- Materiales y Grados Para Uso Petrolero

12 de mayo de 2014

Materiales y Grados para uso petrolero

Technical SalesFabián Benedetto

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Materiales y Grados para uso petrolero Seminario sobre Diseño y Selección de Tubulares

212 de mayo de 2014

Contenido

Casing – Tubing. Normativa.

Prestación de Tubulares.


312 de mayo de 2014

Contenido




412 de mayo de 2014

Casing - Tubing

REF: API 5CT

Especificación para Casing y Tubing (API 5CT):

API 5CT (ISO 11960) - Petroleum & natural gas industries – Steel pipes for use as casing or tubing for wells. 8th Ed. 2004 (3rd Ed. 2004).

API 5CT - Petroleum & natural gas industries – Steel pipes for use as casing or tubing for wells. 9th Ed. 2012.

API Bull. 5C3 - Bulletin on formulas & calculations for casing, tubing, drill pipe, and line pipe properties. 6th (1994).

API Bull. 5C2 - Bulletin on performance properties of casing, tubing, & drill pipes. 21st (1999).

ISO/TR 10400 - New API 5C3 - Petroleum & natural gas industries –Equations & calculations for the properties of casing, tubing, drill pipe & line pipe used as casing or tubing. ISO: 2007. API: 2008


512 de mayo de 2014

Cada Casing o Tubing queda definido por los siguientes parámetros(como requisitos de mínima):

• Diámetro externo (pulgadas)

• Libraje o Peso lineal (lb/ft)

• Grado de acero

• Conexión

• Rango

• Proceso de manufactura

Casing - Tubing


612 de mayo de 2014

Siempre se refiere al diámetro exterior del cuerpo del tubo (ej: 9 5/8”).

El diámetro exterior de la zona de la conexión puede ser de diámetro más grande (cupla, recalque, etc) o puede ser igual (conexión flush), pero siempre nos referimos al diámetro del cuerpo del tubo.

Tolerancia en el diámetro:

-0.5 % ; +1.0 % para diámetros 4 1/2” o mayores. 0.031” (± 0.79 mm) para diámetros menores a 4 1/2”.

Casing - Tubing

REF: API 5CT Página 27

Diámetro Externo:


712 de mayo de 2014

Es el peso teórico de la tubería considerando recalque, rosca y cupla dividido el largo total del tubo. (ej: 6.4#, 6.5#)

Casing - Tubing

REF: API 5C3 pág 22

Está directamente relacionado con el espesor de la tuberíaEj: 2 7/8” 6.4# à t = 0.545 pulg (tubería no upseteada)Ej: 2 7/8” 6.5# à t = 0.545 pulg (tubería upseteada)

Tolerancia del espesor: -12.5 % como máximo.

Libraje o Peso nominal:


812 de mayo de 2014

Con el diámetro exterior nominal (teórico) y el libraje (espesor nominal), queda determinado el diámetro interno nominal (teórico) [d]

Casing - Tubing

Tolerancia en la masa:

REF: API 5CT

Diámetro interno:


912 de mayo de 2014

Casing - Tubing

Las combinaciones de las tolerancias en el diámetro exterior y en el espesor (dado como tolerancia en la masa) hacen que no se pueda asegurar un diámetro interior homogéneo, por lo tanto lo que se asegura es un diámetro de pasaje por dentro llamado DRIFT (Mandril) establecido en la norma API 5CT.

REF: API 5CT

Ej: 9 5/8” 53,5# (espesor de pared = 0.545 pulg)à diámetro interno = 9.625 pulg – 2 x 0.545 pulg = 8.535 pulg = d

LARGO DRIFT = 12 pulg = 305 mm = 30,5 cmDIÁMETRO DRIFT = d – 5/32 = 8.535 pulg – 0.15625 pulg = 8.379 pulg

Mandril Standard


1012 de mayo de 2014

Casing - Tubing

REF: PIPE BODY PROPERTIES

En algunos casos, el Mandril calculado standard es levemente inferior a diámetros usuales de trépanos que nos interesaría poder bajar por dentro de la tubería.

Ej: 9 5/8” 53,5# àDrift = 8.379 pulg

¿pasa por dentro un trépano de 8.5 pulg?

Drift Especial= 8 ½”

DRIFT Especial (Alternativo)



Diámetros externos - librajes:

Casing - Tubing

Diámetros usuales Casing:

13 3/8”

9 5/8”

7”

5 ½”

5”

Diámetros usuales Tubing:

3 1/2”

2 7/8”

2 3/8”

En nuestra Región



Es indicativo de la tensión de fluencia mínima del acero y de su principal aplicación en el caso de aceros Propietarios. (Ej: N-80 à80.000 psi)

Tanto la fluencia como la tensión de rotura se determinan por ensayos ISO 11960 /API 5CT (Sección 7. Material Requirements – Página 15).

Casing - Tubing

Grado de Acero:



20

40

60

80

TensiónKsi

Deformación ε = ∆L/L0.005

100

Carga (lb)

2 in = L

Carga

Carga

YS

UTS

La pendiente de la región elástica es el Módulo de Young

E = Tensión / ε = 30 x 10 6 psi

30 Ksi

0.001

Casing – TubingResistencia mecánica



Source: CINI 2114/04 Report

Casing – TubingResistencia mecánica Vs. Temperatura



Casing – TubingResistencia mecánica Vs. Temperatura

130.53 Ksi

116.03 Ksi

101.53 Ksi

87.02 Ksi

72.52 Ksi

58.01 Ksi

43.51 Ksi

Source: CINI 2114/04 ReportEcuación semi-empírica



Casing - Tubing

(API 5CT):

Ej: P-110 --à 110 ksi = 110.000 lb/pulg2 = 110.000 psi

Ej: TN140DW --à 140 ksi = 140.000 psi

TN DW = Tenaris Deep Well



Casing - Tubing

(API 5CT):



El test de impacto mide la resistencia del material frente a una carga dinámica aplicada. El resultado se expresa como la capacidad de un material de absorber energía.

• Comportamiento del material bajo cargas de choque• Comportamiento del material a diferentes temperaturas

Propiedades de los Aceros

REF: API 5CT

Impacto (Charpy):



Liberty, ’40s

Temperatura (°C)

En

erg

ía a

bso

bid

a

(J)

DúctilFrágil

Tra

nsic

ión

Propiedades de los Aceros



Casing - Tubing

REF: ISO 11960



Casing - Tubing

REF: ISO 11960



Casing - Tubing

REF: ISO 11960



El Nivel de Especificación de Producto (PSL), es una diferenciación que se ha incorporado a la edición API-ISO: API 5CT 8ª edición / ISO 11960 3ª edición.

Estos PSL’s se crearon siguiendo el análisis de diferentes especificaciones técnicas de las compañías petroleras (las que trabajan estrictamente con API), recogiendo los requisitos Adicionales más comunes y la agrupación de ellos en dos conjuntos: PSL2 y PSL3

Los Productos OCTG están disponibles (como estándar) en PSL1, PSL2 y PSL3. Pasar de PSL1 a PSL3 implica cambios en los siguientes parámetros:

• Performance de Material

• Niveles de Inspección

• Frecuencias de Ensayos

Casing – Tubing (PSL´s)



PSL1 PSL2 PSL3

J & K

L

C & T

P

Q

(*) C95 Antiguamente.

R(*) & N

C110

Casing – Tubing (PSL´s)



Se refiere al extremo de la tubería que será roscado para poder conectar una tubería con otra.

Existen conexiones estándares API y conexiones “Premium” más sofisticadas. (Ej: BTC, LC, EUE, TSH Blue)

Casing - Tubing

Tipo de conexión:



Contenido





Prestación de Tubulares

Cuerpo de la Tubería (Pipe Body)• Resistencia a la Tracción (compresión)• Resistencia a la Presión Interna.• Resistencia al Colapso.

Conexión• Resistencia a la Tracción• Resistencia a la Compresión• Resistencia a la Presión Interna.• Resistencia al Colapso.• Resistencia a la Flexión.



Resistencia del cuerpo del tubo a la Fluencia (API 5C3):

Py = resistencia del cuerpo del tubo a la Fluencia (lb)Yp = Tensión de Fluencia mínima especificada (psi)D = Diámetro externo (in)d = Diámetro interno (in)

Resistencia a la Tracción (Compresión):


).Ypd(D4

Py 22 −=π

§ Se usa el espesor de pared nominal




t (espesor de pared): 0.408 inYp (Tensión de Fluencia): 80,000 psiD (Diámetro externo): 7ind (Diámetro interno): 6.184 in

Ejemplo: Resistencia a la Tracción

7” 29# N80

lbs 676000).8000026.1842(7.0.7854).Yp2d2(D0.7854Py =−=−=

Resistencia a la tracción del cuerpo del tubo (API 5C3):

).Ypd(D4

Py 22 −=π



Presión interna de Fluencia (API 5C3):

( )D

tYP p2875.0

=P = presión interna de Fluencia (psi)Yp = tensión de fluencia mínima especificada (psi)t = espesor nominal (in)D = diámetro externo (in)

Resistencia a la Presión Interna:


• Ecuación 31 de la norma API 5C3.• Utiliza el mínimo espesor de pared API (12.5% de reducción del espesor nominal) definido por el nivel de inspección / aprobación del material tubular.• Conservativo



La norma API 5C3 usa diferentes ecuaciones para caracterizar la resistencia al colapso en cuatro regiones basado en la relación D/t y en la fluencia del acero.

Colapso de Fluencia:

Colapso Plástico: CBt/D

AYP pp −

−=

Transición:

−= G

t/D

FYP pT

Colapso Elástico:( ) ( )( )2

6

E1t/Dt/D

10x95.46P

−=

( )( )

−=

2ppyt/D

1t/DY2P

Resistencia al Colapso:




σ

Elástico

σ

Transición

σ

Fluencia

Función de ( D/t ) y tensión de Fluencia

σ

Plástico

e e e e

D/t ~ 11 a 16

D/t > 20 a > 42

D/t ~ 11 a 27D/t ~ 17 a 42

Funcion de ( D/t );E y Poisson






Colapso de Fluencia Colapso Plástico




Transición Colapso Elástico




Fórmula de Colapso de Fluencia:

Fórmula de Colapso Plástico:

Fórmula de Transición:

Fórmula de Colapso Elástico:

§ Teórica§ Para tuberías de gran espesor§ Basado en la presión que genera fluencia en el diámetro interno de la tubería (usando ecuación de Lamé)

§ Obtenida por análisis de regresión estadística en casing seamless de 402 test de colapso en K-55, 1440 test de colapso en N-80, y 646 test de colapso en P-110.

§ Arbitraria, para ajustar curvas de Colapso Plástico y Elástico.

§ Teórica§ Inestabilidad de pared (no participa la tensión de fluencia)§ Derivada de fórmula de presión de colapso elástica.



D/t

Pext


Timoshenko

Tamano

Colapso de Fluencia

Colapso Plástico

Colapso Elástico

Transición

(teórica) (empírica)(teórica)(ajuste)

“Buckling collapse”

OD Cte – wt variable

Wt cte – OD variable

Evolución



Ecuación de Timoshenko:

ϕ = ovality = (max OD – min OD)/(average OD)



• Primero en considerar explícitamente la ovalidad• Una de las primeras ecuaciones que combina la ecuación de Colapso de Fluencia y Colapso Elástico en una ecuación de interacción.

Colapso de Fluencia

Colapso Elástico

Γ = f (tensión axial, distribución real de tensiones de fluencia)



Tamano:

ϕ = ovalidad ε =excentricidadσr = tensión residual



• Incluye la ovalidad, excentricidad y tensión residual• Ecuación de interacción similar a la de Timoshenko• No es siempre conservativo! A veces si, a veces no à coef. empíricos

m = D/t

coeficientes empíricos



Resistencia al Colapso en presencia de tensión axial



Ypa = tensión de Fluencia de grado equivalentepor tracción axial (psi)

Sa = tensión axial real (psi)Yp = tensión de fluencia mínima especificada (psi)

Yp.Yp

Sa.0.5

Yp

Sa .0.751Ypa

2

−

−=

§ La resistencia al colapso en presencia de tensión axial se calcula modificando la tensión axial de fluencia a un grado equivalente de tensión axial.



Efecto de la Presión Interna en la carga de Colapso (API 5C3)

Carga de Presión Externa (colapso) equivalente:


Pe = presión externa equivalentePo = presión externaPi = presión internaD = diámetro exteriort = espesor nominal

Pi.(D/t)

2-1-PP oe

=

Pi Po Pe



Po = 10,000 psi

Po = 11,000 psi

Caso A

Caso B


Pi.(D/t)

2-1-PP oe

=

Ejemplo: ¿Cuál es el peor caso para el Colapso?

7” 29# N80 TBlue

t (espesor de pared): 0.408 inD (diámetro externo): 7inD/t= 17.15

Pi = 0 psi

Pi = 1,000 psi

psi100000.(17.15)

2-1-10000Pe =

=

Pe = 10,116 psi

Pe = 10,000 psi

psi101161000.(17.15)

2-1-11000Pe =

=

presión exterior

equivalente

presión exterior

presión interior



Resistencia al Colapso (carga no uniforme):

carga uniforme

Pc = fc ( σy ; OD/t)

carga no uniforme

Pc = fc ( σy ; (OD/t)2 )




Resistencia al Colapso (aporte del anillo de cemento):


Evans, G. W. and Harriman D. W. (1972) Laboratory test on collapse resistance of cemented casing, 47th Annual Meeting of the Society of Petroleum Enginners of Aime, San Antonio Texas, October.

Lo máximo que puede aportar el anillo decemento en la resistencia al colapso de la tuberíaes hasta un 23% adicional de la resistencia alcolapso de la tubería.

Si el cemento tuviera una fisura o “malcemento” en el sentido longitudinal equivalente a3 veces el diámetro interno, entonces el aportedel cemento a la resistencia al colapso sería cero.

Ej: en un casing 7" 26# (id = 6.276 in) , unafisura o mal cemento de aprox 48 cm haría que elcemento no agregara resistencia al colapsoalguna.

L

ID




t (espesor): 0.408 inYp (Tensión de Fluencia): 80,000 psiD (Diámetro externo): 7ind (Diámetro interno): 6.184 inD/t= 17.15

Ejemplo: Colapso

7” 29# N80

Fórmula de colapso Plástico:

psi 703019550667.017.15

3.071.80000CB

D/t

AYP pp =−

−=−

−=

A= 3.071B= 0.0667C=1955

Con D/t y grado de acero N80 se busca en tabla los coeficientes A,B y C




Conexión• Resistencia a la Tracción• Resistencia a la Compresión• Resistencia a la Presión Interna.• Resistencia al Colapso.• Resistencia a la Flexión.

¿y las conexiones?



• Resistencia a la tracción de rosca redonda 8rd (API 5C3):

Resistencia a la Tracción de la Conexión API:


L es la longitud de rosca engarzada (in)!!!!

Es el mínimo entre:-Resistencia del pin a la Rotura-Resistencia del box a la Rotura-Resistencia al Jump Out (desenchufe)

“Strength of Threaded Joints for Steel Pipe” - meeting of the Petroleum section of ASME - 1964 - Clinedinst

162 test de tracción en probetas (K55 N80 P110 - 4,5in a 10 3/4in - LC y STC):

14 test fallaron por rotura del pin

148 por desenchufe!

++

+=

−

DL

Y

DL

UDLAP pp

jpj14.014.05.0

74.0..95.0

59.0

Jump Out



Resistencia a la Tracción de la Conexión (cont.):

Performance de Tuberías

Resistencia a la tracción de la rosca API Buttress (API 5C3):

Es el mínimo entre:- Resistencia del pin a la Rotura- Resistencia del box a la Rotura

“Buttress Thread Joint Strength” - Apendix 2-k-, Circular PS-1398 - 1970 - Clinedinst



Resistencia a la Tracción de la Conexión (cont.):

Performance de Tuberías

La eficiencia a la tracción y a la compresión es parte del diseño de las conexiones Propietarias.

Se utilizan análisis de Elementos Finitos y ensayos para validarlas

Resistencia de las conexiones Propietarias:

http://www.tenaris.com/tenarishydril/en/default.aspx

EFICIENCIA A LA TRACCIÓN EFICIENCIA A LA COMPRESIÓN

TSH BLUE 100% 100%

TSH PJD 100% 100%

TSH ER 100% 100%

TSH BLUE NEAR FLUSH ~75% ~50%

TSH 513 ~65% ~75%

etc, etc, ...



Resistencia a la Compresión de la Conexión:


La norma API 5C3 no especifica fórmulas para calcular la resistencia a la compresión de las conexiones API (lo omite).

Existen ecuaciones desarrolladas por diferentes autores para estimar dichos valores.

La eficiencia a la compresión de las conexiones API es menor al 100%

REF: TDAS/EXP Users Manual Version 4.0

La resistencia a la compresión de las conexiones Propietarias es parte del diseño de las conexiones.

http://www.tenaris.com/tenarishydril/en/default.aspx



• Presión interna de fluencia de la Cupla para conexiones API (API 5C3):

Resistencia a la Presión Interna de la Conexión:


−=

W

dW.YP 1

c

P = presión interna de fluencia (psi)Yc = tensión de fluencia mínima especificada de la cupla (psi) W = diámetro exterior nominal de la cupla (in)d1 = diámetro en el valle de la rosca de la cupla al final de la tubería en la posición power-tight (apretado final) (in)

El cálculo de d1 se encuentra detallado en la norma API 5C3 pág 15, para conexiones API con roscas 8rd (Tubing y Casing), y con rosca Buttress

• Presión interna de pérdida (leak) para conexiones API (API 5C3)

Es la mínima presión entre:



Resistencia al Colapso de la Conexión:


En todas las conexiones API la resistencia al colapso de la conexión es igual o mayor que la resistencia al colapso del cuerpo del tubo.

Lo mismo para las conexiones Propietarias.

Igualmente siempre es recomendable verificar esto en la hoja de propiedades de la conexión.



7030 psi

8160 psi

676000 lbs 676000 lbs

Reducción de la presión de

colapso debido a la tracción


Cuerpo de la TuberíaResist. a la Tracción = 676.000 lbResist. a la Compresión = 676.000 lbResist. a la Presión Interna = 8160 psiResist. al Colapso = 7030 psi

Presión interna

Colapso

Compresión Tracción

Ventana APIEjemplo: 7” 29# N80





Presión interna

Colapso


Ventana API



7030 psi

8160 psi

676000 lbs676000 lbs

Ejemplo: 7” 29# N80con conexión API LC

ConexiónResist. a la Tracción = 597.000 lbResist. a la Compresión = 524.000 lbResist. a la Presión Interna = 8160 psiResist. al Colapso = 7030 psi

597.000 lbs524.000 lbs





Presión interna

Colapso


Ventana API



7030 psi

8160 psi

676000 lbs676000 lbs

Ejemplo: 7” 29# N80con conexión TSH Blue

ConexiónResist. a la Tracción = 676.000 lbResist. a la Compresión = 676.000 lbResist. a la Presión Interna = 8160 psiResist. al Colapso = 7030 psi

676.000 lbs676.000 lbs




¿Dónde buscar información?

üNorma API 5C3 “Bulletin on Formulas and Calculations for Casing, Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties. (Fórmulas API)

üNorma API 5C2 “ Bulletin on Performance Properties of Casing, Tubing, and Drillpipe (Propiedades resistentes de tuberías con conexiones API)

üCatálogo Pipe Body Properties – Casing & Tubing (Propiedades resistentes del cuerpo del tubo)

üwww.tenarisconnections.com (Propiedades resistentes de tuberías con conexiones Premium)





Grado de ACERO Conexión Fuente de Información





Catálogo Pipe Body Properties –Casing & Tubing (Propiedades resistentes del cuerpo del tubo)

Premium Connections Catalogue (Propiedades de las Conexiones Premium de Tenaris)





§ http://casingtubing.tenaris.com/index.php(Propiedades resistentes de tuberías con conexiones Premium)

12 de mayo de 2014

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