Simulación y análisis mecánico de perforación con casing …Simulación y análisis mecánico de...
Transcript of Simulación y análisis mecánico de perforación con casing …Simulación y análisis mecánico de...
30 August 2011
Gonzalo Rodriguez Jordan – Santiago Grittini
String Design & Well Technologies - R&D Argentina
Simulación y análisis mecánico de perforación con casing (CWD)
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
230 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Agenda
• Introducción
• Fatiga en tubulares
• Ensayos de fatiga resonante
• Evaluación de fatiga acumulada
• Casos de aplicación
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
330 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Agenda
• Introducción
• Fatiga en tubulares
• Ensayos de fatiga resonante
• Evaluación de fatiga acumulada
• Casos de aplicación
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
430 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Introducción
Reducción de tiempos de perforación
Mitigación de riesgos (asociados a la formación)
Simplifica la Logística de perforación
Motivación (*)
Equipo de Superficie
Sarta de Casing
Herramental de fondo
Partes del
sistema
(*) De acuerdo a los proveedores del servicio.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
530 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Introducción
Análisis de resistencia mecánica: Simulación
Solicitaciones
*Cargas Estáticas
*Cargas Variables
Resistencia
*Estática
*A Fatiga
Al rotar la tubería, al análisis de cargas estáticas y dinámicas se
suma el análisis de daño acumulado por fatiga. Una estimación
realista de las solicitaciones y límites operativos de cada
componente resulta en operaciones optimizadas y mas confiables.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
630 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Agenda
• Introducción
• Fatiga en tubulares
• Ensayos de fatiga resonante
• Evaluación de fatiga acumulada
• Casos de aplicación
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
730 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Definición de fatiga:
La falla por fatiga es un modo de falla asociado a la aplicación
repetida de cargas variables (de una amplitud típicamente por debajo
de la tensión de fluencia del material), la cual genera y/o propaga una
grieta hasta la eventual falla del componente.
Es un fenómeno Local, Progresivo y Acumulativo.
Etapas: Iniciación; Propagación; Falla repentina.
Componentes de las cargas cíclicas:
• Esfuerzos alternantes (stress range)
• Esfuerzo estático medio (mean stress)
Fatiga en Tubulares
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
830 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
• La principal fuente de esfuerzo alternante (de flexión) en operaciones
dentro del pozo son las curvaturas del mismo que flexionan la tubería.
• Otras condiciones que pueden imponer cargas de flexión:
Tortuosidad del pozo; Pandeo de la tubería; Vibraciones; Whirling.
Puede haber Fatiga en pozos verticales
• El esfuerzo medio (Mean Stress) es introducido principalmente por cargas
axiales estáticas, principalmente debidas al peso de la tubería colgando,
WOB aplicado y efectos de flotación.
Fatiga en Tubulares
T
C
Esfuerzo Axial
Alternante
Esfuerzo Axial
Estático (Medio)
C Compresión
T Tracción
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
930 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Fatiga en Tubulares
• Caracterización de la resistencia a fatiga: Curvas S-N
•Obtenidas exclusivamente a traves de ensayos a plena escala y
análisis estadístico de resultados
Log N
Log S
Example BS:7608 class “B” Mean Curve:
C = 2.34x1015
N: Number of cycles to failure
S: Stress Range
m = 4 (curve slope for class “B”)
(No infinite life limit given by Class B curve)
Log N= Log C - m Log S N=CS-m
ID SR [ksi]
N Cycles
1 19.2 295k
2 19.1 237k
3 28.6 110k
4 28.4 135k
i …… ………N
S
C
• Definición BS:7608 Sección 4.2:Curva S-N: “La relación entre la
amplitud del esfuerzo alternante aplicado (stress range) y el número de
ciclos a falla, bajo condición de carga de amplitud constante”
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1030 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Curva S-N de Diseño para uniones:
Se provee a los usuarios finales para el diseño de tuberías. Es el resultado de un análisis
estadístico de datos obtenidos experimentalmente, adoptando una probabilidad de
supervivencia del 97.5%. Se recomienda aplicar Factor de Seguridad dependiendo de las
condiciones de la aplicación cuando se realiza un diseño.
Fatiga en Tubulares
S-N Curve
0
20
40
60
80
100
120
1000 10000 100000 1000000 10000000
Number of Cycles, N
Str
ess R
an
ge
, M
Pa
Experimental average
Low Failure Probability
(i.e. < 0.5 %)
+ Safety Factor
? S-N Design Curve
S-N Curve
0
20
40
60
80
100
120
1000 10000 100000 1000000 10000000
Number of Cycles, N
Str
ess R
an
ge
, M
Pa
Experimental average
Low Failure Probability
(i.e. < 0.5 %)
+ Safety Factor
? S-N Design Curve
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1130 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Normas Aplicables a los tubulares:
•No hay normas específicas para tubos sin costura y uniones roscadas.
•Como referencia se adoptan las siguientes normas y curvas:
–BS 7608 “Fatigue Design and Assestment of Steel Structures”
•S-N Curve Class B – Mean; S-N Curve Class B – Design
–DNV RP C203 “Fatigue Design of Offshore Steel Structures”
•S-N Curve “In Air” - B1 – Design
Fatiga en Tubulares
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1230 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Agenda
• Introducción
• Fatiga en tubulares
• Ensayos de fatiga resonante
• Evaluación de fatiga acumulada
• Casos de aplicación
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1330 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga Resonante
• Objetivo: Simular mediante un ensayo a plena escala las
condiciones operativas de los productos tubulares usados en
aplicaciones donde se presentan cargas variables repetitivas de
flexión, como aplicaciones submarinas y ó donde se rota la tubería.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1430 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga Resonante
• Cargas Aplicadas:
– Estática (Mean Stress): Presión interna
– Alternante (Stress Range): Flexión orbital resonante
Pi
Str
es
s R
an
ge
Str
es
s R
an
ge
Natu
ral
Fre
qu
en
cy
Natu
ral
Fre
qu
en
cy
FrequencyFrequency
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1530 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga ResonanteVista General
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1630 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga Resonante
Corte de falla de unión en lado PIN
• Grieta pasante a través de la pared del tubo.
• Se detecta por caída de presión interna.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1730 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga ResonanteAnálisis de falla: Imágenes de un reporte típico.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1830 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga ResonanteResultados para una conexión, OD, wt y grado.
Las curvas Mean y Design
son tomadas de la norma
BS:7608. La curva Target se
calcula para cada ensayo.
Los puntos son los resultados
de los ensayos.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
1930 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga ResonanteVista de la máquina de fatiga en TenarisTamsa
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2030 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Ensayos de Fatiga ResonanteVista de la máquina de fatiga en TenarisSiderca
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2130 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Agenda
• Introducción
• Fatiga en tubulares
• Ensayos de fatiga resonante
• Evaluación de fatiga acumulada
• Casos de aplicación
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2230 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Evaluación de fatiga acumulada
•Software: Simulación general del operaciones con tuberías rotando:
Perforación, Reaming, Rotación en el fondo, Bajada de tuberías, etc.
Capacidades:
• Determinación de los esfuerzos estáticos (cargas axiales, torsionales y de
flexión) a lo largo de la sarta, en cualquier instante del proceso de perforación,
introducidas por:
Fuerzas de inercia
Fuerzas de flotación en el fluído
Pandeo
Mejora futura: Vibraciones axiales debidas a la interacción
Trépano-Roca y whirling.
• Evaluación de daño por fatiga:
Conteo de ciclos bajo cada condición estática de carga
Evaluación de daño acumulado mediante el uso de curvas
S-N desarrolladas por Tenaris y la aplicación de la regla de
Miner.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2330 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Evaluación de fatiga acumulada
La simulación de la operación basada en datos reales (datos operativos
y curvas S-N), permite optimizar diseños de sarta y hacer análisis de
sensibilidad sobre las distintas variables del sistema.
INPUT
• Operaciones + parámetros operativos.
• Especificación de la sarta (tubería).
• Curvas S-N de las conexiones Tenaris.
TenarisSoftware
• Análisis estático: torque & drag.
• Análisis de fatiga acumulada: estimación de esfuerzos alternantes, conteo de ciclos, y correlación con curvas S-N.
OUTPUT
• Perfiles de cargas estáticas.
• Perfiles de estado tensional.
• Presencia de buckling.
• Daño acumulado por fatiga en cada conexión.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2430 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Agenda
• Introducción
• Fatiga en tubulares
• Ensayos de fatiga resonante
• Evaluación de fatiga acumulada
• Casos de aplicación
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2530 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación•Falla en una columna de 7-5/8" 29.70 ppf L80 TenarisHydril-563 usada para CwD
• Falla por fatiga en conexión a 517 ft MD.
• Se habían perforado con casing solo 320 ft antes de la falla.
• La trayectoria relevada con Gyro survey con una resolución de 10 ft entre
mediciones muestra una curvatura máxima de 9.25°/100 ft a 470 ft MD.
• Secuencia de operaciones descriptas por el cliente:
Se perforó direccionalmente un hoyo de 9 7/8” con perforación convencional y
BHA hasta 7490 ft MD.
Se baja el casing de 7-5/8" 29.70 ppf L80 TenarisHydril-563 hasta 7490 ft.
Se perforan 320 ft con la columna de casing hasta 7835 ft MD.
Se detiene la perforación debido a grandes cantidades de gas en los retornos
de lodo.
Se circula incrementando el peso de lodo rotando y reciprocando el casing
durante mas de 15 horas antes de que este se separe a 517 ft MD.
Se recupera el casing y se corre un Gyro survey con resolución de 10 ft.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2630 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
1
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Mea
sure
d D
epth
Inclination and DLS
Act DLS - MWD
10 ft Gyro DLS
Angle - MWD
7-5
/8" C
asin
g
7-5
/8" C
asin
g
10-3/4"3, 149 ft
7,490 ft
7,835 ft
Conventional drilling to 7,490 ft
Run 7-5/8" CwD String. Jt #177 at
165 ft
CwD to 7,835 ft. Jt #177 parted at 517 ft.
Drilled 320 ft
9-7/8"Open Hole
9-7/8"Cased Hole
10-3/4" casing run in 12-1/4" hole (assumed)10-3/4" 45.50 ppf L80 BTC, ID = 9.950", Special Drift = 9.875" (assumed)10-3/4" coupling OD = 11.750"Hydril 563 Coupling OD = 8.500", Length = 9.250":
Hyd-563
Wellbore Profile vs. Operations Sequence
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2730 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
-10,000 -5,000 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000
De
pth
(ft
)
Stress (psi)
Measured Depth Vs Stresses
AxialStress VME
BendingStress BendingStress w/o BSM
TorsionalStress
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
-10,000 -5,000 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000
De
pth
(ft
)
Stress (psi)
Measured Depth Vs Stresses
AxialStress VME
BendingStress BendingStress w/o BSM
TorsionalStress
DSM Results – MWD Survey DSM Results – Gyro Survey
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2830 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
•En el análisis se determina que en las condiciones descriptas el daño por
fatiga acumulado supera el límite de rotura.
•La suma de operaciones no previstas (se rotó y reciprocó la columna en la
misma posición durante 15 hs) y de un pico de curvatura tampoco previsto
(9.25 °/100ft) cerca de superficie (donde hay mayor esfuerzo estático medio)
derivó en una condición de trabajo inesperadamente exigente para la
conexión, que dió origen a una falla por fatiga.
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
2930 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
Projecto en Papua Nueva Guinea.
• Casing while Drilling desde 6562 ft MD hasta 8859 ft MD
• Sarta de 13 3/8” 72.0# P110 TSH-523
• ROP = 120 ft / hr @ 50 rpm + ROB @ 50 rpm durante 10 horas.
• Se aplicó una tortuosidad virtual equivalente a DLS = 0.3° /100 ft
• Simulación para verificación de diseño propuesto
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
3030 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
MD
[ft
]
DLS [°/100 ft]
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
0.00 2,000.00 4,000.00 6,000.00
TVD
[ft
]
VS [ft]Vertical Section
-100.00
1,900.00
3,900.00
5,900.00
-100.00 1,900.00 3,900.00 5,900.00
N
E
Horizontal Section
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
0 1
Helical Buckling0 = NO ; 1 = YES
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
-250,000 -50,000 150,000 350,000
Axial Loads [lbf]Real ForceEff. ForceCrit. Force
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
0 8,000 16,000 24,000
Torque [ft-lbf]
MD
[ft
]
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
3130 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
-30,000 0 30,000 60,000 90,000 120,000
Pipe Body Stress[psi]
Axial Stress
Bending Stress
Torsional Stress
VME Stress MAX
MYS
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
-30,000 0 30,000 60,000 90,000 120,000
Connection Stress[psi]
Axial Stress
Bending Stress
Torsional Stress
VME Stress MAX
MYS
Simulación y análisis mecánico de perforacióncon casing (CWD)
3230 August 2011G. Rodriguez Jordan
S. Grittini
Casos de Aplicación
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101
106
111
116
121
126
131
136
141
146
151
156
161
166
171
176
181
186
191
196
201
206
211
DLS [
°/10
0ft]
Cum
ulat
ive
Fatig
ue
Connection # from bit
Cumulative Fatigue and DLS at final position
ROB DRILL DLS
Previous Casing Shoe
position