09 dimensiones y resistencias de los tubulares

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Dimensiones y ResistenciasPara Tubulares API

empleados en el Campo Petrolero

Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores

2IPM

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2

Propiedades Dimensionales de la Tubería de Revestimiento

Al finalizar este módulo USTED deberá saber:• Cómo se fabrica la tubería de revestimiento• Cuáles son las tolerancias de la tubería de

revestimiento• Qué significan las tolerancias• Cuál es el tamaño real de una tubería de revestimiento• Qué hay que considerar al ordenar la compra de un

Tubular API para servicio en en el campo petrolero, OCTG

Objetivos

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3

Proceso de Manufactura de la Tubería de Revestimiento

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4

Manufactura de Tubulares Petroleros

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5

Proceso de Manufactura – 2.

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6

Proceso de Manufactura – 3

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Tolerancias en el diámetro externo, (D) según la Norma API 5CT

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8

Tolerancia en el peso del Tubular según la Norma API 5CT

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Tolerancia en el diámetro interno (d) y en el espesor de pared (t) según el API 5CT

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Tolerancia en la Rectitud del Tubular según la Norma API 5CT

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Resumen Tolerancias API

• Diam. Ext.(D): + 1% y - 0.5%• Peso (Wt): + 6.5% y - 0.5% por cada tramo• Diámetro Interno (d): Se basa en el peso (Wt) y

el diámetro Exterior del tubular (D)• Espesor de la pared: + ?? y – 12.5%• Ovalidad: No está especificada• Rectitud: 0.2% de la longitud de la junta

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Fórmulas útiles de la Norma API 5C3

( ) ttDWpe **68.10 −=

WeightTubeW

FinishCouplingofWteftL

L

eLWW

pe

w

wpenom

==

=

+=

&20

)*(

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Ejemplo de Clase (OCTG-1)Para un Revestimiento de 7”, 32#, L-80, Rango 3, BTC

• ¿Cuál es el peso / pie del tubo sin conexiones? • ¿Cuál es el peso / pie real de un tramo de 40 pies?• ¿Cuál es el espesor de pared nominal para el tubo?• ¿Cuál es el Diámetro Interno (ID) nominal?• ¿Cuál es el Diámetro Interno del calibre (Drift)?• ¿Cuál es el espesor de pared mínimo?• ¿Qué tan recta tiene que ser?

Emplee las especificaciones API 5CT y API 5C3 y una calculadora

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Rangos de Tamaños para Rev. de 7”, 32#

• ¿Qué tan grande o pequeña puede ser la tubería de revestimiento de 7 pulgadas?

• ¿Qué tan pesado o liviano puede ser el tubo?• ¿Cuál es el rango de pesos nominales?• ¿Cuál es el intervalo verdadero de un peso terminado?• ¿Cuáles son los rangos de ID’s permisibles?• ¿Cuál es el rango de espesores de pared permisibles?• ¿Cuál es la apariencia de un tramo promedio de tubería?

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Sesión de trabajo en Grupo (OCTG-2)Para una tubería de revestimiento de 7”OD, 32#/pie, N-80, BTC, complete la tabla siguiente:

0.453

6.094

7.00

31.8

32

31.66

NOM MAX

Wact

T

ID

OD

Wnom

Wpe

MINAVG

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Especificación de tubulares usados en el campo petrolero (OCTG)

• ¡Las especificaciones API están hechas para beneficiar a los fabricantes!• ¿Qué hacen las fábricas para evitar los rechazos?• ¿Cómo puede usted trabajar con las especificaciones

para sacar una ventaja?• ¿Qué tipo de tubería tienen en stock los contratistas?

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berger PublicPropiedades de Operación


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OBJETIVOSAl final de esta sesión USTED deberá conocer:

1. Las propiedades mecánicas del acero

2. Los grados de acero API para fabricar tubulares

3. Consideraciones acerca de la tensión, colapso y estallido

4. Efectos de la temperatura

5. Cálculo de las propiedades de operación de tubulares para el campo petrolero (OCTG)

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Propiedades Mecánicas de la Tubería de Revestimiento

Los diseñadores necesitan saber:1. ¿Cuál es su resistencia? (Punto de cedencia)2. ¿Cuál es su dureza? (Dureza Rockwell)3. ¿Cuál es su ductilidad? (Indice Charpy)

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Propiedades de OperaciónPuntos de Cedencia y Grados API


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Propiedades del Acero – Punto de Cedencia

Cuando un especimen de cualquier metal como el acero se carga lentamente por tensión o por compresión, se observa un incremento o decremento en su longitud. Si los incrementos de carga se grafican contra la elongación (o la contracción), se va a obtener una gráfica característica.

Tensión

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Propiedades del Acero: Punto de Cedencia

tensión

CARGA GRAFICADA CONTRA EXTENSIÓN (O CONTRACCIÓN) INDICANDO EL PUNTO DE CEDENCIA

RESISTENCIA ÚLTIMA A LA TENSIÓN

PUNTO DE CEDENCIA

LÍMITE ELÁSTICO

RESISTENCIA A LA FRACTURA

ELONGACIÓN

CA

RG

A

0

A

BC

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Propiedades del Acero: Punto de Cedencia

API define el punto de cedencia como el esfuerzo de tensión que se requiere para producir una elongación total de 0.5% de la longitud medida de un especimen de prueba, determinado por un extensómetro o multiplicando divisores.

Para los grados P- 105 y P- 110 la elongación total de la longitud es de 0.6%.

24IPM

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Cupón de Prueba de Elongación

25IPM

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Grado Punto 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 90,000 105,000 100,000

C95 95,000 110,000 105,000

P110 110,000 140,000 125,000

Q125 125,000 150,000 135,000

Propiedades del Acero : Grados del Acero

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Niveles de Servicio• Los tubulares usados en la industria se

clasifican de acuerdo con las condiciones de servicio

• Equivalentes en forma aproximada los niveles especificados en la Norma 6A PSL• Nivel 1: Grados H-40, J-55, K-55 y N-80

• Servicio Dulce o Cantidad Limitada de H2S• Presiones < 5,000 psi

• Nivel 2: Grados M65, L80, C90, C95 y T95• Alta Presión (>10M) con contenido de H2S limitado

ó Baja Presión con contenido de H2S elevado.• Control estricto de dureza y de QA/QC

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Niveles de Servicio – Continuación

• Nivel 3: Grado P-110• Bajo contenido de H2S; Alta Temperatura /Alta Presión• Muy poco control

• Nivel 4: Grados por encima del nivel 3 como Q125• Aplicaciones HP con alto contenido de H2S • Control muy estricto de QA/QC• Los tramos de tubería son totalmente rastreables por

número de serie para todo el trabajo.

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Grados API para Tubulares Petroleros

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

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

3. De esta forma, los diferentes grados de tubería de revestimiento se pueden fabricar para adaptarse a las diferentes situaciones de perforación.

29IPM

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Grados de Acero

H-40: es el grado de tubería de revestimiento y de tubería de producción más bajo. Tiene un punto de cedencia máximo de 80,000 psi lo cual lo hace adecuado para H2S.J-55: es el grado tanto para tubería de revestimiento y tubería de producción. El punto de cedencia máximo es 80,000 psi. Adecuado para H2S.K-55 ; es únicamente un grado para tubería de revestimiento. Se clasifica como acero tipo carbón. Tiene una resistencia a la tensión más elevada que J-55 95,000 psi contra 75,000 psi. Colapso y estallido de K-55 y J-55 son iguales: únicamente la resistencia de las 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 las temperaturas.

30IPM

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Grados de AceroM65: De alta rudeza y adecuado para H2S. Rango de punto de cedencia: 65-80,000 psi. Resistencia a la tensión mínima es de 85,000 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.

L80- es el grado más extensamente usado en la industria, ya que es adecuado para H2S. La cedencia máxima es 95,000 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 Q&T (enfriado y templado). Hecho por medio de métodos sin costura o con soldadura ERW.

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Grados de Acero

N80 : tiene un punto de cedencia máximo de 110,000 psi y una resistencia a la tensión mínima de 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 150º F y superiores en H2S si es fabricado con el proceso Q&T. Es adecuado para H2S a 175º F y mayores temperaturas si el acero se fabrica “normalizado”

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Grados de AceroC90: se usa principalmente en pozos de alta presión que contienen H2S. Este grado se desarrolló en 1983. El punto de cedencia máximo se restringe a 105,000 psi y la resistencia a latensión mínima es de 100,000 psi para tuberías 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

C95: tiene un punto de cedencia máximo de 110,000 psi y una resistencia a la tensión mínima de 105,000 psi. Es un grado sólopara tubería de revestimiento y fue colocado en las especificaciones para reemplazar al grado C75. Se puede fabricarpor 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 de cedencia.

33IPM

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Grados del AceroT95: 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 de 110,000 psi. Este es un acero de aleación hecho por métodos sin costura. La dureza Rockwell máxima es de C25.4

P110: 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.

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Grados del Acero

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 F y mayores.

V150: No es un grado API. El rango de cedencia va de 150K a180K psi. Resistencia a la tensión mínima de160,000 psi. No se puede usar para H2S a ninguna temperatura.

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Propiedades de OperaciónResistencias al Estallido, al Colapso y a la Tensión


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La resistencia al estallido se define como el valor de la presión interna que se requiere para hacer que el acero ceda.

Esfuerzo

La falla por estallido se presenta ya sea por rompimiento del cuerpo de la tubería o por fugas en los acoples

RESISTENCIA AL ESTALLIDO

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37

Diagrama de Cuerpo Libre para el Estallido

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Fórmula de BarlowLa resistencia mínima al estallido de la tubería de revestimiento se calcula usando la fórmula de Barlow :

El factor de 0.875 permite un espesor de pared de tubo mínimo. Tiene tolerancia para una variación de 12.5% en el espesor de la pared debido a los defectos de manufactura. t = espesor, D - Diámetro

)*

*2(*875.0

**2

DtYp

P

thicknesswallforAccountingD

tYpP

br

br

=

=

39IPM

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Diagrama de Cuerpo Libre para la Resistencia a la Tensión

La resistencia a la tensión se define como el esfuerzo axial que se requiere para superar la resistencia del material y causar una deformación permanente.

)(7854.0*

*22 IDODYpP

AFL

y

stenstens

−=

=

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40

La resistencia al colapso se define como la presión externa que se requiere para sumir un espécimen de tubería de revestimiento.

RESISTENCIA AL COLAPSO

Presión Presión

41IPM

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41

Diagrama de Cuerpo Libre en 2 Dimensiones

42IPM

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42

Falla por Colapso

43IPM

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43

Tipos de Colapso

• Colapso por Cedencia• Colapso Plástico• Colapso que no es ni Plástico ni Elástico• Colapso Elástico

44IPM

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Colapso por Cedencia

• La presión externa que genera un punto de cedencia en la pared interna del tubo (lo contrario de estallido)

• Se aplica para relaciones D/t pequeñas

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Colapso Plástico

• Se basa en una curva de regresión ajustada a los datos de 2,488 pruebas hechas en especímenes de revestimientos K-55, N-80 y P-110 en 1,963

• Los valores A, B y C se midieron y extrapolaron para otras resistencias en tuberías de revestimiento.

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Colapso de Transición

• Básicamente un ajuste para llenar la brecha entre las formas de curva plástica y de curva elástica. Es una medida totalmente empírica.

• F y G son ajustes de curva de A, B y C

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Colapso Elástico

Se deriva clásicamente de la teoría elástica por Clinedinst en 1939

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Propiedades de Resistencia de los tubulares

El API especifica los requerimientos mínimos para la manufactura de la tubería de revestimiento. Los fabricantes pueden producir tubería de revestimiento de acuerdo con sus propias especificaciones siempre y cuando cumplan las especificaciones mínimas del API.Los requerimientos del API para tuberías de revestimiento y producción están dados en el boletín 5CT, para tubería de línea en el Boletín 5L y para tubería de perforación en el Boletín 5D

53IPM

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Propiedades de la Tubería de Revestimiento

• Calcule la resistencia al estallido, a la tensión en el cuerpo del tubo y la resistencia de colapso para un revestidor de 7” OD, 32#, L-80 para las tolerancias dimensionales promedio y nominal discutidas anteriormente, utilizando las fórmulas de API

• Calcule la resistencia a la tensión, al estallido y al colapso para una tubería de línea de 20” OD, con 0.635” de pared, X-56 y compare los valores en el libro para 20”, 133#, K-55

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Reducción del Colapso Biaxial


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Interacción de Fuerzas sobre el revestimiento

56IPM

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Efectos de la Tensión sobre el Colapso y el Estallido

• La Tensión reduce la resistencia al Colapso. Si la tensión no está presente, la resistencia al colapso será mayor que lo diseñado

• La Tensión incrementa la resistencia al Estallido. Si la Tensión no estuviera ahí el estallido sería menor que lo diseñado.

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Reducción de la Cedencia según el API

API USA LA SIGUIENTE FÓRMULA PARA REDUCCIÓN

""@

""@

21

*43

1max

2

max

aStrengthYieldYStrengthYieldMinY

LimitTensileSaTensionS

SS

SS

YY

corr

nom

Maxa

aa

nom

corr

==

==

−

−=

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Reducción de Cedencia Biaxial

• Una sarta de 10,000 pies de revestimiento de 7” OD, 32#, L-80 está suspendida en un pozo vertical lleno de aire. Calcular la resistencia nominal al colapso, en la parte superior, a 5,000 pies y en el fondo.

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Efectos de la Temperatura

1. Las altas temperaturas tienen el efecto de reducir el módulo de elasticidad y a su vez el punto de cedencia de la tubería de revestimiento.

2. Diferentes grados de tubería de revestimiento se ven afectados en forma distinta por los efectos de la alta temperatura.

3. A mayor grado del acero, mayor será la reducción en el punto de cedencia debido a las altas temperaturas.

4. Para IPM el Punto de Cedencia, Yp se reduce 0.3% por cada ºF por encima de 212º F

( )2120003.01 −−= Tnomδδ

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Desgaste de la Tubería de Revestimiento

1. El desgaste reduce el espesor de la tubería de revestimiento y por lo tanto su resistencia al estallido.

2. Es causado por el contacto entre los acoples de la tubería de perforación y la tubería de revestimiento.

3. Por arrastre de la barrena dentro del revestimiento.

4. Contacto de herramientas corridas con cable de acero dentro de la tubería de revestimiento.

5. Para tubería de revestimiento sujeta a secciones de perforación largas, se utiliza revestimiento del peso más grande siguiente al diseño, PERO NO el grado siguiente.

61IPM

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Conclusiones:

Después de estudiado este módulo, USTED ya debe saber:

• Algo acerca de las dimensiones y las tolerancias

• Algo acerca de las propiedades de operación• Algo acerca del comportamiento del acero

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Fin del Módulo


Documents

09 dimensiones y resistencias de los tubulares