Diseño de Revestidores y Tubería de Producción* / 225 Definición y funciones de la tubería de revestimiento y producción Definiciones Generales Tubería de revestimiento: La que se utiliza para recubrir las paredes del pozo con el propósito general de protegerlo. En general, se pueden hacer las siguientes definiciones: Definiciones Generales * / 225 Revestidor/Camisa/Tieback “de producción”: La que está (o puede estar) en contacto directo con el fluido. Camisa (liner): Tubería que no llega hasta la superficie sino que está colgada de otra. Tieback: Definiciones Generales Reduce al mínimo la pérdida de circulación a poca profundidad Conducto por donde el lodo regresa a la superficie al comienzo de la perforación Minimiza la erosión de sedimentos superficiales debajo del taladro Protege de la corrosión las tuberías de revestimiento subsiguientes Sirve de soporte para el sistema desviador en caso de afluencia inesperada a poca profundidad. Conductor (Puede referirse también la primera tubería de revestimiento): Definiciones Generales Soporta el resto de los revestidores Protege de la corrosión cualquier tramo de tubería de revestimiento subsiguiente Previene los derrumbes de los sedimentos no consolidados, más debilitados, que se hallan próximos a la superficie Protege de la contaminación las arenas someras que contienen agua dulce Proporciona resistencia a las arremetidas para poder perforar a mayor profundidad Sirve de apoyo primario para los impiderreventones Tubería de superficie: * / 225 Permite utilizar grandes pesos de lodo sin dañar las formaciones superficiales Controla las zonas de sal y las lutitas desmoronables de fácil desprendimiento Revestidor intermedio, camisas y tiebacks de perforación: Protege el ambiente en caso de una falla de tubería Permite cambiar o reparar la tubería de producción Aísla la zona productora de las demás formaciones Crea un conducto de paso de dimensiones conocidas Revestidor de producción, camisas y tiebacks de producción: Definiciones Generales * / 225 Constituye el conducto por donde fluye el fluido en la fase de producción Sirve para controlar la presión del yacimiento Permite estimular el yacimiento * / 225 Para diseñar eficientemente una sarta de revestimiento, así como la tubería de producción óptima, hay que conocer una serie de datos del yacimiento, como por ejemplo: Las presiones de poro y de fractura hasta la profundidad final del mismo, La distribución de temperaturas, Caudal de fluido esperado, * / 225 Una vez en disponibilidad de los datos antes mencionados se procede a: Seleccionar las profundidades de asentamiento. Escoger los diámetros de los distintos revestidores. Determinar los tipos de material, espesores y conexiones de las sartas. Procedimiento de Diseño Procedimiento de Diseño Gradiente de Prof. final Para ésto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad Selección de Profundidad de Asentamiento * / 225
Gradiente de Prof. final Para esto, se requiere del gráfico de gradiente de presiones vs. profundidad Sobrebalance: 0,5 lpg Gradiente frac. Profundidad Selección de Profundidad de Asentamiento Peso de lodo necesario para controlar el pozo a la profundidad requerida Profundidad mínima a la que la formación puede ver ese peso de lodo sin que ocurra fractura Hay que proteger toda la formación por encima Revestidor * / 225 Profundidad Intermedio Superficial - Riesgo de pega por presión diferencial - Resistencia de la formación contra arremetidas Selección de Profundidad de Asentamiento * / 225 Riesgo de pega por presión diferencial Al ser mayor la presión ejercida por el lodo que la ejercida por la formación, hay el riesgo de que la tubería “se pegue” a la pared del hoyo. Para prevenir ésto, se trata de que la diferencia entre ambas presiones: P = 0,052 * (Plodo - Pporo) * D sea menor a 2.000 ó 3.000 psi D Plodo Pporo * / 225 Profundidad Peso equivalente de lodo Visto en el diagrama: { ! * / 225 Revestidor superficial Verifica que el revestidor superficial se encuentre a una profundidad lo suficientemente grande como para evitar que una arremetida de gas salga por debajo de éste Resistencia de la formación contra arremetidas Lodo Lodo Gas * / 225 Resistencia de la formación contra arremetidas La presión que ejerce la arremetida, como función de la profundidad, se calcula con la siguiente fórmula: Parre = (Profhoyo/Profcalc) * M + Plodo Para determinar la profundidad correcta del revestidor superficial se tantea con Profcalc hasta que la presión de arremetida Parre sea menor que la presión de fractura. M = 0,5 lpg, incremento del peso del lodo en la arremetida Selección de Profundidad de Asentamiento * / 225 Ejemplo: Determine las profundidades de asentamiento para el pozo cuyas gradientes se muestran en la figura Selección de Profundidad de Asentamiento
Considerando los márgenes de 1 lpg, las profundidades de asentamiento resultaron: Revest. producción: 12.000’ Revest. intermedio: 10.000’ Revest. superficial: 3.500’
Verificando la posibilidad de pega diferencial del revestidor superficial a 3.200 pies: P = 0,052 * (MW - PP) * D = P = 0,052 * (10,0 - 9,0) * 3.200 = 166 psi < 2.000 No habrá problemas Repitiendo la operación para el revestidor intermedio a 10.000 pies: P = 0,052 * (MW - PP) * D = P = 0,052 * (13,0 - 9,0) * 8.000 = 1.664 psi < 2.000 Tampoco habrá problemas Y para el revestidor de producción a 12.000 pies: P = 0,052 * (MW - PP) * D = P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000 Puede haber problemas Selección de Profundidad de Asentamiento * / 225 Solución: P = 0,052 * (16,2 - 12,0) * 10.000 = 2.184 psi > 2.000 Este último resultado significa que no se puede usar un lodo de 16,2 lpg porque a la profundidad de 10.000’ se pegaría la tubería. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 9 11 13 15 17 19 Profundidad (pies) La decisión se centraría en utilizar un lodo más liviano. ¿Cual sería el lodo más liviano que se puede usar?: 0,052 * (MW -12,0 ) * 10.000 pies = 2.000 psi MW = 2.000/(0,052*10.000) + 12,0 =15,8 lpg ¿Hasta qué profundidad se puede perforar con 15,8 lpg?... Esa será la nueva profundidad de asentamiento... O usar ese lodo (menor factor de seguridad)... O modificar las profundidades anteriores... Selección de Profundidad de Asentamiento * / 225 Solución: Finalmente se verificará que el revestidor superficial, asentado a 3.200 pies resista una arremetida. Para ello se calculará la presión que generaría en la zapata a 3.200 pies, una arremetida que tenga lugar cuando se perfora el segundo hoyo a 10.000 pies. La presión de fractura a 3.200 pies es de sólo 13,2 lpg por lo que la arremetida generaría una fractura de la formación. Selección de Profundidad de Asentamiento EMWarrem = (prof. total / prof. de interÈs) ((M) + OMW = = (10.000/3.200) x (0,5) + 13,0 = 14,6 lb/gal * / 225 Solución: Para evitar el problema de la arremetida hay que calcular una nueva profundidad de asentamiento, utilizando la misma ecuación anterior y se calcula para diferentes profundidades. Luego se comparan los valores con el gradiente de fractura. Selección de Profundidad de Asentamiento EMWarrem =
Conductor 320’ Procedimiento de Diseño Superficial Intermedio Camisa La selección del diámetro se hace principalmente en función de que cada revestidor pueda contener al siguiente. El último, es decir, la tubería de producción debe tener suficiente diámetro para conducir el fluido del pozo hasta la superficie. Tub. de producción Selección del Diámetro * / 225 Superficial Intermedio Camisa Así pues, se escoge primero la tubería de producción y luego, sucesivamente los demás revestidores. Un segundo criterio de selección es la consideración de dejar suficiente espacio para herramientas o para bajar un revestidor intermedio, debido a algún problema imprevisto. Rev. Intermedio Selección del Diámetro Revestidor Hoyo Revestidor Hoyo Revestidor Hoyo Revestidor Hoyo Revestidor Este árbol muestra los diámetros más usuales de hoyos y revestidores. Las líneas contínuas representan las selecciones más usuales. Selección del Diámetro Utilizando los datos del problema anterior, seleccione los diámetros adecuados para el pozo, si la tubería de producción será de 3 1/2”. Selección del Diámetro Procedimiento de Diseño * / 225 Una vez que se sabe la longitud y los diámetros que tendrán los diferentes revestidores y tuberías, se procederá a determinar el espesor de los tubos y el material de que estarán hechos. Para ello se necesitan saber las cargas a que estarán sometidos estos elementos: Casos de carga Espesores y grados * / 225 Se denomina Casos de Carga a aquellas condiciones a las que se supone se verá sometido la tubería a lo largo de su vida de servicio, por ejemplo Prueba de presión Arremetida de gas Etc. * / 225 PDVSA ha definido, para cada tipo de revestidor y para la tubería de producción unos Casos de Carga para los cuales se tiene que verificar la capacidad de resistencia de la tubería. Casos de Carga Prueba de presión. 1/3 de vacío. Arremetida de gas. Vacío total. Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie con temperatura estática. Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie en caliente. Estimulación a través de la tubería de producción. Tratamiento de fractura del revestidor. Casos de Carga Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática. Cierre del pozo totalmente lleno de gas, con temperatura estática, en caliente. Vacío completo, con temperatura estática. Vacío completo, en caliente. Casos de Carga bajar la última sarta ó presión de poro Temperatura estática Presión interna: Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Casos de carga) del conductor del ejemplo anterior: Superficial, 4.000’ Producción, 10.000’ Presión externa: Hasta 320’ es igual a la presión natural de 8,5 lpg: @ 0’ = 0 psi Temperatura estática Presión interna: @ Prof. Total = Gradiente de fractura de seguridad = Grad. Fract. + 0,2 lpg para pozos de desarrollo ó 0,5 para pozos exploratorios. @ 320’ = 0,052 * 320 * (11,2 + 0,2) = 190 psi @ 0’ = @PT - columna de lodo @ 0’ = 190 - (0,052 * 320 * 10,0) = 23 psi Grad. Fract. Temperatura estática Temperatura estática: Si no se tienen medidas reales, se puede utilizar un gradiente de 0,8 °F/100 pie @ 0’ = 80° F Casos de Carga Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, 1/3 de vacío.- Nota, si después del revestidor viene una camisa, se genera un caso de carga adicional. P T bajar la última sarta bajar la última sarta Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura del revestidor superficial del ejemplo anterior, para el caso de 1/3 de vacío: Superficial, 4.000’ Producción, 10.000’ bajar la última sarta Temperatura estática: @ 0’ = 80° F Presión interna: Casos de Carga Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, Prueba de presión.- . revestidor Temperatura estática Presión/Temperatura hasta la zapata Perfil de temperatura Se considera una arremetida de: 50 bbl a 0,5 lpg para pozos de desarrollo 100 bbl a 1,0 lpg para pozos exploratorios Esta arremetida, junto con el lodo de perforación genera el perfil de presión interna: Se calcula la altura del gas Se determina su presión Se calcula el perfil de presión Casos de Carga Cálculo de la altura de gas: Volumen de gas: 50 bbl = 280,7 pie3 (pozos de desarrollo) Volumen del anular alrededor de la sarta de perforación: Casos de Carga Tubería de superficie, revestidores, camisas y tiebacks intermedios, Arremetida de gas.- Para haber desplazado al fluido de perforación, el gas debe tener una presión superior a la ejercida por éste: Presión del gas: 0,052 * (Prof hoyo abierto) * (Peso lodo + X) donde X = 1,0 lpg para pozos exploratorios y X = 0,5 lpg para pozos de desarrollo Esta presión se mantiene constante (0 lpg) hasta la altura del gas y luego decae con el gradiente correspondiente al peso del lodo Presión Altura del gas Nota: Al haber dependencia de la profundidad de hoyo abierto, si hay camisas, se presentan varios casos de cálculo de arremetida. Casos de Carga Tubería de superficie, revesti-dores, camisas y tiebacks intermedios, Arremetida de gas.- Todavía hay que verificar si la presión generada es soportada por la zapata. Si lo es, entonces ése es el perfil de presión interna. Si no, entonces el perfil corresponde a presión de fractura de la zapata, menos el peso del lodo. Presión Altura del gas El perfil de temperatura está basado en el perfil de circulación y la temperatura estática: 2/3 Fondo de hoyo - tope de gas Temperatura estática de fondo de hoyo TEF 0,95 TEF 0,90 TEF Temperatura calculada Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Caso de carga, arremetida de gas) del revestidor superficial: Superficial, 4.000’ Producción, 10.000’ hasta la zapata Perfil de temperatura Presión externa: Presión natural de poro, hasta 4.000’ igual a la presión natural de 8,5 lpg: @ 0’ = 0 psi Casos de Carga Volúmen de arremetida: 280,7 pie3 (pozo de desarrollo) Diámetro del hoyo: 12 1/4 pulg. Diámetro portamechas: 8 pulg. Longitud de portamechas: 600’ Prácticamente todo el volumen anular alrededor de los portamechas es ocupado por el gas, por lo que el tope del gas coincide con la longitud de portamechas: 600’ Casos de Carga @10.000’: Peso de lodo: 13,0 lpg Presión de gas = 0,052 * 10.000* (13,0 + 0,5) = = 7.020 psi @ 9.400’:7.020 psi Resistencia de fractura en la zapata: 14,2 lpg : 0,052 * 4.000 * (14,2 + 0,2) = 2.995 psi Por lo tanto la zapata falla y la máxima presión que puede haber a 4.000’ es 2.995 psi !!! @ 4.000’: 2.995 psi Lodo Gas 7.020 psi Temperatura estática de fondo de hoyo TEF 0,95 TEF = 152 °F 0,90 TEF = 144 °F Temperatura calculada = 144 - (6.060 * 0,8/100) = 96 °F = 144 - (2.060 * 0,8/100) = 128 °F Casos de Carga P r o f u n d i d a d Presión/Temperatura Presión interna: Peso de lodo más pesado que vaya a usarse + 0,3 lpg 0,95 Temperatura estática de fondo de hoyo TEF 2/3 TVD 0,9 TEF Temperatura calculada Casos de carga Temperatura estática Presión interna: 8,4 lpg dulce 7,0 lpg agrio Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie, temperatura estática.- Casos de carga 8,4 lpg dulce 7,0 lpg agrio Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Fuga de la tubería de producción cerca de la superficie, tem-peratura en caliente.- Casos de carga Presión externa: 0,95 TEF Temperatura calculada * / 225 P r o f u n d i d a d Revestidores, camisas y tiebacks de producción, Estimulación a través de la tubería de producción.- Casos de carga Presión interna: Presión de respaldo de la tubería de producción ó 50% de la presión de la prueba hidrostática ó 50% de la presión de cierre del pozo Presión interna: Gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo. Zapata Estimado: 40% de la tempera-tura estática de fondo de hoyo TEF Perfil de temperatura calculado Casos de carga Ejemplo, determinar los perfiles de presiones internas, externas y temperatura (Casos de carga, estimulación a través de la tubería de producción) para el revestidor y la camisa de producción: Superficial, 4.000’ Producción, 10.000’ Presión interna: Presión de respaldo de la tubería de producción ó 50% de la presión de la prueba hidrostática ó 50% de la presión de cierre del pozo Presión/Temperatura Estimado: 40% de la temperatura estática de fondo de hoyo TEF Perfil de temperatura calculado Presión interna: Gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo. 12.000’ 12.500’ Presión/Temperatura 12.000’ 12.500’ Presión interna: Presión de respaldo de la tubería de producción. Si se supone una fractura a 20.000 psi, podemos suponer una presión de respaldo de 10.000 psi (50%) en el fondo. @ 12.000 = 10.000 psi. Presión/Temperatura Zapata Presión interna: Gradiente de fractura (18,1) + 1,0 lpg en el fondo. @ 12.500 = 0,052 * 12.500 * 19,1 = 12.415 psi 12.000’ 12.500’ @ 10.000 = 4.700 + (10.000 - 4.700)*(10.000/12.000) 40% de la temperatura estática de fondo de hoyo TEF TEF = 80 + 12.500 * 0,8/100 = @ 10.000 = 60 + (72-60)*(10.000/12.500) P r o f u n d i d a d * / 225 Tubería de producción, Cierre del pozo totalmente lleno de gas, temperatura estática.- Casos de carga superficie. * / 225 Tubería de producción, Cierre del pozo totalmente lleno de gas, temperatura en caliente.- Casos de carga Temperatura de flujo Casos de carga superficie. Casos de carga superficie. Casos de carga BHP superficie. * / 225 Tubería de producción, Estimulación a través de la tubería de producción (con arenamiento).- Casos de carga Perfil de temperatura fría Zapata * / 225 Tubería de producción, Estimulación a través de la tubería de producción (sin arenamiento).- Casos de carga Presión interna: Presión máxima de bombeo en la superficie y gradiente de fractura + 1,0 lpg en el fondo. Perfil de temperatura fría Zapata * / 225 Una vez determinados los casos de carga hay que analizar cómo se van a emplear: Espesores y grados * / 225 Determina cuál caso de carga genera mayor diferencial de presión (dint > dext) y verifica la resistencia al estallido. Determina el caso de carga que genere mayor presión externa y vacío interno y verifica la resistencia al colapso. Verifica la resistencia a la tracción versus el peso sumergido de la sarta Considera un caso de carga base: revestidor colocado y cementado y le superpone los diferentes casos de carga: Caso base + Caso de carga 1 Caso base + caso de carga 2 Caso base + caso de carga... Para cada uno de estos cálculos se compara el resultado con la resistencia de la tubería. Además se calcula el esfuerzo equivalente (Von Mises) y se compara con la resistencia a la fluencia del material. Espesores y grados Variaciones del área transversal de la tubería Es conservador para pozos someros Insuficiente para pozos profundos Continuación... Variaciones del área transversal de la tubería En general se necesita de una computadora para realizar los cálculos Espesores y grados Casos de carga Cemento Lodo Presión externa: Casos de carga * / 225 Analizados los casos de carga, se deben comparar los resultados con la resistencia del material a: Colapso * / 225 Evidentemente, la Resistencia de la tubería (y de la conexión) debe ser mayor que la carga. Cuánto mayor lo determina el: Espesores y grados Factor de Diseño Espesores y Grados Factores de Diseño * / 225 Nótese que el Factor de Diseño se parece mucho al Factor de Seguridad. Sin embargo, el primero se relaciona con la resistencia teórica o asumida del tubular, mientras que el segundo se relaciona con la resistencia real. Factores de Diseño * / 225 Antes de proceder a determinar los esfuerzos que producen los diferentes casos de carga sobre las tuberías, es preciso conocer las características de los materiales de que están hechas éstas. Espesores y grados Espesores y Grados * / 225 Materiales Materiales Materiales * / 225 Para los efectos de diseño y en cierto grado para su clasificación las tuberías se identifican en base a su: Diámetro externo (-0,5% + 1,0%) Peso (espesor) (-12,5% + 0%) Grado (resistencia del material) 9 5/8” 47 lb/pie P-110 BTC Diámetro externo Peso unitario, que corresponde a un espesor de pared de 0,472” Material con una resistencia a la fluencia mínima de 110.000 psi Rosca Buttress Materiales Materiales * / 225 El diámetro es referido siempre al externo y tiene una holgura de (-0,5% + 1,0%) para los tubos mayores o iguales a 4 1/2”, y de (± 0,031”) para los tubos menores o igules a 4”. Los valores de diámetro que se fabrican usualmente son: 13 1/2” 13 3/8” 11 7/8” 11 3/4”…