, lapresión adentro de la tubería empuja hacia arriba sobre el área desde elcalibre de sello del obturador hasta el D.I. de la tubería, el área “b”.

Para realizar el cálculo requerido, tomar los siguientes pasos:

Espacio anular

Calcular la presión en el revestidor a la profundidad del obturador.Calcular el área desde el calibre del obturador hasta el D.E. de la tubería.Multiplicar la presión por el área y asignar un sentido hacia abajo a estevalor.

Tubería

Calcular la presión adentro de la tubería a la profundidad delobturador. Calcular el área desde el calibre del obturador hasta el D.E.de la tubería. Multiplicar la presión por el área y asignar un sentido haciaarriba a este valor.

Peso sobre el Gancho

Calcular el peso de la sarta de tubería en aire, y asignar un sentidohacia abajo a este valor. Sumar esta fuerza a la fuerza creada por lapresión anular y restar la fuerza ejercida por la presión en la tubería paraobtener el peso sobre el gancho para condiciones neutrales en elobturador.

aa

b b


75

Hidráulica Básica

Peso en el Gancho para Liberar la Tubería de un Obturador tipoCalibre de Sello cuando la Tubería es más Pequeña que el Calibredel Obturador

Usando el pozo ilustrado a la derecha:4-1/2” Obturador con Calibre de SelloAsentar a 12,500 pies en revestidor de 4-1/2" 13.50 lbs/pieFluído de terminación de 7.8 lbs/gal en el espacio anularAgua salada de 9.2 lbs/gal en la tuberíaSellos instalados en tubería de 2-3/8" 4.70 lbs/pie grado P-105No hay presión aplicada en la tubería ni en el revestidor

Usando el manual técnico para los obturadores concalibre de sello, el diámetro del calibro es de 2.688", y de lastablas de ingeniería el D.I. de la tubería es de 1.995".

Espacio anularÁrea externa de tub. de 2-3/8” = 4.430 pulg²Área de calibre del obturador = 0.7854 x 2.688²

= 5.675 pulg²Área “a” = 5.675 – 4.430



= 6312 lbs ↓

TuberíaÁrea interna de tub. de 2-3/8” = 3.126 pulg²Área de calibre del obturador = 5.675 pulg²Área “b” = 5.675 – 3.126



= 15,243 lbs ↑

Peso sobre el ganchoPeso de la tubería = 12,500 x 4.70

= 58,750 lbs ↓Espacio anular = 6,312 lbs ↓Tubería = 15,243 lbs ↑Peso sobre el gancho = 58,750 + 6,312 – 15,243

= 49,819 lbs ↓

Esto representa el peso indicado para tener una condición neutralen el obturador.

S alt W ater9 .2 ppg

4 -1 /2 " 13 .5#C asing

P acke r @12,500 ft

2 -3 /8 " 4 .7#T ub ing

C om p le tion F lu id7 .8 ppg

Salmuera9.2 ppg


4-1/2”13.5

Revestidor

Obturadora 12500pies



76

Hidráulica Básica

CONJUNTOS DE SELLO

En todos los ejemplos anteriores se calcula el valor señalado en el indicador de peso para lograr unpunto neutro antes de soltar la herramienta. Es importante conocer el peso sobre el gancho cuando seretira el conjunto de sello. Según el tipo de conjunto de sello, el peso sobre el gancho indica las condicionesdel obturador y de la sarta de tubería. Hay básicamente tres diferentes tipos de conjuntos de sello usadosen las terminaciones con obturadores con calibre de sello:

Si se usa un Conjunto de Sellos tipo Espaciador (o de penetración) la tubería puede desplazarselibremente hacia arriba o hacia abajo. Con un conjunto de sello tipo espaciador, el peso sobre el ganchoes la lectura del indicador de peso a un punto neutro. Se ha usado este tipo de conjunto de sello en todoslos ejemplos anteriores de obturadores con calibres de sello.

Un Conjunto de Sello Localizador permite movimiento de la tubería en un solo sentido. Hay un topeNo-Go en el conjunto de sello que descansa sobre el obturador y evita que la tubería se mueva haciaabajo. Se recupera un conjunto de sello tipo localizador levantando la sarta de tubería.

Un Conjunto de Sello tipo Ancla se conecta al obturador y evita movimiento de la tubería en ambasdirecciones. El peso sobre el gancho calculado corresponde al punto neutro del obturador, sin ningunafuerza de tensión ni compresión en la tubería a la profundidad del obturador.


77

Hidráulica Básica

Peso sobre un Conjunto de Sello tipo Localizador para Aguantar Presión

El peso sobre el gancho no es una consideración para esta operación. Las únicas fuerzasconsideradas son las que afectan el conjunto de sello. Ya que no se está calculando el peso sobre elgancho, vamos a suponer que el conjunto de sello estará balanceado al entrar en el obturador, y calculamoslas cargas aplicadas al conjunto de sello a partir de este punto.

Con este tipo de situación, se quiere saber qué peso se debe aplicar sobre el obturador para aguantaruna presión determinada. También se quiere saber la presión que hay que aplicarse al revestidor pararetener el conjunto de sello dentro del obturador. En ciertos casos, se quiere determinar si la aplicación depresión al espacio anular ayuda a mantener el conjunto de sello dentro del obturador o a expulsarlo.

En esta aplicación, la presión en la tubería puede causar una fuerza hacia arriba o hacia abajo,dependiendo en la relación entre el D.I. y el D.E. de la tubería y el diámetro de sello del obturador.

Aplicación de Peso para Retener el Conjunto de Sello en su Lugar

En estos cálculos se supone que el D.I. de la tubería es más pequeño que el calibre del obturador, locual representa el caso normal. De ser así, al aumentar la presión en la tubería aumenta la fuerza quetiende a elevar la tubería. Se calcula la fuerza que resulta de la aplicación de la presión total en la tuberíasobre el área diferencial entre el D.I. de la tubería y el calibre del obturador. Esta fuerza actúa hacia arribay para retener el conjunto de sello en el obturador hay que aplicar un peso de tubería igual a esta fuerza .

Presión en el Espacio Anular para Retener el Conjunto de Sello en su Lugar

Estos cálculos están basados en la suposición de que el D.E. de la tubería es más pequeño que elcalibre del obturador, lo cual es el caso normal. Con la adición de presión anular se obtiene una fuerzahacia abajo que ayuda a mantener el conjunto de sello en el obturador. Calcular la fuerza hacia arribagenerada por la presión total de la tubería abajo del conjunto de sello y restarla del peso aplicado, dejandouna fuerza que actúa hacia arriba. Calcular el área diferencial entre el D.E. de la tubería y el calibre delobturador, y dividirla entre la fuerza hacia arriba. Esto representa la presión anular total necesaria paramantener el conjunto de sello adentro del obturador. Para calcular la presión anular a aplicarse, restar lapresión hidrostática anular de la presión anular total.

Estos cálculos para los conjuntos de sello tipo localizador es muy simplificado y debe usarse solamenteen los pozos de baja presión, poco profundos y de temperatura mediana. Para los pozos profundos, dealta temperatura o de alta presión, se deben realizar cálculos del movimiento de la tubería y aplicarloscuando sea necesario. Se puede encontrar los procedimientos para calcular los movimientos de tuberíaen otra sección de este manual. Si su trabajo involucra un pozo crítico o si Ud. no está seguro de losresultados obtenidos, consultar con su representante de Servicios Técnicos o con Ingeniería.


78

Hidráulica Básica

Cálculo del Peso a Aplicarse sobre los Conjuntos de Sello tipoLocalizador para Aguantar la Presión

Usando el pozo ilustrado a la derecha:Obturador de 7" con calibre de sello asentado a 8500 piesRevestidor de 7" 29 lbs/pieSellos instalados en tubería de 2-7/8" 6.50 lbs/pieFluído de 8.8 lbs/gal en la tubería y en el revestidor

Después de asentar el obturador y localizar los sellos dentro delobturador:

Tratamiento esperado a 5000 psiPresión máxima en el revestidor 1500 psi

¿Cuanto peso se debe aplicar sobre los sellos?

Del manual de los obturadores con calibre de sello, el calibredel obturador es de 3.250" y de las tablas de ingeniería, elD.I. de la tubería es 2.441".

Espacio anularÁrea de calibre del obturador = 8.296 pulg²Área externa de tub. de 2-7/8” = 6.492 pulg²Área = 8.296 – 6.492

= 1.804 pulg²Presión total = 1500 psiFuerza hacia abajo = 1500 x 1.804

= 2706 lbs ↓Tubería

Área de calibre del obturador = 8.296 pulg²Área interna de tub. de 2-7/8” = 4.680 pulg²Área = 8.296 – 4.680

= 3.616 pulg²Presión total = 5000 psiFuerza hacia arriba = 5000 x 3.616

= 18,081 lbs ↑

Fuerza neta en el obturador: = 18,081 - 2,706= 15,375 lbs ↑

Se debe aplicar en peso de 15,375 lbs sobre elobturador para mantener el conjunto de sellos ensu lugar.

7" 29#C asing

P acker@ 8 ,500 ft

2 -7 /8" 6 .5#T ub ing

C om p le tion F lu id8 .8 ppg

F

5000 psiT rea tingP ressu re

Annu lus P ressu re1500 psi


7”29#

Revestidor

Obturadora 8500pies


5000 pside

TratamientoEsperado


79

Hidráulica Básica

TUBERÍA TAPADA

El método más común de tapar la tubería es de correr un tapón en unniple de perfil debajo del obturador. Se aplican los mismo principios deanálisis a la tubería tapada, bien sea por accidente o intencionalmente.Además de la presión en la tubería y el revestidor, también se necesitasaber la presión debajo del obturador, que podría ser presión hidrostática ode la formación.

Los dos esquemáticos a la derecha muestran los casos de tuberíamás pequeña (caso #1) y más grande (caso #2) que el calibre del obturador.Otra vez debemos determinar el peso de la sarta en aire, las presiones enel obturador y las áreas sobre las cuales actúan.

En el esquemático #1, observar que la presión anular actúa sobre elárea entre el calibre del obturador y el D.E. de la tubería, área “a”, empujandohacia abajo. La presión interna de la tubería actúa hacia abajo sobre el D.I.completo de la tubería, área “b”. Las áreas “c” actúan en ambas direccionesy sus efectos se cancelan. La presión atrapada debajo del obturador empujahacia arriba sobre el área completa del calibre del obturador, área “d”.

En el esquemático #2, la presión anular actúa sobre el área entre elcalibre del obturador y el D.E. de la tubería, área “a”, pero crea una fuerzahacia arriba. La presión de la tubería ejerce una fuerza hacia abajo creadapor la presión de la tubería actuando sobre el D.I. completo de la tubería,esta vez sumando las áreas “b” y “c”. La presión debajo del obturadoractúa hacia arriba sobre el área completa del calibre del obturador, área “d”.

El procedimiento para calcular el peso sobre el gancho para dejar la tuberíaen condición neutral sería:

Espacio anularDeterminar las presiones y áreas, multiplicar para obtener la fuerza

resultante y determinar si actúa hacia arriba o hacia abajo.

TuberíaMultiplicar el área adentro de la tubería por la presión de la tubería.

Esta fuerza siempre actúa hacia abajo.

Debajo del obturadorMultiplicar el área del calibre de sello del obturador por la presión

atrapada debajo del obturador. Esta fuerza siempre actúa hacia arriba.

Peso sobre el GanchoCalcular el peso de la sarta en aire, agregar la fuerza debido a la presión

de la tubería, restar la fuerza debida a presión debajo del obturador y modificarla respuesta con los valores calculados para el espacio anular.

aa

d

b

cc

CASO #1

CASO #2

a a

cc

d

b


80

Hidráulica Básica

Cálculo de Liberación de un Obturador Con Tubería Tapada

Tubería Pequeña – Calibre de Sello más Grande:Usando el pozo ilustrado a la derecha:

Obturador de 7" con calibre de sello asentado a 8500 piesRevestidor de 7" 26 lbs/pieAgua salada de 9.2 lbs/gal en el revestidoraceite de 40° API en la tuberíaSellos instalados en tubería de 2-3/8" 4.70 lbs/pie3500 psi debajo del obturador

Usando el manual técnico para los obturadores con calibre de sello,el diámetro del calibro es de 3.250", y de las tablas de ingeniería elD.I. de la tubería es de 1.995".

Espacio anularÁrea del cal. del obturador = 8.296 pulg²Área externa de tub. de 2-3/8” = 4.430 pulg²Área “a” = 8.296 – 4.430

= 3.866 pulg²Presión hidrostática = 8500 x 9.2 x 0.052


= 15,718 lbs ↓Tubería

2-3/8” I.D. area = 3.126 pulg²Presión hidrostática = 8500 x 0.357


= 9,484 lbs ↓Debajo del obturador

Área del calibre del obturador = 8.296 pulg²Fuerza hacia arriba = 3500 x 8.296

= 29,036 lbs ↑Fuerza neta sobre el obturador

Peso de tubería = 8500 x 4.7= 39,950 lbs ↓

Fuerza anular hacia abajo = 15,718 lbs ↓Fuerza de tubería = 9,484 lbs ↓Fuerza debajo del obt. = 29,036 lbs ↑

Fuerza neta = 39,950 + 15,718 + 9,484 – 29,036= 36,116 lbs ↓

El aumento de tensión requerido para dejar la tubería neutral respecto alobturador es de 36,116 lbs.

S a lt W a ter9 .2 ppg

7" 26#C asing

P acker @8,500 ft

2 -3 /8" 4 .7#T ub ing

40 o A P I O il

3500 ps i

Salmuera9.2 ppg

2-3/8”4.7#

Tubería

7”26#

Revestidor


Aceite de

40° API


81

Hidráulica Básica

TAPONES DE OBTURADOR

Un tapón de obturador es un tapón puente pequeño diseñado parausarse en el calibre de un obturador. La presión de arriba actúa hacia abajoy la presión de abajo actúa hacia arriba.

La presión de arriba ejerce una fuerza hacia abajo sobre un área igualal calibre del obturador (el área sellada). Cualquier parte del tapón que seextiende fuera del calibre del obturador está balanceada, ya que se ejercenpresiones iguales sobre las superficies superiores e inferiores.

Para determinar la fuerza hacia arriba o hacia abajo, primero sedeterminan las presiones arriba y debajo del tapón. Multiplicar el área delcalibre de sello del obturador por la presión debajo del tapón para determinarla fuerza hacia arriba. Multiplicar la presión arriba del tapón por está mismaárea para determinar la fuerza hacia abajo. La diferencia indica la fuerzaneta sobre el tapón y su dirección. Acuérdese que algunos tapones seasientan sobre un hombrillo que transfiere la fuerza hacia abajo directamentehacia el obturador.

Para calcular la fuerza requerida para recuperar el tapón, se debecalcular la presión arriba del tapón, hacer un estimado de la presión debajodel tapón y calcular la fuerza neta sobre el tapón. Hay que superar estafuerza más la resistencia de arrastre de los sellos para recuperar el tapón.

Aunque no siempre es posible de obtener un valor exacto para laspresiones de subsuelo, es mejor tener un estimado educado que no tenerinformación alguna.

Si el tapón se corrió recientemente, se puede usar la presión hidrostáticaa la profundidad del tapón como un estimado, especialmente en un pozocon un bajo nivel de fluído. Si el pozo está lleno y existe una posibilidad deflujo de la formación, quizás habrá que pedirle al cliente su estimado de lapresión de fondo.


82

Hidráulica Básica

Cálculos para Tapones de Obturador

Observamos el pozo a la derecha:Obturador de 7” con calibre de sello asentado a 8800 piesRevestidor de 7” 29 lbs/pieRevestidor achicado hasta 5800 piesPresión de fondo = 2650 psiAceite de 40° API en el pozo

Se desea igualar las fuerzas antes de soltar el tapón.

El manual técnico señala que el calibre del obturador tiene undiámetro de 3.250”

Área del calibre de sello = 0.7854 x 3.2502

= 8.296pulg2

Presión hidrostática arriba del tapón:= 0.357 x (8800 – 5800)= 1071 psi

Fuerza hacia abajo = 8.296 x 1071= 8885 lbs ↓

Fuerza hacia arriba = 2650 x 8.296= 21,984 lbs ↑

Fuerza neta sobre el tapón = 21,984 - 8885= 13,099 lbs ↑

Hay que aplicar 13,100 lbs de peso para igualar el tapón.

¿Qué pasa si no se puede aplicar más de 8,000 lbs a laherramienta?

Hay que aumentar la presión arriba de la herramienta para obtener13,100 lbs de fuerza hacia abajo.

= 13,100 ÷ 8,296= 1579 psi

Altura de columna de fluído = 1579 ÷ 0.357= 4423 pies de aceite

Agregar aceite de 40° API para obtener una columna de fluído de unos4423 pies adicionales; o sea, llenar hasta una profundidad de 1377 pies.

7" 29#C asing

P acker@ 8,800 ft

40o A P I O il

2650 ps i

C as ingS wabbedto 5 ,800 ft

7”29#

Revestidor


Aceite de

40° API

Revestidorachicadohasta 5800pies


83

Hidráulica Básica

TAPONES PUENTE RECUPERABLES

Abriendo Válvulas para Igualar la Presión y Liberar el Tapón

Es relativamente fácil calcular las fuerzas que actúan sobre el tapón.La fuerza hacia abajo se calcula multiplicando el área superior del tapón(diámetro interior del revestidor) por la presión que actúa sobre el tapóndesde arriba. La fuerza hacia arriba se obtiene usando la misma áreamultiplicada por la presión debajo del tapón. Se obtiene la fuerza netasobre el tapón restando una fuerza de la otra.

Cuando se recupera un tapón puente el problema es de calcularla fuerza de empuje o de tracción para abrir la válvula e igualar laspresiones presentes en el tapón.

La presión superior no empuja solamente sobre la válvula sinotambién la barra de control. El área se calcula tomando el área externacompleta de la válvula. La presión inferior empuja la barra de controlasí como la válvula, y nuevamente se usa el área externa completa dela válvula.

Las fuerzas se calculan usando el D.E. de la válvula en vez delD.E. del tapón. La fuerza hacia abajo es el área de la válvula multiplicadapor la presión superior, y la fuerza hacia arriba es el área de la válvulamultiplicada por la presión inferior. Se restan estas dos cantidadespara determinar la fuerza de empuje o de tracción.

TAPON PUENTE


84

Hidráulica Básica

Cálculo para Recuperación de Tapon Puente

Observamos el esquemático de pozo a la derecha:Tapón puente de 5-1/2” 13-17 lbs/pieRevestidor de 5-1/2” 15.50 lbs/pieProfundidad de asentamiento 5200 piesAceite de 20° API Oil hasta 2500 pies (0.405 psi/pie)Presión debajo del tapón es de 2850 psi

El manual técnico indica que el diámetro exterior de la válvula es de1.250”.

Área de válvula = 0.7854 x 1.2502

= 1.227 pulg2

Presión superior = 0.405 x (5200 – 2500)= 1094 psi

Balancear fuerzas:Fuerza hacia abajo: = 1.227 x 1094

= 1342 lbs ↓Fuerza hacia arriba: = 1.227 x 2850

= 3497 lbs ↑Fuerza neta: = 3497 - 1342

= 2155 lbs ↑

Esto implica que hay que asentar unas 2155 lbs de peso sobre laherramienta para abrir la válvula e igualar la presión. No debe haberningún problema en hacer llegar este peso a la herramienta. Sinembargo, si la fuerza neta fuera más alta, quizás sería necesario agregarfluído para aumentar la presión hidrostática arriba de la herramienta.

Si hay que aplicar tensión para igualar la presión, consultar elmanual técnico para determinar la tensión máxima permitida para loscabezales de recuperación de pasador sencillo y de pasador doble.

20o A P I O il

5 -1 /2" 15.5#C asing

B ridgeP lug@ 5,200 ft

2850 psi

F lu id Leve l@ 2,500 ft

5-1/2”15.5 #

Revestidor

Aceite de20° API

API Oilhasta2500

pies

Tapon Puentea 5200pies


85

Hidráulica Básica

ANCLAS DE TUBERÍA

El propósito de un ancla de tubería en un pozo bombeado es de aplicartensión inicial a la sarta de tubería y después anclarla a la pared interna delrevestidor. El valor de este tensión adicional debe ser mayor del valorobtenido debido a las cargas de fluído y los aumentos de temperatura. Comoresultado, se aumenta la eficiencia de bombeo y se reduce el desgaste y lafricción.

Sin este pretensionamiento, la tubería tiende a pandearse causandolos siguientes efectos:

· Al pandearse, la tubería roza contra las varillas de succión causandodesgaste y fallas de las varillas y de la tubería

· La fricción causada por el contacto entre varilla y tubería requiere másenergía en la superficie

· La tubería pandeada puede rozar contra el revestidor causandodesgaste adicional

· La acción de pandeo crea desalineación de las varillas con la bombacausando un exceso de desgaste en la bomba

Tensión requerida:La fuerza de tensión requerida para eliminar el pandeo es la tensión

que existe en la sarta de tubería libre, completamente extendida, en la carreradescendiente del pozo siendo bombeado. Se aplica esta tensión anclandoel fondo de la sarta de tubería.

Las tablas provistas en esta sección permiten el cálculo de la elongaciónde la tubería desde la instalación de la tubería hasta que el nivel de fluído hasido bombeado a su nivel de operación.

La elongación de la tubería está causada por tres factores:

· Sarta de tubería llena de fluído caliente· Pérdida de flotación causada por la reducción del nivel de fluído en el

espacio anular durante el bombeo· Peso del fluído adentro de la tubería al cerrarse la válvula fija

Los requisitos de tensión de la tubería calculados usando las tablasincluyen estos tres factores.

Se usa la siguiente formula con las tablas:

FT = F1 + F2 – F3donde:

FT = Tensión total requerida en librasF1 = Resultado de la tabla #1F2 = Resultado de la tabla #2F3 = Resultado de la tabla #3

ANCLA DE TUBERÍA


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Hidráulica Básica

Ancla de Tubería – Cálculos Ejemplos

Usamos el perfil del pozo de muestra para todos los cálculos siguientes:Tamaño de Tubería: 2-3/8” 4.70 lbs/pie EUE J-55Límite Elástico de Tubería: 71,730 lbProfundidad de bomba y ancla: 4000 piesNivel de Fluído al Asentar el Ancla: 3000 piesNivel de Fluído en Operación: 4000 piesTemperatura de fluído en la superficie: 70°FPromedio de Temperatura Anual: 37°FPeso de Sarta de Tubería: 18,800 lbsPeso de Sarta de Varillas: 8,000 lbsTamaño de Émbolo de Bomba: 1-1/2”Peso de Fluído en la Tubería: 6,000 lbs (est.)Valor de Corte del Ancla: 50,000 lbs

Determinación de la TensiónUsando los datos del pozo mencionado anteriormente y las tablas en la página 83:

F1 (de la Tabla #1) = 6300 lbsF2 (de la Tabla #2) = 4050 lbsF3 (de la Tabla #3) = 1220 lbs

FT = 6300 + 4050 – 1220= 9130 lbs

Tensión requerida para eliminar el pandeo = 9130 lbs

Nota: El valor calculado representa la tensión mínima requerida y se supone que los datos del pozosean correctos. Normalmente para dar más seguridad, se recomienda un valor más alto que lo calculado.

Cargas de TuberíaSe debe determinar las cargas máximas de la tubería y compararlas con la resistencia de la sarta

para evitar daños a la tubería.

Carga en la Junta Superior:

FT + Peso de la Sarta = 9130 + 18,800= 27,930 lbs

Carga de la Tubería en el Ancla:

La carga máxima sobre el ancla de tubería ocurre cuando se añade el peso de la sarta de varillas.Este peso no afectará el ancla a menos que sea liberada con las varillas todavía adentro de la sarta detubería.

FT + Peso de Tubería + Peso de Varillas = 9130 + 18,800 + 8,000

= 35,930 lbs

Este valor es inferior a la carga segura de 71,730 lbs para la sarta (71,730 lbs es la resistencia elástica dela sarta de tubería tomada de las Tablas de Ingeniería) y se puede liberar la herramienta normalmente.


87

Hidráulica Básica

Ejemplos de Cálculos para Anclas de Tubería:

Liberación de CizallamientoLas anclas de tubería se suministran con un mecanismo de liberación ajustable. Este mecanismo

es para uso secundario o de seguridad y no se usa a menos que el ancla no puede soltarse normalmente.Normalmente se corren anclas con un valor de corte alto para evitar su liberación accidental o prematura.Si se usa un valor de corte muy alto, puede ser imposible usar el mecanismo de liberación de cizallamientosin dañar la tubería.

Si se retira las varillas, la bomba y la válvula fija del pozo y hay que soltar el ancla usando el mecanismode cizallamiento, se tendrá que aplicar tensión equivalente al peso de la sarta más el valor de corte de laherramienta.

En el caso anterior:Fuerza para liberar el ancla de tubería = Peso de Tubería + Valor de Corte

= 18,800 + 50,000= 68,800 lbs

Cuidado: Estamos a menos de 5% del límite elástico de la tubería.

En el caso de que se retiran las varillas de succión pero la tubería sigue llena de fluído atrapado,ahora se tendrá que aplicar tensión para compensar el peso de la tubería más el valor de corte de laherramienta más el peso de la columna de fluído.

Fuerza para liberar el ancla de tubería = Peso de Tubería + Cizallamiento + Peso de Fluído= 18,800 + 50,000 + 6000= 74,800 lbs

Corremos el riesgo de dañar la tubería aplicando tensión superior a la resistencia de los tubos. Paraesta aplicación, se sugiere usar un valor de corte reducido ya que la tensión requerida es mucho menosque el valor de corte.

En el peor de los casos, no es posible retirar las varillas ni la bomba y la tubería está llena de fluídoatrapado. Ahora debemos sumar el peso de la sarta de varillas a la respuesta presentada anteriormente.

Fuerza para liberar ancla de tubería = 74,800 + 8000= 82,800 lbs

Con esta configuración es inevitable dañar la tubería. Como alternativas se puede usar un valor decorte reducido o una sarta de tubería más fuerte.

Valores de Corte MínimosLas anclas de tubería son enviadas de la fábrica con todos los tornillos de corte instalados (valor de

corte máximo). En el ejemplo anterior, el valor de corte debe reducirse para permitir todas las contingenciasde operación. Si se usa un valor muy bajo, se corre el riesgo de liberación prematura. La tabla siguientecontiene los valores de corte mínimos recomendados. La tabla no considera el tipo de colgador detubería, ya que algunos tipos requieren una tensión superior a FT para su instalación.

F T V a l o r d e c o r t e m n i m o

0 - 1 0 , 0 0 0 # 2 5 , 0 0 0 #

1 0 - 2 0 , 0 0 0 # 3 0 , 0 0 0 #

2 0 - 3 0 , 0 0 0 # 4 0 , 0 0 0 #

3 0 - 4 0 , 0 0 0 # 5 0 , 0 0 0 #


88

Hidráulica Básica

TENSION FORCE CHARTS

ANCLAS DE TUBERÍA GRÁ FICAS DE TENSIÓ N Tuberí a de 2-3/8 Tabla #1 F1 FACTOR DE NIVEL DE FLUIDO EN OPERACIÓ N

1000 610 1550

2000 520 1220 2080 3100

3000 500 1110 1830 2660 3590 4640

4000 480 1060 1700 2430 3250 4140 5130 6300

5000 470 1020 1630 2300 3040 3840 4730 5670 6670 7750

6000 470 1000 1580 2210 2900 3650 4450 5310 7220 7200 8210 9300

7000 460 980 1540 2150 2800 3500 4260 5060 5900 6800 7740 8730 9760 10,850

8000 460 970 1520 2100 2730 3400 4120 4870 5660 6510 7380 8300 9260 10,270 11,310

9000 460 960 1500 2060 2670 3310 4010 4720 5470 6270 7100 7970 8870 9820 10,790

10,000 460 960 1480 2040 2630 3520 3910 4600 5320 6090 6870 7700 8550 9450 10,370

PR

OF

UN

DID

AD

DE

AS

EN

TA

MIE

NT

O D

E B

OM

BA

Y

AN

CL

A, P

IES

(F

eet)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500

NIVEL DE FLUIDO EN OPERACIÓ N (pies)

Tabla #2 F2 - FACTOR DE AUMENTO DE TEMPERATURA °F 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

F2 1350 2700 4050 5400 6750 8100 9450 10,800 12,150 13,500 14,850 16,200 17,550 10,850 20,200

Para obtener F2: Restar el promedio de temperatura anual para la zona de la temperatura del fluido del pozo en al

superficie. Buscar la diferencia en la fila °F. Tomar el factor F2 correspondiente.

Tabla #3 F3 FACTOR DE NIVEL DE FLUIDO INICIAL

1000 180 460

2000 150 360 610 910

3000 150 330 540 780 1060 1370

4000 140 310 500 720 960 1220 1510 1820

5000 140 300 480 680 890 1130 1390 1670 1960 2290

6000 140 290 460 650 850 1070 1310 1560 1830 2130 2430 2740

7000 140 290 450 630 820 1030 1250 1490 1740 2010 2290 2580 2880 3200

8000 140 280 450 620 800 1000 1210 1430 1670 1920 2180 2450 2730 3030 3340 9000 140 280 440 610 780 980 1170 1390 1610 1850 2100 2350 2620 2900 3180

10,000 130 280 430 600 770 960 1150 1350 1570 1800 2030 2270 2530 2790 3060

PR

OF

UN

DID

AD

DE

AS

EN

TA

MIE

NT

O D

E B

OM

BA

Y

AN

CL

A, P

IES

(F

eet)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500

NIVEL DE FLUIDO AL ASENTAR EL ANCLA (pies)


89

Hidráulica Básica

ANCLAS DE TUBERÍA Gráficas de Tensió n Tuberí a de 2-7/8 Tabla #1 F1 FACTOR DE NIVEL DE FLUIDO EN OPERACIÓ N

1000 890 2180

2000 770 1790 3040 4540

3000 730 1630 2670 3890 5270 6800

4000 710 1540 2490 3560 4760 6070 7520 9090

5000 700 1500 2380 3370 4460 5630 6930 8310 9770 11,300

6000 690 1460 2310 3240 4250 5340 6530 7790 9110 10,530 12,040 13,630

7000 680 1440 2250 3150 4110 5130 6240 7410 8640 9960 11,340 12,790 14,320 15,890

8000 680 1420 2210 3080 4000 4980 6030 7130 8300 9520 10,810 12,160 13,580 15,040 16,560

9000 680 1410 2180 3020 3920 4850 5870 6920 8020 9180 10,400 11,680 13,000 14,370 15,800

10,000 670 1400 2160 2980 3850 4760 5630 6740 7800 8910 10,080 11,290 12,550 13,800 15,190

PR

OFU

ND

IDA

D D

E B

OM

BA

Y A

NC

LA D

E

TUB

ER

ÍA (

pie

s)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500

NIVEL DE FLUIDO DE OPERACIÓ N (pies) Tabla #2 F2 - FACTOR DE AUMENTO DE TEMPERATURA

°°°°F 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

F2 1880 3750 5630 7500 9370 11,250 13,100 15,000 16,900 18,800 20,600 22,500 24,400 26,100 28,100 Para obtener F2: Restar la temperatura media anual del área del pozo de la temperatura del fluido del pozo en la



1000 250 630

2000 210 500 850 1260

3000 200 450 740 1080 1470 1910

4000 200 430 690 990 1330 1700 2100 2540

5000 190 410 660 940 1240 1580 1940 2320 2730 3170

6000 190 410 640 900 1180 1500 1830 2170 2550 2940 3360 3800

7000 190 400 630 880 1140 1440 1750 2070 2420 2780 3160 3570 3990 4440

8000 190 390 620 860 1110 1400 1690 1990 2320 2660 3020 3390 3790 4210 4630

9000 190 390 610 840 1090 1360 1640 1930 2240 2560 2900 3260 3630 4020 4420

10,000 190 390 600 830 1070 1330 1600 1880 2180 2490 2810 3150 3500 3870 4250 PR

OFU

ND

IDA

D D

E B

OM

BA

Y A

NC

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E

TUB

ER

˝A (

Pie

s)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500



90

Hidráulica Básica

ANCLA DE TUBERÍA Gráficas de Tensió n Tuberí a de 3-1/2 Tabla #1 F1 FACTOR DE NIVEL DE FLUIDO EN OPERACIÓ N

1000 1323 3367

2000 1142 2645 4509 6733

3000 1082 2405 3968 5772 7815 10100

4000 1052 2285 3697 5291 7064 9018 11152 13467

5000 1034 2212 3535 5002 6613 8369 10268 12313 14501 16834

6000 1022 2164 3427 4809 6312 7936 9679 11543 13527 15631 17855 20201

7000 1013 2130 3349 4672 6098 7626 9258 10993 12831 14772 16816 18963 21213 23567

8000 1007 2104 3292 4569 5937 7395 8943 10581 12310 14123 16037 18036 20125 22304 24574 26934

9000 1002 2084 3246 4489 5811 7214 8697 10260 11904 13627 15431 17314 19278 21322 23446 25650 27935 30300

10000 998 2068 3210 4425 5711 7070 8501 10004 11579 13226 14946 16737 18601 20537 22545 24625 26777 29002

PR

OF.

DE

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ies)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000

NIVEL DE FLUIDO DE OPERACI ÓN (pies) Tabla #2 F2 - FACTOR DE AUMENTO DE TEMPERATURA

°°°°F 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

F2 2680 5362 8043 10724 13405 16086 18767 21448 24129 26810 24491 32171 34852 37533 40214 42895 45576 48257 50938 53619

Para obtener F2: Restar la temperatura media anual del área del pozo de la temperatura del fluido del pozo en la



1000 356 906

2000 307 712 1214 1813

3000 291 642 1068 1554 2104 2719

4000 283 615 995 1424 1901 2427 3002 3625

5000 278 596 952 1346 1780 2253 2754 3314 3903 4531

6000 275 583 922 1295 1699 2136 2605 3107 3641 4208 4806 5438

7000 273 573 902 1258 1641 5053 2492 2959 3454 3976 4527 5105 5710 6344

8000 271 566 886 1230 1598 1991 2407 2848 3313 3803 4317 4855 5417 6004 6615 7250

9000 270 561 874 1208 1564 1942 2341 2762 3204 3668 4154 4661 5189 5739 6311 6905 7520 8156

10000 269 557 864 1191 1537 1903 2288 2693 3117 3560 4023 4505 5007 5528 6069 6529 7208 7807

PR

OF.

DE

BO

M B

A Y

AN

CLA

DE

TU

BE

RÍA

(P

ies)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000


Ludmila Rusakova

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Curso Basico de Hidraulica

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