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Universidad central de Venezuela Facultad de ciencias Escuela de Fsica

Facultad de cienciasEscuela de Fsica. Estudio de la influencia de la excentricidad del revestidor sobre el estado de esfuerzos del anillo de cemento en pozos de petrleo y gas

Presentado por: Br. Manuel OropezaTutor Acadmico: Prof. John Mantilla, Dr.Tutor Industrial: Ing. Geralf Pineda, MSc.Caracas, 25 de Julio de 2012PDVSAINTEVEP

1ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS2

MotivacinPlanteamiento del ProblemaAntecedentesObjetivosMarco tericoMetodologaResultadosConclusiones y RecomendacionesContenido7/10/2012 4:49 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

2ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS3Motivacin

Tecnologa SAGDFuente: amoilresources.com

Cambios de TemperaturaCambios de PresinCambios Esfuerzos In Situ

Planteamiento del ProblemaESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS4Fuente: Ciccola V. (2008)4Planteamiento del ProblemaESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS5Integridad Mecnica del CementoAnomalasPrdida de AdherenciaAgrietamiento

5ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS6Planteamiento del ProblemaEn la fase de construccin Movimientos en el revestidor durante la operacin de corrida o bajadaUbicacin deficiente del revestidor en el centro del hoyo

CementoRevestidor

Centralizadores

No ofrecen una concentricidad perfecta

6ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS7Planteamiento del ProblemaLa integridad mecnica del cementoCriterios de diseo del Cemento

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS8AntecedentesBerger y Col.(2004)Singh Ajay y Col.(2009)Agkun y Col.(2004)Salehabadi y Col.(2010)Realizaron un estudio por elementos finitos, para analizar el efecto de cargas no uniformes en la resistencia de colapso del revestidor, siendo uno de los casos de carga considerados la excentricidad en el revestidor.

Espuma de cementoCemento duroExcentricidad (%)Mximo esfuerzo (VMS) psiIncremento (%)Mximo esfuerzo (VMS) psiIncremento (%)053,763064,7230553,880064,73901054,004064,75601554,137164,77303054,596264,83405055,407364,93807056,613564,09919058,581965,32617/10/2012 4:49 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

8AntecedentesESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS9Akgun y Col.(2004)Estimaron la excentricidad en una seccin del revestidor como funcin del ngulo de inclinacin, la tensin aplicada y la profundidad a la que se mide, usando el mtodo de elementos finitos (MEF).

Profundidad (ft)Excentricidad ()Tomado de: Akgun, et al.(2004) SPE 91811

Profundidad (ft)Excentricidad ()Tomado de: Akgun, et al.(2004) SPE 91811A mayor ngulo de inclinacin del hoyo, la excentricidad es mayor siendo crtica para pozos Horizontales = 90La longitud del revestidor no tiene efecto sobre la excentricidadTomado de: Akgun, et al.(2004) SPE 91811

Profundidad (ft)Excentricidad ()El aumento de la fuerza de tensin aplicada, disminuye el grado de excentricidad presenteSingh Ajay y Col.(2009)Estudiaron el efecto de la excentricidad en el revestidor y la rotacin del mismo en la disminucin de la presin en el anular, evaluaron el efecto de varios parmetros geomtricos de los dispositivos de uso comn, la velocidad de flujo y las propiedades reolgicas del fluido en el anular a travs de un modelo computacional de dinmica de fluidos.Los resultados mostrados que la excentricidad disminuye el gradiente de cada de la presin en el anular

Velocidad (m/s)Presin Axial (Pa/m)Tomado de: Singh, et al.(2009) SPE 1241909AntecedentesESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS10Salehabadi y Col.(2010)Estudiaron el efecto de la excentricidad del revestidor en la estabilidad del mismo, analizando un pozo perforado en una formacin en presencia de un gas hidratado.Los resultados de las simulaciones mostraron que cuando se considera la formulacin de cemento con buenas propiedades termoelsticas (alta conductividad trmica), el esfuerzo mximo no aumenta significativamente al aumentar el grado de excentricidad, y en el caso en que se considera un cemento con una conductividad trmica muy baja el esfuerzo aumenta drsticamente con el valor de la excentricidad.

Tomado de: Salehabadi, et al.(2010) SPE 131236ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS11ObjetivosObjetivo generalEvaluar la influencia de la excentricidad del revestidor, a travs de un anlisis paramtrico, sobre el estado de esfuerzos (integridad mecnica) del anillo de cemento, utilizando un modelado numrico por elementos finitos; con la finalidad de incluir dicho parmetro en el proceso de diseo de lechadas de cemento a ser utilizadas en pozos de petrleo y gas.

Objetivos especficosPlantear el modelo fsico asociado al problema de esfuerzos-deformaciones del sistema revestidor-cemento-formacin geolgica, a travs de las ecuaciones de la teora de la elasticidad.Resolver analticamente el problema de esfuerzos-deformaciones del sistema revestidor-cemento-formacin geolgica, para el caso de la existencia de un espacio anular cntrico (=0).Describir los fundamentos del mtodo de los elementos finitos (MEF), como herramienta de solucin aproximada a problemas de ecuaciones diferenciales mediante su implementacin a travs del software de simulacin ABAQUS.Validar el buen funcionamiento del modelo desarrollado en ABAQUS, comparando la solucin analtica obtenida al problema de esfuerzos-deformaciones para el caso de un espacio anular cntrico con las obtenidas a travs del uso del software.

11ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS12Marco Terico12ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS13Cementacin PrimariaEs el proceso que consiste en colocar el cemento en el espacio anular, entre la tubera de revestimiento y la formacin expuesta del agujero, asegurando un sello completo y permanente.

Objetivos de la cementacin primaria:

Proporcionar aislamiento entre las zonas del pozo que contiene agua, petrleo y gas.

2.Soportar el peso de la propia tubera de revestimiento.

3.Reducir el proceso corrosivo de la tubera de revestimiento con los fluidos del pozo y con los fluidos inyectados de estimulacin.

4.Evitar derrumbes en la pared de formaciones no consolidadas.

Lodo desplazadoCentralizadorZapata guaRevestidorCementoBache lavadorBache espaciadorBombeado de cementoTrabajos de cementacin Primaria. Modificado de Nelson B, et al. (2006)7/10/2012 4:49 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

13ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS14Teora de la ElasticidadDurante la vida productiva de un pozo la capa de cemento se ve expuesta a condiciones de esfuerzo que pueden comprometer el aislamiento zonal, siendo los esfuerzos productos de condiciones como:

Variaciones de temperatura

Cambios de presiones internas.

Cambios de esfuerzos in-situ.

Cambios de temperaturaCambios de presin

ElasticidadPropiedad de un cuerpo elstico de sufrir deformaciones reversiblesTeora de la elasticidad

Modificado de Martin, H.Theory of Elasticity pg. 28MS7/10/2012 4:49 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

14ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS15Equilibrio esttico (Operador de Navier)Ecuaciones de equilibrio

Modificado de Martin ,H.(2005)Ecuaciones de Navier en coordenadas Polares7/10/2012 4:49 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

15ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS16Excentricidad del RevestidorSe define como el efecto de no colocacin del revestidor en el centro del hoyo despus de la operacin de corrida o bajada del mismo. la API exige 0,25Para rgimen de fluido = 0,337/10/2012 11:32 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

16ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS17Factor de Concentracin de Esfuerzos (K) La concentracin de esfuerzos se define como la discontinuidad en los esfuerzos que se produce en la seccin transversal de una pieza en la que tiene lugar alguna discontinuidad geomtrica o de la carga aplicada , un cambio de seccin, una carga concentrada, etc. Modificado de:Pilkey, W (2008)La concentracin de esfuerzosEl Factor de concentracin de esfuerzos (K)Ensayos de FotoelasticidadModelos por elementos finitos 2-D y 3-D

7/10/2012 4:50 PM 2007 Microsoft Corporation. Todos los derechos reservados. Microsoft, Windows, Windows Vista y otros nombres de productos son o podran ser marcas registradas o marcas comerciales en los EE.UU. u otros pases.La informacin incluida aqu solo tiene fines informativos y representa la vista actual de Microsoft Corporation a fecha de esta presentacin. Ya que Microsoft debe responder ante los cambios en el mercado, no debe considerarse responsabilidad suya el hecho de garantizar la precisin de la informacin facilitada despus de la fecha de esta presentacin. MICROSOFT NO FACILITA GARANTAS EXPRESAS, IMPLCITAS O ESTATUTORIAS EN RELACIN A LA INFORMACIN CONTENIDA EN ESTA PRESENTACIN.

17Mtodo de Elementos Finitos (MEF) MEFMtodo de anlisis numrico empleado para aproximar soluciones a EDPPara ser usado en computadoras, ya que permite resolver ecuaciones sobre geometras complicadas

MEFPrincipios VariacionalesResiduos PonderadosEstn asociados a la minimizacin de algn funcionalSe aplican directamente sobre la ecuacin diferencial y sus condiciones de contornoSistema FsicoModeloMatemticoModeloDiscretoSolucin DiscretaSolucinIdealizacinDiscretizacinMEFModelado + Discretizacin + ErrorDiscretizacin + Error ErrorESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS18Formulacin VariacionalESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS19Principio de Hamilton: De todos los posibles desplazamientos admisibles que podra seguir el cuerpo, la solucin ms exacta ser aquella que hace que el lagrangeano del sistema sea un mnimo.MatemticamenteConstruccin de las ecuaciones por elementos finitosDiscretizacion del Dominio

Interpolacin de los desplazamientosSeleccin de un sistema de coordenadasConstruccin de las funciones de formaEscrito en el sistema de coordenadas local (en el elemento)Formulacin de las ecuaciones para elementos finitosUna vez conocida la estructura de las funciones de forma MEFEs posible reescribir L como Matriz de RigidezVector de Cargas nodalesCon:Finalmente aplicando la accin sobre el lagrangeanoESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS20Transformacin de coordenadas

Esta operacin permite vincular el vector desplazamiento basado en el sistema de coordenadas local y su anlogo proyectado en el sistema de coordenadas global o general del sistema. sistema de ecuaciones asociado al sistema de coordenadas global ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA EXCENTRICIDAD EN EL REVESTIDOR SOBRE EL ESTADO DE ESFUERZOS DEL ANILLO DE CEMENTO EN POZOS DE PETRLEO Y GAS21MetodologaAspectos TericosRevisin Bibliogrfica

Teora de la elasticidadRevestidores, CementacinExcentricidad Delimitacin del ProblemaLimitacionesAlcance, variables y parmetros a evaluarCriterios de evaluacin de las cantidades fsicasFormulacin del ModeloAnalticamenteNumricamenteResolviendo las Ec. dif asociadas a la condicin de equilibrio esttico para =0Prueba PilotoImplementando el (MEF) para los casos 0