TUBERIAS DE PRODUCCION

INTRODUCCION

Las tuberías dentro la industria representan un alto porcentaje en el costo total del proyecto, es por eso que se tiene que tener en cuenta parámetros impuestos por el API para cada tipo de tubería para evitar condiciones de falla durante la operación.

Los colapsos en tuberías de revestimiento y de producción pueden derivar en la pérdida de un pozo. Su estudio ha sido de gran interés para la industria petrolera.

Actualmente se cuenta con tecnologías y sistemas que permiten identificar los factores causales más atribuibles a este fenómeno, con la finalidad de desarrollar medidas preventivas que ahorren importantes recursos económicos.

CONDICIONES DE FALLA EN UNA TUBERIA

La capacidad de resistencia de una tubería se define como aquella aptitud o condición que ofrece una tubería para reaccionar y evitar cualquier tipo de falla o deformación, ante la acción combinada de cargas.

Las principales fallas en una tubería son: el colapso, la tensión, el estallamiento y la corrosión.

COLAPSO

La falla por colapso de una tubería es una condición mecánica. Se origina por el aplastamiento de la tubería a causa de una carga de presión. Ésta actúa sobre las paredes externas de la misma y es superior a su capacidad de resistencia.A continuación se muestra como determinar el factor de colapso:

Colapso FDCLL = Resistencia al colapso del tubo = 1.125 (Este valor puede variar según criterio) Presión de colapso equivalente

La falla por colapso depende de factores diversos propios de la naturaleza de fabricación del tubo como ser la cedencia del material, la geometría tubular, imperfecciones (excentricidad, ovalidad) y la condición de esfuerzos en la tubería.El colapso mide la resistencia de la sección transversal de la tubería a la inestabilidad que resulta de una presión diferencial externa.

Ecuación de Colapso

ESTALLIDO

La falla por estallamiento de una tubería es una condición mecánica que se genera por la acción de cargas de presión actuando por el interior de la misma.

A continuación se muestra como determinar el factor de estallido:

Estallido FDE = Mínima presión de fluencia interna = 1.150 (Este valor puede variar según criterio) Máxima presión diferencial internaLa resistencia que opone el cuerpo del tubo se denomina resistencia al estallamiento.

𝑃𝐸𝑆𝑇=0.875 2 𝜎𝑦𝑑 / 𝑡

Esfuerzo

La resistencia a la tensión se controla por un límite sobre la resistencia en el punto de fluencia y esta no puede ser menor que 1.25 veces la resistencia real en el punto de fluencia.

TENSIÓNLa tensión es una condición mecánica de una tubería, que puede ocasionar la falla o fractura de la misma. Se origina por la acción de cargas axiales que actúan perpendicularmente sobre el área de la sección transversal del cuerpo del tubo.

La resistencia a la falla por tensión de una tubería se puede determinar a partir de la cedencia del material y el área de la sección transversal.

𝑅𝑇=0.7854 (𝑑𝑒2−𝑑𝑖2) 𝜎𝑦CONDICIONES INICIALES DE CARGALa distribución de las cargas es el factor clave para dictaminar la selección de materiales. Por lo tanto es obligatorio establecer el perfil de cargas axiales, de presión y temperatura inicial al que se ve sometido una tubería.

Las cargas principales que se presentan en un pozo y actúan sobre las tuberías son: cargas axiales, cargas de presión, cargas torsionales, cargas no axiales, corrosión y flexión.

CARGAS AXIALES

Las cargas axiales se producen inicialmente por la acción natural de los efectos gravitaciones, es decir el propio peso de los tubos, también se genera fallas por el contacto entre agujero y tubería y tubería-tubería.

PESO: su propio peso PESO FLOTADO: el peso sometido al efecto de flotación. CHOQUE: fuerza que puede generarse por la aceleración y desaceleración

instantánea durante la introducción de la tubería en el pozo FRICCION: Las tuberías experimentan una carga axial por efecto del

contacto que tienen con el agujero en el fondo del pozo o por el contacto que se tiene entre tuberías con la sarta de perforación.

COMPRESION: La fuerza de compresión es generada por el empuje del fluido sobre el área de la sección transversal de la tubería, cuando esta es introducida.

CARGAS POR PRESIONLas cargas por presión que se presentan en las tuberías son generadas por efecto de la presión hidrostática de los fluidos, actuando tanto en el interior como exterior del tubo. Son las que marcan las pautas para la seleccionas de los tubulares.CARGAS TORSIONALESSon aquellas generadas por el efecto del torque que experimentan las conexiones al momento de conectar en superficie cada tubería.CARGAS NO AXIALES

Son aquellas cargas presentes en un pozo que se manifiestan por la variabilidad de su impacto sobre el cuerpo de la tubería.

CARGAS DE CORROSION

La corrosión es el deterioro de un material a consecuencia de un ataque químico por su entorno.

Nos permiten determinar los límites de operación de las tuberías debido a los factores que propicien una condición corrosiva tal como: el PH de los fluidos del pozo, concentración de gases, temperatura, presión, etc.

CARGAS DE FLEXION

Es una carga axial de doble acción, debido a que se manifiesta como una carga de tensión en las caras exteriores de la tubería, y una carga axial compresiva en las caras internas de la tubería, este tipo de cargas se presentan e pozos altamente desviados.

La tabla nos permite observar que las características y condiciones de falla de una tubería dependen mucho de su clase y de las características propias de fabricación de las tuberías. Estos datos son proporcionados por las Normas API o Premium.

ELONGACIONEl resultado de esta evaluación nos indicara la ductibilidad con la que cuenta el material, esto significa la capacidad que tiene el material para deformarse antes de llegar al punto de ruptura del mismo.

% de Elongacion=¿LinicialL Final−Linicial¿

Elongación o extensión es el máximo esfuerzo de tracción a que un material puede estar sujeto antes de su rotura. Dentro lo que es las tuberías de acero se denomina Ductilidad, que es la elongación que sufre la barra cuando se carga sin llegar a la rotura.

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

CARACTERISTICAS MECANICAS EN TUBERIAS DE PRODUCCION Y REVESTIMIENTO

GradoPunto de cedencia Punto de cedencia Resistencia a lamínimo (psi) máximo (psi) tensión mínima (psi)

H40 40,000 80,000 60,000J55 55,000 80,000 70-95,000K55 55,000 80,000 70-95,000N80 80,000 110,000 100,000L80 80,000 95,000 100,000C90 90,000 105,000 100,000C95 95,000 110,000 105,000P110 110,000 140,000 125,000Q125 125,000 150,000 135,000

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE TUBERÍAS

La lista siguiente muestra los pasos que deben completarse en el diseño mecánico de cualquier sistema de tuberías:a. Establecimiento de las condiciones de diseño incluyendo presión, temperaturas

y otras condiciones, tales como movimientos sísmicos, choques de fluido, gradientes térmicos y número de ciclos de varias cargas.

b. Determinación del diámetro de la tubería, el cual depende fundamentalmente de las condiciones del proceso, es decir, del caudal, la velocidad y la presión del fluido.

c. Selección de los materiales de la tubería con base en corrosión, elongación y resistencia.

d. Cálculo del espesor mínimo de pared (Schedule) para las temperaturas y presiones de diseño, de manera que la tubería sea capaz de soportar los esfuerzos tangenciales producidos por la presión del fluido.

e. Análisis de esfuerzos por flexibilidad para verificar que los esfuerzos producidos en la tubería por los distintos tipos de carga estén dentro de los valores admisibles, a objeto de comprobar que las cargas sobre los equipos no sobrepasen los valores límites, satisfaciendo así los criterios del código a emplear

MÍNIMOS FACTORES DE DISEÑO

Revest. De superficie e intermedios,

Revest o liner de Producción,

Tubería de

CARGAS DEL DISEÑOlineres de perforación, extensiones extensiones de liner de

Producción

de liner hasta superficieproducción hasta superficie

Colapso 1.0 1.1 1.1

Estallido (servicio normal) 1.25 1.25 1.25Estallido (servicio crítico) 1.1 1.1 1.1

Tensión 1.6 1.6 1.6

Compresión 1.2 1.2 1.2

Tri-Axial 1.25 1.25 1.25