Clase Sartas de Perforaciondos - Copia

8/18/2019 Clase Sartas de Perforaciondos - Copia

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“HERREMIENTAS DE PERFORACION”

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Prof. Ing. Luis Soto Pineda

TEMA IV Herramientas de perforación

Objetivo: El alumno será capaz de identificar los diferentes componentes y tipos detuberías que conforman una sarta de perforación, los tipos de roscas utilizados, tipos debarrenas, sabrá diseñar una sarta de perforación y elaborar un programa de barrenas.

I. Sartas de perforación

a. Objetivo de la sarta de perforación

b.

Componentes de la sarta de perforaciónc.

Qué es una tubería de acero?

d. Proceso de fabricación de las tuberías de acero

e.

Propiedades de las tuberías de acero

f. Tuberías utilizadas en la industria petrolera

g. Objetivo de las tuberías de revestimiento

h.

Tubería pesada y lastra barrenas

i. Conexiones o roscar en la tubería de perforación

j.

Diseño de sartas de perforación


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Objetivo: El alumno será capaz de identificar los diferentes componentes y tipos detuberías que conforman una sarta de perforación, los tipos de roscas utilizados, tipos debarrenas, sabrá diseñar una sarta de perforación y elaborar un programa de barrenas.

a. Definición

b.

Principio de operaciónc.

Clasificación de las barrenas

d. Barrenas tricónicas

e.

Barrenas de cortadores fijos (de diamante)

f. Selección de barrenas

g. Selección del diámetro de la barrena

h.

Factores que afectan el desgaste de la barrena

i. Determinación del tiempo optimo para el cambio de la barrena

II. Barrenas


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La sarta de perforación es una parte importante en el proceso de perforación rotatorio, su

diseño y selección requieren de un análisis cuidadoso para la obtención de resultados

satisfactorios. Dentro de los objetivos más importantes de una sarta de perforación se

incluyen:

!

Transmitir el movimiento rotatorio a la barrena.

! Servir de conducto de circulación.

! Dar peso a la barrena.

! Sacar y meter la barrena.

!

Efectuar pruebas de formación.

! Colocar tapones de cemento.

! Cementar las tuberías de revestimiento.

2

3

1

4


a. Objetivo de la sarta de perforaciónI. Sartas de perforación


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Los componentes de una sarta de perforación son muy variados y cada uno tiene unobjetivo específico, a continuación se mencionan los componentes más comunes:

! Barrena.

! Porta barrena (liso o estabilizador).

! Motor de fondo (opcional)

!

Doble caja.! Válvulas de seguridad.

! Lastra barrenas (Drill Collar).

! Junta de seguridad.

! Rimas.

!

Estabilizadores.! Martillos.

! Tubería pesada (Heavy Weight).

! Canastas colectoras.

! Tubería de perforación.

! Sustituto de la flecha.

!

Hules protectores.

LASTRABARRENAS

COMBINACION

BNA.

PORTABARRENA

DC

ESTABILIZADOR

VALVULA SEG

D. C. DE MONEL

MARTILLO HDCO

TUBERIA PESADA

ESTABILIZADOR

1

15

TUBERIA DE PERF.


b. ComponentesI. Sartas de perforación

Aparejo de fondo

Tubería de perf


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La distribución de los componentes de una sarta de perforación tiene que ver con el objetivode la misma, como se muestra en las siguientes figuras:


b. ComponentesI. Sartas de perforación

Aparejo para incrementar el

ángulo

Aparejo para mantener el

ángulo

Aparejo para disminuir el

ángulo


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Como se puede observar, a excepción de los hules limpiadores, todos los componentes de

una sarta de perforación son segmentos tubulares o tuberías.

Que es una tubería?

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 y manganeso, el

carbono y el manganeso reunidos no representan mas del 1.5% del total del metal.Aceros especiales.- Se hacen como los ordinarios pero se les agrega níquel,

cromo, cobre, molibdeno, vanadio y tungsteno.


c. Qué es una tubería?I. Sartas de perforación


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La tubería utilizada en la industria petrolera debe cumplir con ciertas característicasgeométricas y mecánicas como son:


c. Qué es una tubería?I. Sartas de perforación

La clase en una tubería se refiere al grado de usabilidad que ha tenido dicha tubería.

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

Diámetro exterior

Diámetro interior

Espesor

Clase

Grado

Resistencia a la tensión

Resistencia a la presión internaResistencia al colapso

Resistencia a la torsión

MecánicasGeométricas


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Debido a la importancia que tiene la tubería 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

tuberías:


d. Proceso de fabricaciónI. Sartas de perforación

El proceso mas utilizado dentro del ámbito de perforación en tuberías con diámetros

exteriores de 20” y menores es sin duda la fabricación de tubería sin costura. El proceso

de construcción consta de los siguientes pasos:

1.

Construcción sin costura2. Construcción con soldadura eléctrica

3.

Construcción con soldadura eléctrica instantánea (flash)

1. Materia prima

2. Acería

3. Colada continua

4. Laminado

Fusión

Vaciado

Afinación

Acería


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1.- Materia prima La materia prima utilizada en la fabricación de tubería es básicamente,

un 30% de fierro esponja (fierro natural) y un 70% de chatarra.

2.- Acería Es un proceso que consta de tres etapas fusión, vaciado y afinación, y su

objetivo es la fabricación de los tochos (barras de acero).

Fusión.- La materia y fierro, las aleaciones se calientan hasta alcanzar una temperatura

cercana a los 1620°C, en ese punto el acero se encuentra en estado liquido, la inyección

de gas argon se realiza por la parte inferior de la olla de fusión, con la finalidad de

homogeneizar la composición química del acero.

Vaciado.- Posteriormente, el acero de la olla de afinación es llevado y vaciado

al un distribuidor para obtener la colada continua.Afinación.- Después de realizar el vaciado de la olla de fusión a la olla de afinación, con

precisión, se realiza la afinación del acero mediante la adición de aleaciones (carbono,

cromo, manganeso, níquel, etc.) y así se obtiene el grado del acero requerido.




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3.- Colada continua El distribuidor de la colada continua ha sido deseñado 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 llamada tocho.

4.- Laminado El tocho entra al horno giratorio que contiene nueve zonas de calentamiento

alcanzando 1200°C en forma gradual. Después pasa al desescamador para eliminar laoxidación que sufre al contacto con la atmósfera y se proce a perforarlo.




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Fusión Vaciado Afinación Colada Continua



Aceria


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Máquina decorte

Máquinas Extractoras-Enderezadoras

Molde

Distribuidor

Olla Torreta




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FusiónVaciado Afinación Colada continua




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Tratamiento térmico.- Existen tres tipos de tratamientos térmicos temple, revenido ynormalizado. Los dos primeros son para aceros C75, L80, N80, TRC95, P110, TAC140, TAC 110

y Q125.

Temple.- El tubo es llevado a un horno aumentando gradualmente la temperatura hasta 860°C y

después se sumerge súbitamente en agua a temperatura de 40°C, esto altera la estructura

molecular primero en una austensita y posteriormente a una martensita la cual es dura y poco

dúctil.

Revenido.- La tubería es introducida a un horno aumentando la temperatura gradualmente a 550°C

cambiando la estructura molecular a una martensita revenida con bajos esfuerzos residuales.

Normalizado.- El tubo es calentado sin alcanzar la austenizacion de la estructura molecular del

acero. Es usado para aceros H40, J55, K55, etc.Acabado del tubo.- Terminado el tubo se realizan las siguientes pruebas:

! Prueba de inspección electromagnética (longitud, espesor, grado de acero, etc)

! Roscado (según normas API)

! Prueba hidrostática




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Resistencia.- Es el esfuerzo máximo que un material puede soportar antes de que

ocurra una falla (resistencia a la tensión, colapso y presión interna).

Rigidez.- Una estructura es rígida si soporta un gran esfuerzo con una mínima

deformación.

Ductilidad.- Es la capacidad de un material para soportar grandes deformaciones

inelásticas antes de la fractura. Se asocia con los esfuerzos de tensión.

Maleabilidad.- Es la capacidad de un material para soportar grandes deformaciones

inelásticas antes de la fractura. Se asocia con los esfuerzos de compresión.

Maquinabilidad.- Es la facilidad con la que un material puede maquinarse.

e. Propiedades de las tuberías de aceroI. Sartas de perforación


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Tuberías de

Revestimiento (T.R.)

Tuberías de

Producción

Tuberías de

Perforación

Tuberías de

Línea


f. Tuberías utilizadas en la industria petroleraI. Sartas de perforación

D. ext

pg

Peso

lb/pie

Grado Cedencia

lb/pg2

R. Colapso

lb/pg2

R. P. Int.

lb/pg2

R. Tensión

1000 lb

Espesor

pg

RoscaD. int

pg

En la industria petrolera se utiliza una gran variedad de tuberías de acero, siendo en losprocesos de perforación y terminación de pozos donde se utiliza la mayoría, a continuación

se mencionan las más usadas:

En este curso estudiaremos las tuberías de perforación ya que forma parte esencial de la

sarta de perforación. Como ya se menciono la sección más larga de una sarta de

perforación está constituida por la tubería de perforación y es ésta, la que más se daña

durante el proceso de perforación, razón por la cual le dedicaremos más tiempo. La tubería

de perforación al igual que las otras tuberías tiene las siguientes especificaciones:


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Yield Strength

Grado Min psi Max psi

E 75 75,000 105,000

X 95 95,000 125,000G 105 105,000 135,000

S 135 135,000 165,000

Rango 1 Rango 2 Rango 3

Longitud (pies) 18 a 22 27 a 30 38 a 45

Longitud (mt) 5.49 a 6.71 8.23 a 9.15 11.59 a 13.72

Grados más comunes en la TP Clasificación de la TP Por longitud

E

X

G

S

Identificación de la TP en campo

La TP se encuentra en diámetros de 2 3/8 hasta 6 5/8

Pesos unitarios más comunes

Diámetro ext.

(pg)

Peso nominal

(lb/pie)

2 3/8 4.85

6.65

2 7/8 6.85

10.40

3 1/2

9.50

13.30

15.50

4 14.00

15.70

Pesos unitarios más comunes

Diámetro ext.

(pg)

Peso nominal

(lb/pie)

4 1/2

13.75

16.60

20.00

22.82

5 19.50

25.6

5 1/2 21.90

24.70

6 5/8 25.20


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Clasificación de la TP por usabilidad

Tipo Descripción Código de color

Clase I Tubería nueva Una franja blanca

Premium Resistencia del 80% Dos franjas blancas

Clase II Resistencia del 65% Una franja amarilla

Clase III Resistencia del 55% Una franja azulClase IV Deshecho Una franja roja

El Instituto Americano del Petróleo API haestablecido diversos lineamientos para la

clasificación de la tubería de perforación

en función del desgaste que esta

presente. El desgaste afecta directamente

a la resistencia del tubo.




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Tubería conductora.- Es la primera que se introduce y puede ser hincada o cementada. Suobjetivo es permitir la instalación del primer preventor (en algunos casos se instala el cabezal)donde se instalan las conexiones superficiales de control y establecer un medio de circulaciónpara el fluido de perforación.

Tubería superficial.- La introducción de esta tubería tiene como objetivos instalar las conexiones

superficiales de control definitivas, aislar acuíferos superficiales, zonas de pérdida y zonas degas someras. Esta tubería se cementa hasta la superficie.

Tubería intermedia.- Estas tuberías se introducen con la finalidad de aislar las zonas de presiónnormal, anormal y depresionadas, permitiendo incrementar o disminuir la densidad del fluido deperforación para continuar con la etapa siguiente. Estas tuberías pueden ser introducidas en unasola etapa (corrida) o en dos etapas (liner y complemento) y la cementación de igual manera

puede ser en una o dos etapas.


g. Objetivo de las tuberías de revestimientoI. Sartas de perforación

Las tuberías de revestimiento son de gran importancia en la perforación de pozos, razón por lacual mencionaremos su clasificación y principales objetivos.

Tubería conductora

Tubería de revestimiento superficial

Tubería de revestimiento intermedia

Tubería de revestimiento de explotación

Tuberías de revestimientoTR


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Conductor

Superficial

Intermedia

Intermedia

Intermedia

Intermedia

Explotación

Boca de liner

Boca de liner

Conductor

Superficial

Intermedia

Intermedia

Explotación

Tubing

Less



Tubería de explotación.- Esta tubería tiene como finalidad aislar las zonas productoras de zonasindeseables (acuíferos, zonas depresionadas, etc.) y permitir una explotación selectiva delyacimiento. Generalmente esta tubería no se extiende hasta la superficie y comúnmente se lellama tubería corta o liner. En el diseño de esta tubería se debe poner especial atención, ya quesiempre estará en contacto con los fluidos producidos e inyectados soportando las presiones delyacimiento y las de tratamiento ( estimulación o fracturamiento). A continuación se muestrandiversos arreglos de tuberías de revestimiento.

g. Objetivo de las tuberías de revestimiento


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I. Sartas de perforación h. Tubería pesada y lastra barrena

El uso de la tubería pesada es una práctica ampliamente aceptada en la industria de la

perforación ya que debido a su mayor espesor de pared el peso unitario se duplica o triplica. Los

diámetros más comunes son:

Diámetro externo (pg) Diámetro interno (pg) Peso (lb/pie)

3 ! 2 1/16 26

4 2 9/16 28

4 ! 2 "” 42

5 3 50

Las principales ventajas que se tienen con el uso de esta tubería son:

" Reduce los costos de perforación ya que al colocarla en la zona de transición (inmediatamente

arriba de los lastra barrenas) se eliminan las fallas de la tubería.

"

Incrementa significativamente la capacidad de los equipos pequeños al eliminar los lastrabarrenas.

" Ahorros en la perforación direccional al disminuir el número de lastra barrenas, reduce la

torsión y disminuye las tendencias al cambio de ángulo.

El uso de la tubería pesada helicoidal minimiza los problemas de pegadura por presión diferencial.


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Las funciones más importantes de los lastra barrenas son:

! Dar peso a la barrena

! Minimizar los problemas de estabilidad del agujero

! Minimizar los problemas de control direccional.

Las formas de los lastra barrenas son variados, siendo los más

comunes los lisos y los ranurados en espiral. El uso de lastra barrenas

de mayor diámetro tiene las siguientes ventajas:

Se requieren menos lastra barrenas para proporcionar el mismo peso.

#

Disminuye el tiempo de conexión.# Se obtiene mayor rigidez.

# Se mantiene la verticalidad.

Al igual que en la tubería pesada, el uso de lastra barrenas ranurados disminuye el área decontacto con la pared del pozo disminuyendo los problemas de pegadura por presión

diferencial.




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Debido a que las tuberías que se utilizan en los pozos tienen un limite de longitud, es necesario

unir estas tuberías para introducirlas al pozo, con la premisa de que la unión debe ser hermética

y capaz de soportar cualquier esfuerzo al que se someterá, a esta unión se le conoce como

Junta o Conexión.


i. Conexiones o juntas en la tubería de perforaciónI. Sartas de perforación

Clases de juntas Existen dos clases de juntas de acuerdo a su forma de unión

Acopladas.- Son las que integran un tercer elemento llamado cople para realizar la uniónde dos tubos.

Nota.- La resistencia delcople se considera

igual a la del tubo

Juntas acopladas

Integrales.- En un extremo del tubo se maquina la cuerda exteriormente y en el otrointeriormente, y se clasifican en: Recalcadas, Formadas y Lisas.


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Juntas integrales Dependiendo del tipo de rosca se clasifican en:

Roscas API El sello se realiza mediante unanillo u O Ring y por la grasa aplicada. Existencuatro tipos:

Roscas Premium Son roscar mejoradas y elsello es metal - metal entre el piñón y la caja

! Tubería de línea

! Redondas

! Butress

! Extreme line


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Para seleccionar las juntas apropiadas para un pozo se deben analizar las ventajas ydesventajas de cada una y realizar el análisis económico sin olvidar la seguridad.

Roscas API Roscas Premium

Ventajas: Son económicasDesventajas: Difícil enrosque, menorresistencia a los esfuerzos axiales y sellono hermético.

Ventajas: Fácil enrosque, sello hermético ymayor resistencia a los esfuerzos axiales

Desventajas: Costo elevado


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Las conexiones en la tubería de perforación generalmente son del tipo recalcado, debido aque son sometidas como sartas de trabajo, a grandes esfuerzos durante las operaciones de

perforación:

Las roscas más comunes en la tubería de perforación son:

IEU (Internal – external Upset).- Esta junta se caracteriza por tener un diámetro externo

mayor que el cuerpo del tubo y un diámetro interno menor que el diámetro interno del tubo.

IF (Internal Flush).- El diámetro interno es aproximadamente igual al diámetro interno del

tubo y el diámetro externo es mayor que el del tubo.

IU ( Internal Upset).- El diámetro externo es casi el del tubo y el diámetro interno es menorque el diámetro interno del tubo.

En la actualidad se tiene mas diversidad de roscas para la tubería de perforación como:

REG, NC -50, ETC. Es importante mencionar que estas juntas están diseñadas para

trabajar en tensión.


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CONEXIONES

INTEGRALES ACOPLADAS

RECALCADASFORMADAS(SEMI LISAS)

LISAS(FLUSH)

API Extreme line API TubingVam-Ace-XL

HD

HD – 521HD – SLX

MAC II

VAM – FJLHD – 511HD - 513

APIPREMIUM

8 HRR10 HRR

BUTRESS

MULTI VAMVAM ACEVAM SLHD 563


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DISEÑO DE SARTAS

DE

PERFORACION


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En el proceso de perforación de un pozo, la sarta de perforación es el componente del equipo

que más se somete a esfuerzos (tensión, compresión, presión interna y externa, doblez, fatiga,

torsión, abrasión y corrosión). La acción independiente o combinada de dichos esfuerzos puede

causar los siguientes problemas durante la perforación:

El principio fundamental que debe respetarse al diseñar

una sarta de perforación es que los esfuerzos a que se

someten sus componentes tubulares deben ser

siempre inferiores a las resistencias de dichos

componentes, sin deformarse permanentemente o

alcanzar su límite elástico (ver figura). Cuando se

rebasa el límite elástico el componente tubular sufre

una deformación permanente y por lo tanto una

reducción en su resistencia.


j. Diseño de sartas de perforaciónI. Sartas de perforación

$

Desprendimiento

$

Colapsamiento$

Fugas de presión (roturas)


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Límite elástico.- Es el esfuerzo máximo que puede sufrir un cuerpo sin que la deformación sea

permanente.

Esfuerzo.- Es la razón de una fuerza aplicad entre el área sobre la que actúa (kg/cm2, psi, etc.).

Deformación.- Es el cambio relativo en las dimensiones de un cuerpo como resultado de la

aplicación de un esfuerzo.

Punto de cedencia.- Es el valor que se alcanza de un esfuerzo, mayor del límite elástico, alcual el material continúa deformándose sin que haya incremento de la carga aplicada.

Los metales tienen otras propiedades importantes , además de las anteriormente descritas,

como:

Dureza: Resistencia del metal a la penetración o la deformación.

Ductilidad: Capacidad del metal para deformarse plásticamente sin fracturarse, medida por la

elongación o reducción de área (al tensionarlo).

Maleabilidad: Característica de los metales que permiten una deformación plástica en

compresión sin rotura.

E – 75 G – 105 S – 135 P – 110 TRC - 95


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La Ley de Hooke establece que: Siempre que no se exceda el límite elástico, unadeformación elástica es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada por

unidad de área (esfuerzo). La elongación que sufre una tubería al aplicarle una fuerza de

tensión se calcula con la siguiente ecuación:

!L =F x l

A x Y

!L es el incremento de longitud ó elongación en (m)

F fuerza o tensión aplicada en (kg)

l longitud original de la tubería en (m)

A área transversal del tubo en (cm2)

Y Módulo de Young en (kg/cm2) 2.11x106 kg/cm2 para el acero



Problema:

Cuál es la elongación que sufre una tubería si se tiene una sarta de perforación con una

longitud de 3,000 m, al aplicarle una tensión de 25 ton sobre su peso?. La tubería es de 3

1/2” con un diámetro interior de 2.992”.


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Tarea:

Cuál es la elongación que sufre una tubería si se tiene una sarta de perforación con una

longitud de 14,760 pies, al aplicarle una tensión de 25 ton sobre su peso?. La tubería es de

5” con un espesor de0.362”.


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El Instituto Americano del Petróleo API tiene establecido que para el diseño de sartas de trabajosean considerados los tres esfuerzos principales a que son sometidas:

Tensión.- Una sarta de trabajo al estar suspendida verticalmente, sufrirá un esfuerzo axial llamado

tensión, producto de su peso. El valor de este esfuerzo varía de cero en el punto neutro hasta un

máximo en el punto de apoyo, es decir en la superficie.

Compresión Tensión

Punto neutro

KG

Prof

Esfuerzos por tensión ( kgs, tons ó en lbs)

Tensión Rpi se incrementa

Tensión Rpc se disminuye



F2

F1

Si la tubería estuviera suspendida en el

aire soportaría todo su peso. Si esta

sumergida en un fluido (lodo), disminuye

su peso por el efecto de empuje, esto enfunción de la densidad del fluido;

cambiando los esfuerzos de tensión a

compresión a partir del punto neutro

hacia abajo.


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Torsión.- La cantidad de esfuerzo por torsión que resiste una tubería bajo tensión debe calcularse

en cada cambio de tubería.

Presión cero

Presión

máxima

Esfuerzos por colapso (kg/cm2, lb/pg2 ó en psi)

Compresión Rpi se disminuye

Compresión Rpc se incrementa

Colapso.- Este esfuerzo se debe principalmente al efecto de la presión exterior que ejerce lacolumna hidrostática de los fluidos de perforación. El valor de este esfuerzo aumente con la

profundidad y su valor máximo estará en el extremo inferior de la tubería.

PiPe


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Un adecuado diseño de la sarta de perforación permite reducir costos a través de:1. Optimizar el número de lastra barrenas, tubería pesada y tubería de trabajo.

2. Reducir el riesgo de desprendimiento o ruptura de los componentes de la sarta.

3. Reducir la posibilidad de pegaduras por presión diferencial.

4. Mantener un control sobre la dirección del pozo para reducir la turtuosidad y el arrastre.

Metodología Práctica de Diseño

1. Recopilación de información.

2. Selección del aparejo de fondo.

3. Diseño de la tubería de trabajo.

4. Criterios de estabilización de la sarta.


• Diseño de sartas de perforación I. Sartas de perforación

Debe tomarse en cuenta que un sobre diseño incrementa el costo de la perforación.

La metodología para obtener un diseño optimo consta de los siguientes puntos:


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1.- Recopilación de la información.- La información necesaria para el proceso de diseño yselección de la sarta se puede resumir en:

a. Profundidad total

b. Trayectoria y ángulo máximo

c. Peso sobre barrena requerido

d.

Factores de diseño

e. Pozos de correlación

f. Margen de jalón

g. Inventario de tubería

h.

Especificaciones de la tubería

Algunos cálculos del diseño de sartas de perforación se basan en experiencias y condiciones

esperadas durante la perforación. Por lo tanto, es necesario analizar con mucho detalle los

pozos de correlación para determinar variables como:

# Arrastres esperados.

# Posibles pegaduras por presión diferencial.

# La hidráulica.


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2.- Selección del aparejo de fondo.- El diseño de lasarta de perforación se realiza de abajo hacia arriba,

por lo que una ves que se tiene la información se

procede a la selección del aparejo de fondo (lastra

barrenas y tubería pesada).

Existen tres tipos de configuraciones de aparejos defondo, los cuales permiten mantener el punto neutro

por debajo de la tubería de trabajo. La selección se

hace en función de la severidad de las condiciones de

operación determinadas en los pozos de correlación.

Tipo 1.- Es la configuración más simple y esta compuesta por lastra barrenas y tubería de

perforación. El peso sobre la barrena se aplica con los lastra barrenas y el punto neutro se

localiza en los lastra barrenas.

Tipo 2.- Utiliza tubería pesada por arriba de los lastra barrenas, como transición entre los lastra

barrenas y la tubería de perforación. El peso sobre la barrena es aplicado con los lastra barrenas

y el punto neutro se localiza en los lastra barrenas.




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Tipo 3.- Esta configuración utiliza lastra barrenas únicamente para el control direccional y reducirla vibración de la sarta de perforación. El peso sobre barrena es aplicado con los lastra barrenas

y la tubería pesada, quedando el punto neutro en la tubería pesada. Este arreglo permite

manejar el aparejo de fondo en forma rápida y sencilla, reduce las pegaduras por presión

diferencial. Este arreglo es el más recomendado para la perforación direccional.



2.1.- Determinar el diámetro de los lastra barrenas.- Cuando las pegaduras por presión

diferencial sean mínimas, la experiencia establece que el diámetro de los lastra barrenas

debe ser el máximo permisible. La siguiente ecuación proporciona un valor aceptable para

el diámetro de los lastra barrenas dMLB

(pg).

d MLB = 2 dECTR – dB Donde;

dECTR = diámetro exterior del cople de la TR (pg)

dB = diámetro de la barrena (pg)


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2.2.- Calcular la longitud de los lastra barrenas.- Cuando el peso sobre la barrena esproporcionado únicamente por los lastra barrenas utilizar la siguiente ecuación:

LLB

=671.4*PSB *Fd

PLB *FF *cos"

Donde; LLB (m) es la longitud mínima de lastra barrenas

PSB (ton) es el máximo peso requerido por la barrena,

Fd es el factor de diseño para asegurar que el punto neutro se ubique

por debajo de la cima de los lastra barrenas y su valor es de 1.10 – 1.20

PLB (lb/pie) es el peso unitario de los lastra barrenas (sin flotación),

FF es el factor de flotación adimencional

es el ángulo del pozos respecto a la vertical.



2.3.- Calcular la longitud de la tubería pesada.- Cuando la tubería pesada se utiliza para reducir

los niveles de esfuerzos en la zona de transición, el API recomienda utilizar de 9 a 10 tramos de

tubería pesada. Cuando es utilizada además de lo anterior para dar peso a la barrena la longitud

se obtiene con la siguiente ecuación:

LTP =671.4*PSB *Fd

PTPHW *FF *cos"

PLB *LLB

PTPHW Donde; PTPHW es el peso unitario de la tubería(lb/pie)


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3.- Diseño de la tubería de trabajo.- Después de calcular el diámetro y número de tramosde lastra barrenas y de tubería pesada, se procede a diseñar la tubería de perforación,

proceso en el cual se revisan las condiciones más criticas a las que será sometida la

tubería y se comparan con su resistencia específica (tablas).

Para lograr un diseño óptimo y seguro de la sarta de perforación se deben tomar encuenta los siguientes parámetros:

a. Resistencia a la tensión de la tubería RT (tablas)

Se debe tomar en cuenta si la tubería es nueva o usada (clase I, Premium, clase II, etc)

b. Factor de diseño a la tensión FdT

Dependerá de las condiciones del pozo y varia de 1.3 a 1.6

c. Tensión de trabajo TT a la que estará expuesta la tubería

d. Margen de jalón MJ

Este dependerá de los riesgos potenciales de atrapamiento y condiciones de arrastre




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Paso 1.- Calcular la Máxima tensión permisible MTP (toneladas).- Es la máxima tensión

a la que estará expuesta la tubería y se calcula con la siguiente ecuación:

MTP = (Ton)

4.54 x 10-4 RT

FdT

RT (lbs) resistencia de la tubería (tablas)

FdT factor de seguridad a la tensión el cual varía de

1.3 a 1.6.



3.1.- Procedimiento de cálculo:

Paso 2.- Determinar el margen de jalón MJ

(toneladas).- El margen de jalón se determina tomando en

cuenta los riesgos potenciales de un atrapamiento de la

sarta de perforación, del arrastre máximo de la sarta deperforación en pozos desviados y del efecto ocasionado

por las cuñas.

M J > = MTP [ (ET/EC) – 1] (Ton)

Diametro

Tubería (pgs) 12 (pgs) 16 (pgs)

2 3/8 1.25 1.18

2 7/8 1.31 1.223 1/2 1.39 1.28

4 1.45 1.32

4 1/2 1.52 1.37

5 1.59 1.42

5 1/2 1.66 1.47

Longitud de las cuñas

Constante de efecto de cuñas (ET/EC)

En la practica el MJ varia de 20 a 60 ton

Asección = 4.17 x 10-4 FF P us Lsecc (sen ")(Ton)


45/64



Paso 2.- Calcule la Tensión de Trabajo TT (toneladas).- Una ves obtenida la máximatensión permisible MTP y el margen de jalón MJ, la tensión de trabajo se obtiene con la

siguiente ecuación:

TT = MTP - MJ (Ton)

Paso 3.- Calcular la longitud de las secciones de tubería de perforación.- El principio

para calcular las longitudes, grados y pesos de las secciones de tubería de perforación es

mantener durante todo el proceso de perforación, y a lo largo de toda la sarta de

perforación, la tensión de la misma menor o igual a la máxima tensión permisible. Bajo

este criterio la tubería de menor resistencia a la tensión se coloca inmediatamente arriba

de la tubería pesada o lastra barrenas.

Bajo este principio, y de acuerdo con el arreglo de la sarta seleccionado, la tubería de

menor resistencia se coloca inmediatamente arriba de los lastrabarrenas o tubería pesada.


46/64



La longitud de la primera sección esta limitada por la tensión de trabajo TT determinadapreviamente y se obtiene con la siguiente ecuación:

LTP(SEC1) =

TT(SEC1)

FF - 1.49x10-3 (PLB LLB + PHW LHW)

1.49x10-3

PTP(SEC1)

LTP(SEC2) =(TT(SEC2) – TT(SEC1))

1.49x10-3 PTP(SEC2) FF

Si la longitud de la primera sección no es suficiente para la profundidad del pozo, la

longitud máxima de la segunda sección se calcula con la siguiente ecuación:

PTP (sec)1 Es el peso unitario de la tubería de perforación que se analiza (lb/pie)


47/64

LTT(SEC3) =(TT(SEC3) – TT(SEC2))

1.49x10-3 PTP(SEC3) FF

Si adicionalmente, es necesaria una tercera sección de tubería, la longitud se obtiene conla ecuación:




48/64

CRITERIOS DE ESTABILIZACION

EN LAS

SARTAS DE

PERFORACION


49/64

4.- Criterios de estabilización de la sarta de perforación.- Los ensambles de fondo de las

sartas de perforación originan fuerzas en la barrena, que varían de acuerdo con las condiciones

de operación ( peso sobre la barrena). Durante la perforación estas fuerzas gobiernan el ángulo de

inclinación del pozo. Para el control direccional del pozo se utilizan fuerzas laterales ejercidas por

los estabilizadores al cambiar el punto tangencial o de contacto con la formación.



La manipulación de la posición y el número deestabilizadores (puntos de contacto) es fundamental

para un buen control de la trayectoria del pozo.


50/64

4.1 Principios de estabilización de aparejos de fondo.- Cuando se aplica peso sobre labarrena se originan dos fuerzas en la barrena: una fuerza positiva ( pandeo) y una negativa

( péndulo). La fuerza resultante en la barrena FB se puede determinar con la siguiente

ecuación:



FB = - 7.45 x 10-4 PLB FF LT sen " +

0.0254 ( PSB – 7.45 x10-4 PLB FF LT cos ") l

LT

(Ton)

Péndulo Pandeo

FB es la fuerza resultante (ton)LT es la longitud de la barrena al primer punto de contacto (m)

PSB es el peso aplicado a la barrena (ton)

PLB es el peso unitario de los lastra barrenas (lbs/pie)

l es el claro entre el agujero y el diámetro exterior del lastra barrena (pg)

l = 0.5 (db – deLB)Incrementa el ánguloDisminuye el ángulo


51/64



La ecuación anterior tiene dos incógnitas por lo que se recomienda el siguiente procedimiento:1. Suponer un valor de LT. De acuerdo con la experiencia se sugiere iniciar con LT = 10 m

2. Calcular el factor de flotación y determinar el PLB

3. Calcular la carga compresiva de los lastra barrenas

CCLB

= PSB

– 7.45 x 10-4 PLB

FF L

TS sen " (Ton)

4. Determine la rigidez de los lastra barrenas

RLB = 1.424 x 106 (d4eLB – d

4iLB ) (lbs – pg2)

5. Calcular la variable u (adimensional)

u = 924 LTCCLB

RLB

0.5

6. Calcular la función X

X =3 (tanu – u)

u3


52/64


LT =

7. Calcular la longitud de la barrena al punto de tangencia LT

1.2 x 10-4 RLB l

PLB FF sen " X

0.25

( m )

8. Si el valor de LT calculado en el paso anterior es diferente del supuesto en el paso 1, calcular unpromedio de ambos.

9. Tomar el valor promedio de LT calculado como el nuevo valor de LT supuesto y repetir los

cálculos hasta que el valor calculado de LT sea aproximadamente igual al supuesto.

9. Calcular la fuerza resultante en la barrena FB

Si la fuerza resultante es positiva ( + ) el ángulo se incrementa

Si la fuerza resultante es negativa ( - ) el ángulo disminuye

Si la fuerza resultante es cero el ángulo se mantiene


53/64

Reglas prácticas para estabilizar la sarta de perforación

El arreglo 1 es utilizado para obtener moderados

incrementos de ángulo .

Los arreglos 2 y 3 permiten obtener incrementos de 1

y 3° /30 m.

El arreglo 4 proporciona mayor fuerza de pandeo que

los arreglos 5 y 6 en agujeros con inclinación < a

8°.

Los arreglos 5 y 6 permiten incrementos de ángulo de

2 y 5° /30m en pozos cuya inclinación es > a 8°.



Como resultado de modelos complejos (3D), que consideran fuerzas de inclinación y direccional de

la barrena, curvatura del agujero, diferentes diámetros del agujero y ensamble de fondo y puntos de

tangencia entre la barrena y estabilizadores y entre estabilizadores a continuación se presentan

algunas reglas practicas para determinar el número y posición de los estabilizadores.

1a1.5

a. Ensamble de fondo para incrementar el ángulo


54/64

b. Ensamble de fondo para reducir el ángulo

Este tipo de arreglo es conocido como arreglos tipo

péndulo, debido a que la fuerza lateral, de péndulo,

ejercida por la gravedad, es superior a la de pandeo y

se logra eliminando el estabilizador colocado arriba

de la barrena e instalándolo abajo del primer punto de

tangencia.Los arreglos 5 y 6 proporcionan la mejor respuesta

para reducir el ángulo. Cuando se tienen pozos con

alta inclinación, el número de puntos de contacto

entre la barrena y el primer estabilizador se

incrementa causando reducción en la fuerza depéndulo originando una menor respuesta a reducir el

ángulo del pozo.


Para contrarrestar lo anterior se disminuye la distancia de la barrena al primer estabilizador comolo muestran los arreglos 1 y 2. Estos arreglos son más utilizados para controlar la desviación delpozo.


55/64

c. Ensamble de fondo para mantener el ánguloEstos ensambles son conocidos como sartas

empacadas.

En estos arreglos los estabilizadores se colocan de

tal manera que las fuerzas laterales de pandeo y

péndulo se neutralicen. Este efecto generalmente se

logra colocando dos estabilizadores cerca de la

barrena, el primero inmediatamente arriba de la

barrena y el segundo a 6 m o menos.

Los arreglos 1 y 2 mantienen el ángulo de

incremento, los arreglos 4 y 5 mantienen la reducción.

El arreglo 3 en pozos con inclinación menor a 10°mantiene el incremento de ángulo y para mayores de

10° mantiene la reducción.



Los ensambles empacados, en realidad tienen la función de incrementar o reducir paulatinamente

el ángulo de inclinación del pozo evitando cambios bruscos.


56/64

Recomendaciones

1. En situaciones donde la sarta de perforación estará sometida a condiciones

extremadamente severas, como en pozos de alta inclinación o de largo alcance, se

recomienda diseñar la sarta tomando en cuenta esfuerzos combinados (tensión/colapso,

tensión/torsión, etc.).2. Durante el diseño de una sarta de perforación, se recomienda contar con tablas de

especificaciones de la tubería actualizadas.

3. Existe sofware técnico como herramienta de cálculo para el diseño de la sarta de

perforación, por lo que se recomienda su empleo, una vez que se han comprendido los

conceptos y criterios básicos.




57/64

Recomendaciones para el cuidado e inspección de la tubería de perforación

1. Llevar el control de las revisiones hechas por inspección tubular con la finalidad de tener

actualizada las condiciones de la sarta de perforación.

2.

Aplicar el apriete óptimo durante su introducción para evitar deformaciones en caja y piñón.3. Los instrumentos de medida de apriete, se deben revisar y calibrar periódicamente.

4. Verificar las condiciones de la tubería de perforación nueva y usada de acuerdo a la

codificación API.

5. Verificar las condiciones de las cuñas y buje maestro. Es recomendable una prueba de las

cuñas cada tres meses o de acuerdo a las condiciones observadas.

Ya se mencionó con anterioridad que la sarta de perforación es sometida a grandes esfuerzosdurante la perforación y operaciones de pesca, razón por la cual es de suma importancia que sea

inspeccionada continuamente para:

a. Cuantificar el desgaste del cuerpo del tubo y determinar su clase.

b. Ver si no existen fracturas en el tubo.

c.

Determinar las condiciones de la rosca.



“SARTAS DE PERFORACIÓN” Diseño de sartas de perforación


58/64

1a. ETAPASECCION VERTICAL (DE 50 A 1000 M)

ESTAB. 9 !” x 17 1/2”

COMB.

DOBLE CAJA LISO(8 5/8” x 7 5/8”) API. REG.

DIAMETRO DIAMETRO PESO PESO TORQUEEXTERIOR INTERIOR (LB/PIE) (KG/M) (FT-LB)

8" 2 13/16" 150.00 223.5 6 5/8" A.P.I. REG. 53000

9 1/2" 3" 217.00 323.33 7 5/8" A.P.I. REG. 88000

LASTRABARRENAS (DC)

CONEXIÓN

TORQUE(PIE-LB)

EXT. INT. D. INT. D. EXT. CAJA

5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

JUNTA

TUBERIA PESADA (HEAVY WEIGHT)

ESPESORDE PARED

RECALCENTRAL

RESIST.TENSION

(lb)

RESIST.TORSION

(lb/p)

DIAMETROCONEXIÓN

PESO(lb/p)

PESO(kg/m)

MIN. MAX. MIN. MAX.

36 - 20 8 5/8 40000 60000 5530 8300

BARRENA

DIAMETROTAMAÑO DEL

PIÑON APIREG.

TORQUE RECOMENDADO (FT-LB)

(lb/pie) (kg/mt)

APAREJO DE FONDO

PESONOMINAL

PESOAJUSTADO

RESIST.TENSION

TORSION

DEENROSQUE

RESIST.TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100%

EN LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 311535

31.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 394612

32.66 G-105 178425 6 3/32" 3 1/4" 0.4 21914 1304 436150

33.67 S-135 229403 6 5/16" 2 3/4" 0.4 28381 1689 560764

DIAMETRO(pg)

CONEXIÓN GRADOJUNTAS (CLASE) ESPESOR

DE PARED

PREMIUM

AMP.

COMB.

12 TRAMOS HW 5”, 50 lb/pie

DCN 9 1/2”

DCN 8”

TP 5” ,19.5 lb/p

BNA 26”

ESTAB. 9 !” x 17 1/2”

DCC 9 1/2”

ESTAB. 8” x 26”

DCN 9 1/2”

1

2

4

5

6

3

7

8

9

ESTAB. 8” x 26”

DCN 8”

TUBERIA DE PERFORACION



59/64

p



60/64

p

APAREJO DE FONDO

2a. ETAPA

SECCION VERTICAL (1000 A 2000 M)

PESOTORQUE(PIE-LB)

EXT. INT. D. INT. D. EXT. KG/M CAJA

5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

JUNTA


ESPESORDE PARED

RECALCENTRAL

RESIST.TENSION

(lb)

RESIST.TORSION

(lb/p)

PESOlb/p

DIAMETROCONEXIÓN


8" 2 13/16" 150.00 223.5 6 5/8" A.P.I. REG. 53000

9 1/2" 3" 217.00 323.33 7 5/8" A.P.I. REG. 88000

LASTRABARRENAS

CONEXIÓN

MIN. MAX. MIN. MAX.

36 - 20 8 5/8 40000 60000 5530 8300

BARRENA

DIAMETROTAMA O DEL

PIÑON API

REG.

TORQUE RECOMENDADO (FT-LB)(lb/pie) (kg/mt)

PESONOMINAL

PESOAJUSTADO

RESIST.TENSION

TORSIONDE

ENROSQUE

RESIST.TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100%

EN LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 311535

31.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 394612

3 2.6 6 G-1 05 17 84 25 6 3/3 2" 3 1/4 " 0 .4 21 91 4 13 04 4 36 15 0

3 3.6 7 S-1 35 22 94 03 6 5/1 6" 2 3/4 " 0 .4 28 38 1 16 89 5 60 76 4

DIAMETRO(pg)

CONEXIÓN GRADOJUNTAS (CLASE)

ESPESORDE PARED

PREMIUM

AMP.

COMB

DCN 9 1/2”

TP 5”, 19.5 lb/p

BNA 17!

”

PORTA BNA. LISO

1

2ESTAB. 9 !” x 17 ! ”

DCC 9 1/2”ESTAB. 9 !” x 17 1/2”

4

5

DCN 8”

6

9

12 HW 5”, 50lb/p

3 DCN 9 1/2”

8

7

ESTAB. 8” x 17 ! ”

COMBINACION



61/64

APAREJO DE FONDO

2a. ETAPASECCION DIRECCIONAL (2000 A 3800 M)

MOTOR DEFONDO 8”

BHO 8”

DC ANTIMAGNETICO 8”

9 DC NORMAL 8”

Bna. 17 1/2”

Comb.6 5/8”-REG.X 5” NC-50

MARTILLO HDCO 8”

12 Tramos HW 5”

COMB (P) 75/8” REG. X 6 5/8”REG.

PESOTORQUE(PIE-LB)


5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400

TUBERIA PESADA ( HEAVY WEIGHT)

ESPESORDE PARED

RECALCENTRAL

RESIST.TENSION

(lb)

RESIST.TORSION

(lb/p)

PESOlb/p

DIAMETROCONEXIÓN

JUNTA


8" 2 13/16" 150.00 223.5 6 5/8" A.P.I. REG. 53000

LASTRABARRENAS

CONEXIÓN

MIN. MAX. MIN. MAX.

36 - 20 8 5/8 40000 60000 5530 8300

(lb/pie) (kg/mt)

BARRENA

DIAMETROTAMA O DEL

PIÑON APIREG.


PESONOMINAL

PESOAJUSTADO

RESIST.TENSION

TORSIONDE

ENROSQUE

RESIST.TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100%EN LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 311535

3 1.9 4 X-95 16 1432 6 1/32 " 3 1 /2" 0.4 1991 9 1 186 3946 12

3 2.6 6 G-10 5 17 8425 6 3/32 " 3 1 /4" 0.4 2191 4 1 304 4361 50

3 3.6 7 S-13 5 22 9403 6 5/16 " 2 3 /4" 0.4 2838 1 1 689 5607 64

DIAMETRO(pg)

CONEXIÓN GRADOJUNTAS (CLASE)

ESPESORDE PARED

PREMIUM

AMP.



62/64

p



63/64

APAREJO DE FONDO 5a. ETAPA @ 6804 m

15 LASTRABARRENAS 6 ! ”

COMB

BNA. 8 3/8”

PORTABARRENAESTAB.6 1/2”X 8 3/8”

DC CORTO 61/2”

ESTAB. 6 ! ”X 8 3/8 ”

B.H.O. 6 1/2”

L.B. monel 6 1/2”

MARTILLO HDCO. 6 1/2”

12 TRAMOS HW 5”

V.C.P. 6 1/2”

ESTAB. 6 ! ” X 8 3/8”

1

15


6 1/2" 2 13/16" 92 137.08 NC-46 22900

LASTRABARRENAS

CONEXIÓN

MIN. MAX. MIN. MAX.

8 1/2 - 8 1/4 4 1/2 12000 16000 1660 2210

(lb/pie) (kg/mt)

BARRENA

DIAMETROTAMAÑO DEL

PIÑON APIREG.


PESO

NOMINAL

PESO

AJUSTADO

RESIST.

TENSION

TORSION

DEENROSQUE

RESIST.

TENSION

EXT. INT. (LB/PIE) (kg/mt) AL 90% EN KG D. EXT. D. INT. (FT-LB)AL 100% EN

LB.

5 4.276 NC-50 19.50 31.12 E-75 127446 5 7/8" 3 3/4" 0.4 15776 939 311535

31.94 X-95 161432 6 1/32" 3 1/2" 0.4 19919 1186 394612

32.66 G-105 178425 6 3/32" 3 1/4" 0.4 21914 1304 436150

33.67 S-135 229403 6 5/16" 2 3/4" 0.4 28381 1689 560764

5" 4 NC-50 25.60 42.19 S-135 305363 6 9/32" 2 3/4" 0.5 27438 1633 746443

DIAMETRO (pg) CONEXIÓN GRADO JUNTAS (CLASE) ESPESORDE PARED

PREMIUM

AMP.

PESO TORQUE(PIE-LB)


5" 3 " 1 5 1/2" 691185 50728 NC-50 3 1/16" 6 1/2" 50 74.5 29400


ESPESORDE PARED

RECALCENTRAL

RESIST.TENSION

(lb)

RESIST.TORSION

(lb/p)

PESOlb/p

DIAMETROCONEXIÓN

JUNTA



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