CAÑERIAS PARA LA INDUSTRIA PETROLERA (casing)

PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CAÑERÍAS

Cañería.- Es un segmento cilíndrico hueco compuesto generalmente de acero con una geometría definida por el diámetro y el espesor del cuerpo. El acero es un metal refinado que se obtiene a partir de la fundición de un lingote de hierro, combinado con otros elementos químicos. Los aceros se clasifican de acuerdo a su composición en:

Aceros ordinarios.- cuyos componentes principales son hierro, carbono manganeso, el carbono y el manganeso reunidos no representan más del 1.5% del total del metal.

Aceros especiales.- se hace como ordinarios pero se les agrega níquel, cromo cobre, molibdeno, vanadio y tungsteno.

Las cañerías utilizadas en la industria petrolera deben cumplir con ciertas características geométricas y mecánicas como son:

Geométricas.- diámetro exterior, diámetro interior, espesor.

Mecánicas.- clase, grado, resistencia a la tensión, resistencia a la presión interna, resistencia al colapso, resistencia a la torsión.

La clase de un cañería se refiere al grado de de usabilidad que ha tenido dicha cañería

El grado en una cañería nos indica el tipo de acero que fue construido.

Debido a la importancia que tiene la cañería de acero en la industria petrolera, la fabricación debe contar con características de calidad extrema, acordes a los esfuerzos y riesgos potenciales a los que estará sometida. Existen tres procesos de fabricación de cañerías:

1. construcción sin costura 2. construcción con soldadura eléctrica3. construcción con soldadura eléctrica instantánea (flash)

El proceso más utilizado dentro del ámbito de perforación en cañerías y tuberías con diámetros exteriores 26”, 20” y menores es sin dudad la fabricación de tubería sin costura. El proceso de construcción consta de los siguientes pasos:

1.- Materia prima la materia prima utilizada en la fabricación de tubería es básicamente, un 30% de hierro esponja (hierro natural) y un 70% de chatarra.

2.- Acería es un proceso que consta de tres etapas fusión, afinación y vaciado y su objetivo es la fabricación de los tochos.

Fusión.-La materia prima y ferro aleaciones se calienta hasta alcanzar una temperatura cercana a los 1620ºC, en ese punto el acero se encuentra en estado líquido, la inyección de argón se realiza por la parte inferior de la olla de fusión, con la finalidad de homogenizar la composición química del acero.

Afinación.- despues de realizar el vaciado de al olla de fusion a la olla de afinacion, con precision, se raliza la afinacion del acero mediante la adicion de aleaciones (carbono, cromo, manganeso, niquel, etc.) y asi se obtiene el grado del acero requerido.

Vaciado.- posteriromente, el acero de la olla de afinacion es llevado y vaciado en un distribuidor para obtener la coladacontinua.

3.- Colada continua.-el distribuidor de la colada continua ha sido deseado con deflectores especiales que evitan la turbulencia, con el propósito de obtener barras de sección redonda que finalmente son cortadas en secciones dependiendo del diámetro, esta sección es comúnmente llamado tocho.

4.- Laminado el tocho entra al horno giratorio que contiene nueve zonas de calentamiento alcanzando 1200ºC en forma gradual. Después pasa al desescamador para eliminar la oxidación que sufre al contacto con la atmosfera y se procede al perforado.

PROPIEDADES DE LA CAÑERÍA DE REVESTIMIENTO

La tubería de revestimiento viene usualmente especificada por las siguientes propiedades:

Diámetro exterior y grosor de la pared Peso por unidad de longitud Grado del acero Tipo de conexión Longitud de la junta

Diámetro Exterior y Grosor de la Pared

El diámetro exterior se refiere al cuerpo de la tubería y no a las cuplas, El diámetro de loas cuplas es importante, ya que determina el tamaño mínimo del agujero en el que puede ser corrida la tubería de revestimiento.

El grosor de la pared determina el diámetro interno de la tubería y por lo tanto el tamaño máximo de la barrena que puede ser corrida a través de la tubería.

La tolerancia permitida en lo que se refiere a diámetro exterior y grosor de la pared, es dictada por API 5CT. Como regla general:

Diámetro exterior de la TR >= 4½” Resistencia + 1.00%, - 0.50%

Diámetro exterior de la TR < 4½” Resistencia ± 0.031%

Grosor de la pared Resistencia – 12.5%

Peso por Unidad de Longitud

El peso nominal de la tubería de revestimiento es utilizado principalmente para identificar tubería de revestimiento durante el ordenado. Los pesos nominales no son exactos y están basados en el peso teórico calculado de una tubería con roscas y cuplas, de 20 pies de longitud.

Grado del Acero

Las propiedades mecánicas y físicas de la tubería de revestimiento dependen de la composición química del acero y el tratamiento de calor que recibe durante su fabricación.

API define nueve grados de acero para tubería de revestimiento:

H40 J55 K55 C75 L80 N80 C95 P110 Q125

El número de designaciones da el mínimo de API para el esfuerzo de resistencia o cedencia, en miles de psi. Por lo tanto una tubería de revestimiento L80 tiene un esfuerzo de resistencia de

80,000 psi.

La carta de designación da una indicación sobre el tipo de acero y el tratamiento que recibo durante su fabricación.

Una sección más detallada sobre Selección de Materiales, puede ser encontrada más adelante.

Propiedades del acero: Grados de acero

gradoPunto de cedencia

mínimo (psi)

Punto de cedencia

máximo (psi)

Resistencia a la tensión mínima

(psi)

H40 40.000 80.000 60.000

J55 55.000 80.000 70-95.000

K55 55.000 80.000 70-95.000

N80 80.000 110.000 100.000

L80 80.000 95.000 100.000

C90 90.000 105.00 100.000

C95 95.000 110.00 105.000

P110 110.00 140.000 125.000

Q125 125.000 150.000 135.000

Nivel 1: Grados HP-40, J-55 Y N-80

Servicio dulce o cantidad limitada de H2S

Presiones < 5000psi

Nivel 2: Grados M65 L80, C90 C95 T95

Alta presión (> 10M) con contenido de H2S limitado o baja presión con contenido de H2S elevado

Control estricto de dureza y de QA/QC

Nivel 3: Grado P-110

Bajo contenido deH2S alta temperatura / alta presión

Muy poco control

Nivel 4: Grado por encima del nivel 3 como Q125

Aplicaciones HP con alto contenido DeH2S

Control muy estricto QA/QC

Los tramos de tubería son totalmente rastreables por número de serie para todo el trabajo.

1. El material de acero crudo que se usa para fabricar la tubería de revestimiento no tiene una microestructura definida.

2. La microestructura de acero y las propiedades mecánicas se pueden mejorar en gran medida con la adición de aleaciones especiales y por tratamiento térmico.

3. De esta manera, los diferentes grados de tubería de revestimiento se o puede fabricar para adaptarse a las diferentes situaciones de perforación.

Grados de acero

H-40 es el grado de tubería de revestimiento y de tubería de producción más bajo. Tiene un punto de cadencia máximo de 80000 psi lo cual lo hace adecuado para H2S.

J-55 es el grado tanto para la tubería de revestimiento y tubería de producción. El punto de cedencia máximo es 80000 psi. Adecuado para H2S.

K-55 es únicamente un grado para tubería de revestimiento. Se clasifica como acero típico carbón. Tiene resistencia a la tensión más elevada que J-55 95000 psi contra 7500 psi Colapso y reventón de K-55 y J-55 son iguales: únicamente la resistencia de la juntas es diferente ya que se basa en la resistencia a la tensión más que en la cedencia. Se puede usar para contenidos bajos de H2S a todas temperaturas.

M-65: de alta dureza y adecuado para H2S. Rango de punto de cedencia 65-8000 psi. Resistencia a la tensión mínima es de 85000 psi. El acople puede ser L80 o K55 dependiendo del espesor de la pared.

El estallido y el colapso del cuerpo exceden los grados J55 y K55 / La resistencia del acople excede al grado J55.

L-8O: es el grado más extensamente usado en la industria, ya que es adecuado para H2S. La cedencia máxima es 95O00 psi y la resistencia a la tensión mínima es de 95.000 psi. La dureza máxima de Rockwell C23. Tanto para tubería de revestimiento como para tubería de producción. El acero

&debe ser O&T (enfriado y templado). Hecho por medio de todos sin costura o con soldadura ERW.

N-80: tiene un punto de cedencia máximo do 110.000 psi y una resistencia a la tensión mínima do 100.000 psi. N80 es un acero tipo aleación. Debido a su alto punto de cedencia no es adecuado para H2S a ninguna de las temperaturas

NACE: Es bueno para temperaturas de 15O ºF y superiores en H2S 5% es fabricado con el proceso Q& T. Es adecuado para H2S a 175 ºF y mayores temperaturas si el acero se fabrica " normalizado"

C-9O: se usa principalmente en pozos de alta presión que contienen H2S Este grado se desarrolló en 1983. El punto de cadencia máximo se restringe a 105,000 psi y la resistencia a la tensión mínima es de 100.000 psi para tubería de revestimiento y de producción.

Este es un acero de aleación que contiene cromo y molibdeno. Se fabrica por métodos sin costura. La dureza Rockwell máxima es C25.4

C-95: tiene un punto de cedencia máximo de 110,000 psi y una resistencia mínima a la tensión de 105.000 psi. Es un grado solo para tubería de revestimiento y fue colocado en la especificación para reemplazar al grado C75. Se puede fabricar por medio de procesos sin costura o ERW y el acero es una aleación C95

no tiene limitación de dureza, por lo tanto no es adecuado para H2S a temperaturas bajas debido a su alto punto cedencia.

T-95: Resuelve los problemas que tiene el C95. Es tanto para tubería de revestimiento como para tubería de producción. La resistencia a la tensión mínima es de 105.000 psi y el punto de cedencia máximo es do 110.000 psi. Este es un acero de aleación hecho por métodos sin costura. La dureza Rockwell máxima es de C25.4

P-110: Empleado para tuberías de revestimiento y de producción. Cedencia máxima 140 000 psi. Resistencia a la tensión mínima de 125.000 psi. Se fabrica sin costura

Para tubing y son soldadura ERW para tubería de revestimiento. Inicialmente se añadió para resolver problemas de pozos profundos.

Q125. Usado principalmente en pozos profundos con altas presiones, especialmente altas presiones de colapso. Lo añadió API en 1985 clasificado como grupo 4. Se fabrica por medio de ERW y métodos sin costura. Es el primer grado que requiere pruebas de impacto para confirmar la resistencia del acero.

NACE: Se usa en H2S a temperaturas de 225 ºF y mayores.

CÓDIGO DE COLORES PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LAS CAÑERÍAS

Además de las características requeridas de la identificación cada longitud de envoltura de la cañería es codificada de un color como se menciona a continuación.

Una banda o cinta de color que rodea la cañería debe encontrarse distancia de 2ft (0.61m) del acoplador o la caja.

Una banda de color que rodea el centro de la cupla. La superficie exterior de la cupla tiene un color entero.

Algunos ejemplos de identificación de las cañerías:

El color y el número de bandas son como sigue:

Grado J 55 una banda verde brillante.Grado K 55 dos bandas verdes brillantes.Grado N 80 una banda roja.Grado P 105 blancoGrado P 110 blancoGrado Q 125 naranja

Ejemplo:

API 5CT Oil Casing PipeDiámetro externo espesor

grado conexión longitudin mm kg/m lb/ft

4 1/2" 114.3 14.14-22.47 9.50-15.10 J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

5" 127 17.11-35.86 11.50-24.10

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

5 1/2" 139.7 20.83-34.23 14.00-23.00

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

6 5/8" 168.28 29.76-35.72 20.00-24.00

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

7" 177.8 25.30-56.55 17.00-38.00

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

7 5/8" 193.68 35.72-63.69 24.00-42.80

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

8 5/8" 219.08 35.72-72.92 24.00-49.00

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

9 5/8" 244.48 48.07-86.91 32.30-58.40

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

10 3/4" 273.05 48.73-97.77 32.75-65.70

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

11 3/4" 298.45 62.50-89.29 42.00-60.00

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

13 3/8" 339.72 71.43-107.15

48.00-72.00

J55/N80/P110/K55

LTC/STC/BTC

R1/R2/R3

CONEXIONES DE LAS CAÑERÍAS

Existen 2 tipos de conexiones:

Conexiones NU

Poseen roscas de 10 vueltas. Tienen una resistencia menor que la del cuerpo del tubo.

Conexiones EUE

Poseen 8 vueltas por rasca y una resistencia superior a la del cuerpo del tubo. Éstas son las más utilizadas porque provee un servicio confiable a la mayoría de los pozos.

Longitud del tramo o junta

Los tramos o juntas de revestimiento no son fabricados en longitudes exactas. API ha especificado tres rangos entre los cuales debe encontrarse la longitud de las tuberías.

Ejemplo.

Nombre del producto: API-5CT casing (con protector y cuplas)Especificación:1. tamaño: 2-3/8"-20"(60.3mm-508mm) 2. Tipo de rosca: LTC, STC, BTC, EUE, NUE3. Grado del acero: J55, K55, L80, N80-1, N80-Q, P11O

RANGO DE LAS CAÑERIAS

RangoLongitud Longitud Promedio

(pies)Pies (ft) Metros (m)

1 16-25 4.78 - 7.62 22

2 25-34 7.62 – 10.36 31

3 >34 >10.36 42

PROPIEDADES FÍSICAS

1. La resistencia al colapso.- es la fuerza necesaria para aplastar los lados de la tubería hasta socavarla sobre sí misma.

La falla por colapso de una tubería es una condición mecánica. Se origina por el aplastamiento de una tubería por una carga de presión. Esta actúa sobre las paredes externas de la misma y es superior a su capacidad de resistencia.

2. La resistencia al reventamiento.- es la presión interna que puede soportar la tubería antes de romperse.

Esta falla de tubería es una condición mecánica que se genera por la acción de cargas de presión actuando por el interior de la misma. La resistencia que opone el cuerpo del tubo se denomina resistencia al estallido, reventón o a la presión interna.

3. La resistencia mínima a la tensión.- Se refiere a la fuerza necesaria para estirar la tubería de perforación hasta romperla

La tensión es una condición mecánica (tensionada) que puede ocasionar la falla o fractura e la misma. Las cargas dominantes en esta condición mecánica, son los efectos gravitacionales, flotación, flexión y esfuerzos por deformación del material

4. La resistencia a la torsión.- es la fuerza de torsión que la tubería puede resistir antes de torcerse.

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS CAÑERÍAS

Aleaciones de metales utilizadas en la fabricación de cañerías

Nota:

* * Para el Grado C - 75, Tipo 1, el de Cromo, el de Níquel y el Cobre combinado no excederán 0.50 %.

* El contenido de carbón para L - 80 pueden ser aumentados a 0.50 % máximo. Si el producto es petróleo

* El contenido de carbón para C - 95 pueden ser aumentados a 0.55 % máximo. Si el producto es petróleo

NL sin límite. Los elementos mostrados deben ser reportados en análisis del producto

Corrosión:

La corrosión es un fenómeno electro-químico. Tiene lugar en las tuberías por efecto de la acción del medio ambiente y la reacción de los constituyentes del material con el que están fabricados los tubos.

Los factores que contribuyen a la corrosión son:

Concentración de H2S Concentración e CO2 Nivel de PH del agua Temperatura