14 diseño de sartas de perforación y bha

DPT Diseño de Sarta de Perforación y de BHA

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Diseño de Sartas de Perforación Y de Herramientas de Fondo

Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores


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REFERENCIAS

• API RP 7G Diseño de la Sarta de Perforación y Límites de Operación

• API SPEC 7 Especificaciones para los Elementos de la Perforación Rotaria

• API SPEC 5D Especificaciones para la Tubería de Perforación

• SLB Manual de Diseño de la Sarta de Perforación• TH Hill DS-1 Diseño de la Sarta de Perforación• WCP Recomendaciones para Diseño de la Herramienta

de Fondo para Minimizar el Esfuerzo por Doblamiento.


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• Objetivos:Al finalizar esta sección USTED será capaz de describir:

1. Las funciones de la tubería de perforación, de los lastra barrena y de la Herramienta de Fondo, BHA

2. Los Grados de acero para TP y las propiedades de resistencia

3. Los tipos de rosca y de acople para conectar la TP

4. El peso de los DC y el punto neutral

5. Los métodos de diseño de la Sarta de Perforación(para los esfuerzos de doblamiento, torsión yTensión

6. El Margen de Sobre Tensión, MOP

7. Diseño de Sartas para pozos Horizontales

8. Calculos de Torque y Arrastre

9. Diseño de Sartas con el mínimo Torque y Arrastre

10. Problemas con la sarta (roturas, particiones en rotación y mecanismos de fatiga)

11. Métodos y Técnicas de Inspección

Diseño de Sartas de Perforación


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1. Transmitir rotación a la barrena

2. Transmitir y soportar cargas axiales

3. Transmitir y soportar cargas de torsión.

4. Colocar el peso sobre la barrena para perforar

5. Guiar y controlar la trayectoria del pozo

6. Permitir la circulación de fluidos para limpiar el pozo y enfriar la barrena

•• Funciones de la Sarta de PerforaciónFunciones de la Sarta de Perforación

WOB

WOBDC

DP

Drillstring Design

La sarta de perforación es el enlace mecánico que conecta a la barrena de perforación que está en el fondo con el sistema de impulsión rotario que está en la superficie.

La sarta de perforación sirve para las siguientes funciones:


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1. Transmitir rotación a la barrena

2. Transmitir y soportar cargas axiales

3. Transmitir y soportar cargas de torsión

4. Colocar el peso sobre la barrena para perforar

5. Guiar y controlar la trayectoria del pozo

REQUIERE DE DISEÑO MECÁNICO

6. Permitir la circulación de fluidos para limpiar el pozo y enfriar la barrena

REQUIERE DE DISEÑO DIRECCIONAL

REQUIERE DE DISEÑO HIDRÁULICO

Diseño de la Sarta de Perforación


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• Se cubre al final • Describe las limitaciones de la tubería de

perforación y de los collares a los esfuerzos de:

• Tensión• Sobre-Tensión Permisible• Estallido • Colapso• Torsión• Pandeo

Diseño Mecánico


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• Es cubierto primero• Describe la tendencia de la sarta de perforación a

causar la desviación del hoyo hacia una predeterminada dirección

Diseño Direccional


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• Describe la influencia que tiene la geometría interna y externa de la sarta sobre las pérdidas friccionales en un sistema circulante de fluidos

• Se discute en la sección sobre Mecánica de Fluidos del curso• El análisis recomienda el uso de TP de 5 ½” o

6-5/8” para pozos ultra profundos y la conexión de la TP con la espiga hacia arriba para mejorar la hidráulica en la perforación de pozos someros

Diseño Hidráulico


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Componentes Básicos:

1. Tubería de Perforación, DP

2. Lastra barrena, DC

Accesorios de la Sarta:

– Tubería de perfoación Pesada

– Estabilizadores

– Escariadores

– Equipo para control direccional

FuncionesFunciones

Estudio de la Sarta de Perforación


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En rigor ni la Kelly ni el Top Drive son componentes de la Sarta de Perforación.

Sin embargo, ellos proporcionan uno de los requerimientos esenciales para la perforación al triturar las rocas cual es la rotación.

La Barra de Tranmisión Rotatoria (Kelly) /Impulsador de Rotación en el Tope de la Sarta (Top Drive)


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• Transmite rotación y peso sobre la barrena

• Soporta el peso de la sarta de perforación

• Conecta la unión giratoria (swivel) con el tramo superior de la sarta de perforación

• Conduce el fulido de perforación desde la cabeza giratoria hacia la sarta de perforación

Es el vínculo entre la mesa rotaria y la sarta de perforación

La Kelly se fabrica en longitudes de 40 a 54 pies y con sección transversal hexagonal (la más común), cuadrada o triangular.

La barra de transmisión rotatoria (Kelly)


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Ambas válvulas se emplean para cortar el flujo a través de la sarta en el evento de un influjo del pozo.

Son válvulas operadas manualmente

Válvulas de la Kelly

Por lo general se instalan dos válvulas de seguridad en la Kelly, una conectada a la rosca de caja en el tope y otra a la rosca macho en su parte inferior.


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berger PrivateVentajas del Top Drive sobre el sistema de Kelly:

1. Permite circular mientras se repasa el hoyo hacia arriba

2. Se puede circular el pozo mientras se baja o se saca la tubería en paradas (tramos dobles o triples)

3. El sistema de kelly sólo puede hacer lo anterior en tramos sencillos; o sea de 30 pies

Es basicamente una combinación de mesa rotaria y Kelly.

Está impulsado por un motor independiente y le imprime rotación a la sarta de perforación a la cual está conectada en forma directa sin necesidad de una kelly o de mesa rotaria It is powered by a separate motor and transmits rotation to the drill string directly without the need for a rotary table. Funciona como una Kelly conimpulso rotacional propio

El Top Drive


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GRADO• El grado de la tubería de perforación describe la

resistencia mínima a la cedencia del material.

• En la mayoría de los diseños de sarta de perforación, se opta por incrementar el grado del material (acero) en lugar de aumentar el peso del tubular.

Drill pipe


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145,000135,000S or S-135

120,000105,000G or G-105

110,00095,000X or X-95

85,00075,000E or E-75

65,00055,000D or D-55

Cedencia Promedio

Cedencia Mínima Grado

Grados de la Tubería de Perforación


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New: Sin desgaste. No ha sido usada antes

Premium: Desgaste uniforme y el espesor de pared remanente es por lo menos un 80% del tubular nuevo.

Class 2: Tubería con un espesor de pared remanente de al menos 65% con todo el desgaste sobre un lado con lo que el área seccional es todavía premium

Class 3: Tubería con espesor de pared de al menos 55% con el desgaste localizado sobre un lado.

Clasificación de la Tubería de Perforación Basada en la publicación API – R P7G

Nota: El RP7G tiene diferente especificación…!!! (página 115)

A diferencia de la tubería de revestimiento y la tubería de producción, que normalmente se usan nuevas, la tubería de perforación normalmente se utiliza ya usada. Por lo tanto tiene varias clases:


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Un tramo de DP es un ensamblaje de tres componentes:

• Un cuerpo tubular de acero con extremos lisos y

• Dos conexiones de acople fuerte - una en cada extremo.Los acoples en los extremos (Tool Joint) se unen al cuerpo del tubo de dos maneras:

• Enroscados• Soldados o embonados al tubo con arco eléctrico en el horno

El acople inferior se conoce como Macho o Espiga

El acople superior se denomina Caja o Hembra.

La conexión entre dos tramos se logra al enroscar la espiga dentro de la caja

Tubería de Perforación


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Pesos de la Tubería de Perforación

Al referirse a los pesos de la tubería de perforación, hay tres que son importantes:

Peso del tubular con Extremo Planos – Se refiere al peso por pie del cuerpo del tubo, sin acoples.

Peso Nominal - Se refiere a una norma obsoleta. (Peso de un tubo de Rango I con conexiones) actualmente se usa para referirse a una clase de tubo de perforación.

Peso Aproximado – El peso promedio por pie del tubo y de las conexiones de un tubo Rango II. Este peso aproximado es el número que se debe usar en los cálculos de la carga del gancho.


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• El peso nominal es un número de referencia pero no exacto. Se emplea para especificar el tubular, y se refiere tan sólo al cuerpo.

• El peso Ajustado incluye el cuerpo del tubo y el de los acoplesen los extremos. Es mayor que el peso nominal por tener,

• el peso extra de los acoples y

• metal adicional que se agrega en los extremos del tubo par aumentar la rigidéz.

• El espesor adicional agregado en los extremos se denomina “Refuerzo” y su función es reducir la frecuencia de fallas del tubular en los puntos donde se une a los acoples.

• Los refuerzos a su vez puede ser de tres tipos: Refuerzo Interno (IU), Refuerzo Exterior (EU) y Refuerzo Interno y Externo (IEU)

Peso Aproximado Ajustado


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ToolJtAdj

ApproxToolJtAdjustedDP

LWtWt

ftWt

lengthadjustedjotooljotoolwtapproxDPpesoftWt

++×

=

++×=

4.294.29

/

int4.29int..4.29./

Cálculo de los Pesos AjustadosCálculo de los Pesos Ajustados


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4.29WtupsetNom

WtTubeWt AdjDP +=

( ) ( )( )TE

TEAdjJtTool

DDd

DDdDLWt

−××−

−×+−×=2

3322

501.0

167.0222.0

L= combined length of pin and box (in) D= outside diameter of pin (in)

d= inside diameter of pin (in) DTE= diameter of box at elevator upset (in)

Datos de la Especif API 7 Fig 6 Tabla 7

….(1)

….(2)

Datos del API 5D

( )ft

DDLL TE

AdjJtTool 12253.2 −×+

=….(3)

Datos de la Especif 7 Fig 6 Tabla 7

Cálculo de los Pesos Ajustados


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Calcular el peso ajustado aproximado del cuerpo del tubo con acople incluído para una tubería de perforación de 5 pulg. OD, 19.5 lbm/pie, grado E con conexión NC50 y acople tipo IEU (con refuerzo interno y externo) y dimensiones 6.375pulg. OD x 3.5 pulg. ID.

Ejemplo DP - 01


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Ejemplo DP - 01

4.29WtupsetNom

WtTubeWt AdjDP +=

De la Tabla 7 de la especificaciones para Tubería de Perforación ( API SPEC 5D):

• El peso del refuerzo en acople IEU para tubería de 5pulg. 19.5 lbm/ft es 8.6 lbs.• El diámetro interno en el cuerpo del tubo, ID es 4.276pulg.

( )ft

lbmft

lbminft

in4.29

6.85.489

1441

276.454 32

2222 +××−=

π

= + =17 93 0 293 18 22. . . /lbm ft

PASO 1: Drill Pipe adjusted weight of drillpipe

4.29_

weightupsetweightendplain +=


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Información del API RP7G


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Información del API 5D


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Refiriéndose a la tabla API RP7G , el acople NC50, 6.375” OD, 3.5” ID para una tubería con peso nominal 19.5 lbm/ft está disponible en Grado X-95 unicamente (ver columnas 4, 5 y 6 de la Tabla ).

L = 17 pulg, DTE = 5.125 pulg, D = 6.375 pulg, y d = 3.5 pulg

Peso Ajustado aproximado del acople:

( ) ( )( )= × −0 2 2 2 1 7 6 3 7 5 3 52 2. . .( ) ( )( )+ −0 1 6 7 6 3 7 5 5 1 2 53 3. . .

( ) ( )− × −0 5 0 1 3 5 6 3 7 5 5 1 2 52. . . .

lb27.12067.779.2015.107

=−+=

Ejemplo DP – 01Paso 2: Peso Ajustado del Acople

( ) ( )( )TE

TEAdjJtTool

DDd

DDdDLWt

−××−

−×+−×=2

3322

501.0

167.0222.0


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PASO 3: Longitud ajustada por los acoples( )

=+ × −L D DTE2 253

12.

( )=

+ × −17 2 253 6 375 512512

. . . ft651.1=

Ejemplo DP – 01

De aquí que el peso ajustado del cuerpo del tubo con los acoples será:

=× +

+18 22 29 4 120 26

1 651 29 4. . .

. .

= 20 89. /lbm ft

Que es el mismo valor al indicado en la Tabla 8 pag 12 del API – RP7G

ToolJtAdj

ApproxToolJtAdjustedDP

L

WtWtftWt

+

+×=

4.29

4.29/


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• Tabla 1-3 Datos de Tubería Nueva

• Tabla 4-5 Datos de Tubería Clase Premium

• Tabla 6-7 Datos de Tubería Clase 2

• Tabla 8 Datos de Acoples de tubería

• Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexión

• Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforación)

• Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste

• Fig 26-32 Datos de Rigidéz (BSR) de los DC

API RP 7GAPI RP 7G


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Todas los acoples API tienen un punto de cedencia mínimo de 120,000 psi independientemente del grado de la tubería de perforación en la que se usen (E, X, G, S) .

API fija la resistencia a la torsión del acople en 80 % de la resistencia a la torsión del tubo: Esto equivale a una razón de resistencia a la torsión de 0.8.

El torque para conectar se determina por el diámetro interno del pin y el diámetro externo de la caja. El torque de conexión es 60 % de la capacidad de torsión del acople. La ecuación para determinar la fuerza de conexión se puede obtener del apéndice de API RPG7. ( Numeral A.8.2 ). Esta ecuación es bastante compleja, así que API desarrolló una serie de tablas para encontrar el torque de conexión recomendado para cualquier conexión si se tiene el diámetro externo de la caja y el diámetro interno del macho para la junta. Estas tablas se pueden encontrar en API RP 7G ( Figuras 1 a 25 )

Acoples


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Ejemplo DP – 02

Usando las tablas 2 y 4 de API RP7G ¿cuál deberá ser el torque de conexión de tubería de perforación Nueva y Premium de 5” 19.5 ppf G105 y S135?

¿Cómo se comparan estos valores con los valores reportados en la Tabla 10?


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Ejemplo de Gráficas de Torque de Conexión


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Ejemplo de Tablas de Torque de Conexión


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Repita el Ejercicio 2 usando las Tablas y Gráficas de Torque de Conexión


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0.038”

0.025”

0.057”

0.015”

0.025”

f) WEDGETHREAD

e) H-90

d) IFXH

PACOHSHDSL

c) SST

b) REGFH

a) NCV-038R

V-040V-050

SST (PINS)V-038R(BOXES)

V-065

H-90

WEDGETHREAD

Conexiones en la Sarta de PerforaciónConexiones en la Sarta de PerforaciónEstilos y Formas de Rosca o Cuerda

Est

ilos

Form

as


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NC (Conexión Numerada) Es el estilo de cuerda (rosca) más común en la tubería de perforación.

La rosca tiene una forma de V y se identifica por el diámetro de paso, medido en un punto que está a 5/8 de pulgada desde el hombro.

El Número de Conexión es el diámetro del paso multiplicado por 10 y truncado a los dos primeros dígitos = XY

5/8”

Conexiones en la Sarta de PerforaciónConexiones en la Sarta de Perforación

El tamaño de una conexión rotatoria con hombro se refiere a su diámetro de paso en punto de calibre a 5/8 de pulgada desde el hombro y se especifica NC (XY)

DIÁMETRO DE PASO DE PUNTO DE CALIBRE

XY


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Conexiones Numeradas para Sarta de Perforación

Tamaños típicos de Conexión Numerada, NC:

NC 50 para acoples con diámetro externo de 6 ½” de la tubería de Perf. de 5”

NC 38 para acoples con 4 3/4” OD en tubería de perforación de 3 ½” .

Hay 17 NC’s en uso : desde la NC-10 (1-1/16”) hasta la NC-77 (7 ¾”)

Si el diámetro de paso es 5.0417 pulgadas à Esta es una conexión NC50

Multiplique 5.0417 por 10 → 50.417

Escoja los primeros dos dígitos → 50

Por lo tanto, la conexión numerada será: NC 50


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Ejemplo de Conexiones Intercambiables

Ext Flush

SLIM HOLE

Dbl Streamline

Extra Hole

Full Hole

Int Flush

4-1/2EF

4-1/243-1/22-7/8SH

5-1/24-1/23-1/2DSL

54-1/23-1/22-7/8XH

4FH

4-1/243-1/22-7/82-3/8IF

NC50NC46NC 40NC 38NC 31NC 26


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Los Collares (ó Lastra barrenas) tienen las siguientes funciones en la sarta de perforación:

• Protegen la Sarta de perforación de Doblamiento y la Torsión

• Controlan la dirección y la inclinación de los pozos.

• Para perforar pozos rectos y pozos verticales.

• Reducen las “patas de perro”, asientos de llave y salientes.

• Aseguran que la sarta de revestimiento sea bajada exitosamente

• Mejoran el desempeño de la barrena.

• Reducen la perforación irregular, tubería pegada y brincos.

• Como herramientas de pesca, para pruebas de formación y en operaciones de terminación del pozo.

Los Lastra Barrena, DCLos Lastra Barrena, DC


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DC Liso DC Espiralado

Lastra Barrena (DC)Lastra Barrena (DC)

1. Los dos tipos de lastra barrena son ampliamente utilizados.

2. En áreas con posibilidad de que ocurra pega diferencial de la sarta se deben emplear (DC) y tubería de perforación pesada (HWDP) con superficie exterior espiralada para reducir el área de contacto con la formación.


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Tamaños API de los Lastra BarrenaTamaños API de los Lastra Barrena


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Tamaños API de los Lastra BarrenaTamaños API de los Lastra BarrenaOD ID Range Weight Range OD ID Range Weight Range

ppf ppf2 7/8 1 - 1.5 16 - 19 6 1/4 1.5 - 3.5 72 - 98

3 1 - 1.5 18 - 21 6 1/2 1.5 - 3.5 80 - 1073 1/8 1 - 1.5 20 - 22 6 3/4 1.5 - 3.5 89 - 1163 1/4 1 - 1.5 22 - 26 7 1.5 - 4 84 - 1253 1/2 1 - 1.5 27 - 30 7 1/4 1.5 - 4 93 - 1343 3/4 1 - 1.5 32 - 35 7.5 1.5 - 4 102 - 144

4 1 - 2.25 29 - 40 7.75 1.5 - 4 112 - 1544 1/8 1 - 2.25 32 - 43 8 1.5 - 4 122 - 1654 1/4 1 - 2.25 35 - 46 8 1/4 1.5 - 4 133 - 1764 1/2 1 - 2.25 41 - 51 8 1/2 1.5 - 4 150 - 1874 3/4 1.5 - 2.5 44 - 54 9 1.5 - 4 174 - 210

5 1.5 - 2.5 50 - 61 9 1/2 1.5 - 4 198 - 2345 1/4 1.5 - 2.5 57 - 68 9 3/4 1.5 - 4 211 - 2485 1/2 1.5 - 2.8125 60 - 75 10 1.5 - 4 225 - 2615 3/4 1.5 - 3.25 60 - 82 11 1.5 - 4 281 - 317

6 1.5 - 3.25 68 - 90 12 1.5 - 4 342 - 379


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• Proveen el máximo peso con la mínima longitud (manejo)• Máximo OD; Mínimo ID

• Tienen resistencia a la compresión •Conexiones Balanceadas• Estabilidad en vibración, bamboleo y saltos

• Gran masa para resistir los efectos de inercia y de rueda volante

• Rigidéz para trayectorias direccionales• La sarta no estará demasiado pandeada o recostada

• Condiciones de pesca• Los conectores macho (pin) son más débiles• Espacio suficiente en los díametros OD/ID para acomodar los pescadores internos y externos

Selección de los lastra barrena


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Tiene el mismo diámetro externo que la tubería de perforación normal pero el diámetro interno es mucho más reducido (normalmente 3”) y un refuerzo en la mitad del cuerpo del tubular del tamaño de los acoples para resistir el desgaste por abrasión contra la pared del hoyo.

Se usa entre tubería de perforación normal y los lastra barrena para permitir que haya una transición suave entre los “módulos de sección” de los componentes de la sarta de perforación.

HEAVY-WALLED DRILL PIPE (HWDP)

Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa (HWDP)Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa (HWDP)


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Opciones de SelecciónOpciones de Selección

a) a) Lisa

b) Espiral

Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa Tubería de Perforación Pesada o de Pared Gruesa (HWDP)(HWDP)


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• Los pozos se mueven debido a las fuerzas que actúan sobre la barrena.

• La rotación provoca caminado o efecto de tirabuzón

• El combamiento provoca fuerzas laterales

• Aplica fuerzas laterales sobre la barrena o la desgasta con afilado en la punta

• La gravedad siempre ejerce una fuerza que jala hacia abajo

• Los pozos desviados tienden a reducir el ángulo construído

Control Direccional de la Trayectoria Control Direccional de la Trayectoria


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Todos los pozos ya sean verticales o desviados requieren un diseño cuidadoso de la herramienta de fondo para controlar la dirección del pozo con el propósito de lograr los objetivos del blanco.

El principal medio para mantener el control de la dirección en un pozo es por medio del posicionamiento efectivo de estabilizadores dentro de la herramienta de fondo, BHA.

CONFIGURACIONES ESTÁNDAR DE HERRAMIENTA DE FONDO

Control DireccionalControl Direccional


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EstabilizadoresEstabilizadoresRazones para usar estabilizadores:

1. Se usan como el método fundamental para controlar el comportamiento direccional de la mayoría de las herramientas de fondo.

2. Ayudan a concentrar el peso de la herramienta de fondo sobre la barrena.

3. Reducen al mínimo el doblamiento y las vibraciones que causan el desgaste de los acoples y dañan los componentes de la herramienta de fondo tales como los MWDs.

4. Reducen el torque de perforación al evitar que haya contacto del collar con las paredes del pozo y los mantiene concéntricos dentro del hoyo.

5. Ayudan a evitar el que la tubería se pegue por presión diferencial y también la formación de asientos de llave.


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EstabilizadoresEstabilizadoresTipos de Estabilizadores y Aplicaciones :

1. Camisa Reemplazable Valioso en donde la logística es un problema

2. Cuchilla Soldada Para Pozos diámetro grande y en formaciones blandas

3. Cuchilla Integral Durabilidad máxima para aplicaciones rudas. Los de mayor uso en la actualidad

4. Camisa no rotaria Para formaciones muy duras o abrasivas

5. Escariador de rodillos Para formaciones duras


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Tipos de Estabilizadores

EstabilizadoresEstabilizadores


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Escariadores de RodillosEscariadores de Rodillos


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Principios Básicos del Control Direccional en Perforación

1. El Principio de Fulcrum – Se usa para construir el ángulo (incrementar la inclinación del agujero)

2. El Principio de Estabilización – Se usa para mantener el ángulo y la dirección

3. El Principio del Péndulo – Se usa para hacer caer (reducir) el ángulo.


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El Principio Fulcrum:

Un ensamblaje con un Estabilizador Cercano a la Barrena y de pleno calibre, seguido por 40’ – 120’ de lastra barrena antes del primer Estabilizador de Sarta, o aún sin estabilizador de sarta, va a desarrollar un ángulo cuando se aplica el peso sobre la barrena.

Por ejemplo en un pozo de 17 ½” utilizando collares de perforación de 9 ½” si el primer estabilizador de la sarta se coloca a 90 pies de la barrena el ensamble puede desarrollar de 2.0 a 3.5 grados por 100 pies. Al reducir la distancia se disminuirá la tasa de construcción angular así:

Distancia NBS – Estabilizador de Sarta Desviación en grados esperada (grados / 100 pies )

60 pies 1.5 – 2.5 45 pies 0.5 – 1.5 30 pies 0.5 – 1.0

Nota: En pozos de diámetros más pequeños utilizando lastra barrena más pequeños la tasa de incremento angular será mayor.



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Otros factores que afectan la tasa de construcción de ángulo:

•Parámetros de Perforación:

•Un incremento en el peso sobre la barrena incrementará la velocidad de construcción angular•Un incremento en la velocidad de rotación reducirá la tasa de aumento del ángulo•Un aumento en el caudal en la bomba (gasto) en formaciones blandas disminuirá la tasa de construcción angular debido a la tendencia al lavado por erosión.

•Tipo de Formación y el ángulo del echado de los estratos.

•Inclinación del pozo.



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El Principio de Estabilización –

Si hay tres estabilizadores colocados en la sarta de tal forma que el espaciamiento entre ellos sea corto, la herramienta de fondo va a resistirse a seguir una curva y forzará la barrena a perforar en una trayectoria relativamente recta. Las Herramientas de Fondo con este tipo de configuración se llaman “Ensambles Empacados”.

El ensamble empacado estándar es:

Barrena – FG NBS – lastra barrena corto – FG Stab. – lastra barrena estándar – FG Stab– lastra barrena estándar. ….

Otros ensambles empacados son:

Barrena – FG NBS – lastra barrena corto – UG Stab. – lastra barrena – FG Stab – lastra barrena – FG stab.

Barrena – FG NBS – FG Estabilizador de Sarta - lastra barrena – FG Stab. – FG Stab. -lastra barrena . ….



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El Principio de Péndulo:

Como su nombre lo indica en un ensamble de péndulo la barrena va a tratar de llegar a la vertical debido al efecto de péndulo. Este ensamble se diseña colocando un Estabilizador de Sarta entre 15 y 60 pies distante de la barrena y no colocando un NBS ni de pleno calibre ni de calibre reducido.

Si los lastra barrena entre el estabilizador y la barrena hacen contacto con la pared del pozo la longitud del péndulo se va a reducir y si se coloca demasiado peso sobre la barrena el ensamble de péndulo de hecho podría empezar a construir ángulo; por lo tanto, se requiere de una selección cuidadosa de parámetros.



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• Ensamble de Péndulo --x---x------>

• Ensamble Empacado ---x---x---x-x>

• Ensamble para construir rotando ------x------x>

• Ensamble Dirigible

• Ensamble de Motor de Lodo con Acople Torcido

Tipos de Ensamblajes de Fondo RotacionalesTipos de Ensamblajes de Fondo Rotacionales



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1.SLICK

2.PENDULUM

3.BUILD

4.PACKED II

5.PACKED III

6.PACKED IV

7.PACKED V

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR DRILL

COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

DRILL COLLAR

STAB

STAB

STABSTAB

STAB

STAB

STAB

STABSTAB

STAB

STAB

STAB

STAB

STAB

STAB

SHOCKSUB

SHOCKSUB

SHOCKSUB

SHOCKSUB

SHOCKSUB

SHOCKSUB

FULLGAUGESTAB

FULLGAUGESTAB

FULLGAUGESTAB

FULLGAUGESTAB

PONY

PONY

PONY

DRILL COLLAR

Herramientas de Fondo Típicas Herramientas de Fondo Típicas Para Control DireccionalPara Control Direccional


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Diseño Mecánico De la Sarta de Perforación


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Diseño de La Sarta de Perforación

La sarta de perforación comprende:• Tubería de Perforación operando en Tensión

• Tubería Pesada (HWDP) y a veces también la TP• Operando en Compresión o en Tensión

• Lastra barrena de varios tamaños • Por lo general operando en Compresión

• Accesorios tales como barrenas, estabilizadores, motores, escariadores, fresas, martillos,etc, etc para cumplir los objetivos de la perforación de

POZOS VERTICALES Y DE ÁNGULO MODERADO


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Factores de Diseño para la Sarta de Perforación

Factor de Diseño por Tensión, rige que la tensión máxima permisible en el sistema En SLB el DFt = 1.1

Margen de sobre tensión MOP, Capacidad de tensión en exceso deseada por encima del peso colgante de la sarta en la superficie. En SLB el MOP se fija entre 50K y 100K Lbs.

Exceso de Peso DFbha de la Herramienta de Fondo (BHA). Cantidad de la Herramienta de Fondo en términos de peso en exceso del peso usado para perforar para asegurarse de que todas las cargas de compresión y de torsión se mantengan en los lastra barrena. En SLB el Dfbha = 1.15


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Factor de diseño por Torsión, No se requiere un factor de diseño. Los acoples se ajustan hasta un 60% de su capacidad torsional y están diseñados para resistir hasta un 80 % de la capacidad de torsión del tubo. De esta forma si el diseño limita el apretado del acople, hay un factor de diseño adecuado construido dentro del sistema.

Factor de Diseño al Colapso, La capacidad en el cuerpo de la tubería es considerada inferior para tomar en cuenta la reducción en el esfuerzo a la tensión biaxial y en SLB se usa un factor de diseño al colapso, DFc entre 1.1 y 1.15



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Factor de Diseño para el Estallido Se consideran estallidos simples sin tolerancia para efectos axiales. En SLB el factor de diseño al estallido, DFB = 1.0

Factor de Diseño Para Pandeamiento, DFb En pozos muy desviados es posible operar la tubería de perforación en compresión, siempre y cuando no esté pandeada. El factor de diseño al pandeamiento es análogo al factor para exceso de peso del BHA ya discutido, DFbha para pozos rectos o ligeramente desviados en el cual este factor tiene el efecto de alargar el el BHA, el DFb reducirá el peso permitido para perforar pozos altamente desviados



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Proceso de Diseño de la Sarta de Perforación

• Diseño de los lastra barrena• Diámetro externo máximo del DC que se pueda

manejar, pescar y usar para perforar.• Selección de Conexiones

• Razón de Resistencia a la Flexión (BSR)• Capacidad de torque

• Exceso de peso en la Herramienta de Fondo para proveere el peso sobre la barrena WOB y mantener la tubería en tensión

• WOB• Estabilización


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Proceso de Diseño de la Sarta de Perforación

• Fuerzas de aplastamiento de las cuñas sobre la tubería de perforación

• Diseño de la Sobre Tensión aplicable en superficie• Longitudes de las secciones de tubería de

perforación• Revisión de Diseño para estallido• Revisión de diseño contra el colapso por esfuerzos


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Diseño Mecánico De la Sarta de Perforación

Lastra barrena


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Conexiones de los Lastra BarrenaConexiones de los Lastra Barrena

Características de Liberación de Esfuerzos

• Las conexiones (roscas) de la tubería de perforación no tienencaracterísticas de liberación de esfuerzo puesto que el cuerpo flexible se dobla fácilmente y absorbe la mayor parte del esfuerzo de doblamiento que se aplica.

• Por lo tanto las conexiones de la tubería de perforación están sujetas a menos doblamiento que el cuerpo de la misma

• En cambio DC y otros componentes de la herramienta de fondo sonmucho más rígidos que la tubería de perforación y en ellos gran parte de los esfuerzos por doblamiento se transfieren a las conexiones.

• Estos esfuerzos por doblamiento pueden causar falla por fatiga en las conexiones.


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Fotografía de una Función del Perno de Liberación de Esfuerzos


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¿Qué son las características de liberación de esfuerzo y cuándo se usan?

• Piñón (rosca macho) con ranura para alivio y conexión de caja ensanchada son diseños especiales para aliviar o liberar esfuerzos en la conexión.

• Las características de liberación de esfuerzos se deben especificar en todas las conexiones de las herramienta de fondo tamaño NC-38 o mayores.

• Estas características son benéficas también para la tubería pesada HWDP.

• Las ranuras de liberación de esfuerzos en el pin no se recomiendan en conexiones más pequeñas que NC-38 porque pueden debilitar la resistencia a la tensión y la resistencia de torsión de la conexión.

• Las conexiones de caja ensanchada se podrían usar en las conexiones más pequeñas.

Conexiones de los lastra barrenaConexiones de los lastra barrena


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Los efectos de los esfuerzos de doblamiento sobre las conexiones se pueden reducir al agregar

“RANURA PARA ALIVIO DE ESFUERZOS” en el PIN y/ó

“ENSANCHADO EN EL DIÁMETRO SUPERIOR DE LA CAJA”.

Conexiones de los Lastra BarrenaConexiones de los Lastra Barrena


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Selección de los lastra barrena ó DC• Normalmente el DC con el diámetro externo más grande que se

puede correr con seguridad es la mejor opción.

• La rigidez mayor para resistir pandeamiento y tendencias de dirección lisas.

• El movimiento cíclico está restringido debido a espacios más reducidos.

• Se acorta la herramienta de fondo para• Reducir el tiempo de manejo en la superficie• Reducir la cantidad de conexiones (puntos de falla) en el

pozo.• Disminuir la longitud de los DC en contacto con la pared

para reducir la exposición a que se pegue la tubería por presión diferencial.


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Diseño del Ensamblaje de Fondo, BHADiseño del Ensamblaje de Fondo, BHA

Los DC proporcionan Peso a sobre la BarrenaLos DC proporcionan Peso a sobre la Barrena

1. Los collares de perforación permiten colocar peso al apoyar la sarta sobre la barrena porque pueden rotar en compresión sin sufrir daños en las conexiones. Al mismo tiempo mantienen a la tubería de perforación en tensión.

2. Los DC tienen una rigidez significativamente mayor cuando se comparan con la tubería de perforación.

3. La tubería de perforación tiende a pandearse en compresión.

4. Un pandeo repetido va a hacer que haya una falla temprana de la tubería de perforación.

5. La falla por fatiga de la tubería se puede eliminar si se mantiene en condiciones de tensión constante.


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Remember about Fishing


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El módulo de la Sección es un término refinado para referirse al área y al grado de alejamiento de una forma de material dividido por la distancia desde el extremo de la forma hasta el punto donde los esfuerzos son cero

Módulo de la Sección para las Conexiones


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Razón o Relación de Resistencia a la Flexión• La razón de Resistencia a la Flexión es

la rigidez relativa de la caja con respecto al perno de una conexión dada.

• Describe el balance entre dos miembros de una conexión y cómo es probable que se comporten en un ambiente cíclico de rotación.

RdR

DbD

ZZ

BSR

RdR

DbD

ZZ

BSR

pin

box

pin

box

)(

)(

)(32

)(32

44

44

44

44

−

−

==

−

−

==π

π

Donde:Zbox = módulo de la sección de la cajaZpin = módulo de la sección del pernoD = Diámetro exterior del perno y la cajab = Diámetro de la raíz de la rosca de la caja al

final del pernoR = Diámetro de la raíz de la rosca de las roscas

del perno ¾ de pulgada del hombro del perno.

. d= diámetro interior o agujero.

( Ver el diagrama de la siguiente lámina )

Se aplica a tanto a las conexiones y a los cambios de diámetro de los components de la sarta


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Módulo de Sección para Conexiones

Para la caja, el diámetro interno es medido en la base de la rosca, frente al extremo del pin, b

Para el pin, el diámetro Externo es medido en la raíz de la rosca a una distancia de ¾” desde la cara o sello de espejo del acople, RLas dimensions son del API o de las especificaciónes del fabricante de la conexión


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Razón o Relación de resistencia a la Flexión para las Conexiones

• Se dice que una conexión está balanceada si la razón de resistencia a la flexión es 2.5 • Cuando la razón de resistencia a la

flexión es superior se tienden a ver fallas de pernos o pines.

• Cuando la razón de resistencia a la flexión es inferior se tienden a ver más fallas en las cajas.

• Sin embargo, la experiencia en campo ha mostrado que:• Un collar de perforación de 8” que tiene

una razón de resistencia a la flexión de 2.5 normalmente falla en la caja.

• Un collar de perforación de 4-3/4” que tiene una razón de resistencia a la flexión tan baja como 1.8 muy rara vez falla en la caja.


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Esta tabla está extraída de T.H. Hill & Associates Inc. Norma DS-1.

Razón o Relación de resistencia a la Flexión para las Conexiones


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Directrices Adicionales para la Razón de Resistencia a la Flexión

• RPM Elevadas, una Formación Blanda con collar de

perforación pequeño (8 pulgadas en un pozo de 12.25 o 6

pulgadas en un pozo de 8.25), 2.25-2.75

• RPM Bajas, formaciones duras, collar de perforación

grande (10 pulgadas en pozo12-1/4, 2.5-3.2 (3.4 si se

usa conexión tipo lo-torq)

• Formaciones Abrasivas, 2.5-3.0

• Cargas de choque o torque / barrenas bi-céntricas para

aplicaciones URWD URF ERD, 2.5-2.75


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Función Lo-Torq

•La función “low torque” consiste en quitar parte del área del hombro del perno y de la caja.

•Esto permite tener un torque para conexión menor y mantener una carga de hombro adecuada.

•Es una característica común en conexiones con diámetro externo grande.


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• Afortunadamente para usted API ya ha resuelto el problema.

• Las páginas 39-44 del API RP7G dan una lista de las razones de resistencia a la flexión para conexiones de acuerdo con el diámetro externo e interno del DC.

Razones BSR para Conexiones


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Ejemplo de Tablas de Razón de Resistencia a la Flexión (Manual DS1 - T.H. Hill )


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Relación de Rigidez para Transiciones• Basados en experiencia de

campo, en una transición de un tamaño de DC o tubería a otro, la razón de rigidez (SR) no deberá exceder• 5.5 para perforación de rutina• 3.5 para perforación en condiciones

severas o difíciles

( )( )44

44

upruprlwr

lwrlwrupr

upr

lwr

IDODOD

IDODOD

ZZ

SR−−

==

Nota: Las razones de rigidez se calculan utilizando los diámetros externos y los diámetros internos de los tubos, no las conexiones.


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Ejemplo DP-03 Razón de Resistencia a la Flexión

• Dado que vamos a perforar un pozo de 15 pulgadas, en un ambiente relativamente duro, de perforación difícil, ¿qué collar API usted recomendaría? ¿Cuál sería su recomendación para la razón de resistencia a la flexión para la conexión seleccionada y cuáles serían sus límites en los diámetros interno y externo permisibles para los collares?

• ¿Cuál sería la razón de rigidez entre el DC y la tubería de perforación de 4-1/2? ¿Es aceptable? ¿Si no lo es, usted qué haría?


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1. Factor de Diseño para exceso de herramienta de fondo =1.15

2. El Punto Neutral (NP) a la tensión debe estar dentro de los collares de perforación

Peso Mínimo de DC para colocar sobre la barrena y mantener el Punto Neutral dentro del BHA

Diseño de la Herramienta de FondoDiseño de la Herramienta de Fondo

15.1=WtWorkingMaxWtAvailableMax


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Compresión

Tensión

Punto neutral

WOB de Diseño

WOBWOB


Peso de los lastra barrena y Punto Neutral


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Procedimiento para selección de los lastra barrena:

1. Determine el factor de flotación para el peso del lodo que se está en el pozo empleando la fórmula siguiente:

donde

BF = Factor de Flotación, adimensional

MW = Peso del lodo dentro del pozo, en lbs/gal

65.5 = Peso de un galón de acero, lbs/gal

Diseño de la herramienta de FondoDiseño de la herramienta de Fondo

BF = 1- (MW/65.5)


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2. Calcular la longitud de DC requerida para lograr el peso deseado en la barrena:

Longitud del DC = 1.15* WOB / (BF*Wdc)

donde:

WOB = Peso deseado en la barrena, lbf (x 1000)

BF = Factor de flotación, adimensional

W dc = Peso del collar de perforación en el aire, lb/ft

1.15 =15% factor de seguridad.

El factor de seguridad de 15% asegura que el punto neutro permanezca dentro de los collares cuando fuerzas imprevistas (rebote, desviación pequeña y fricción del pozo) están presentes.

Diseño de la Herramienta de FondoDiseño de la Herramienta de FondoProcedimiento para Seleccionar los collares de perforación:


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3. Para pozos direccionales:

Longitud del DC = Longitud Vertical del DC / Cos I

donde: I = Inclinación del pozo

Observe que para los pozos horizontales los collares de perforación no se usan normalmente y la selección de la herramienta de fondo se basa totalmente en la prevención del pandeo.


Procedimiento para selección de los lastra barrena:


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Determine el tamaño y la cantidad de collares de perforación de 9 pulgadas de diámetro externo por 3 pulgadas de diámetro interno que se requieren para obtener un peso sobre la barrena de 55,000 lbf, suponiendo

Desviación del pozo = 0°

Densidad de Lodo = 12 ppg

Cantidad y Tamaño de lastra barrena

Ejemplo DPEjemplo DP--0404


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Solución

Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotación

BF = 1- (12/65.5) = 0.817

Peso en el aire de los lastra barrena = 55,000/0.817= 67,319 lbf

Por lo tanto, el peso en el aire requerido de los DC deberá ser un 15% adicional para asegurar que el NP esté en el BHA

Peso de los DC = 67,319 x 1.15 = 77,416 lbf



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Suponga que los tamaños de lastra barrena disponibles son DE x DI, 9”x 3”. De los cálculos, el peso por pie para este tamaño es 192 lb/ft. (La mayoría de los DC están en longitudes de 30 pies)

Un lastra barrena pesa = 30*192 = 5,760 lb

Cantidad de lastra barrena = 77,416 / 5,760= 13.54==> 14 Juntas

Continuación de la Solución



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Límites de Torsión para los lastra barrena

• El torque está limitado por la conexión del DC• Usualmente es mayor para la tubería en superficie y

menor para los lastra barrena de fondo• Si el torque de ajuste en la conexión de los DC es mayor

que el torque de ajuste en la conexión de la tubería de perforación no se deberán tener problemas rutinarios.

• El torque del BHA en cualquier punto no deberá exceder de 80 % del torque de ajuste para las conexiones en el pozo para evitar sobre apretar las conexiones lo cual puede hacer que se dañen los sellos. • Posible incremento del torque en la conexión• Uso de lastra barrena con menor Diámetro Interno, ID• Cambio de parámetros para reducir el torque en el BHA


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TORQUE DE CONEXIÓN COMO PORCENTAJE DEL TORQUE TOTAL

El torque de ajuste recomendado por el API para las conexiones es un porcentaje de la cedencia total a la torsión de la conexión

62.5%56.8%API NC56.2%51.1%H-90

N/a79.5%PACDC>7 inDC< 7 in

Límites de torsión para los lastra barrena


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Tablas de Torque de Ajuste para Conexión los DC


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•Normativa del API

El torque de ajuste del acople deberá ser el 60% de la resistencia del acople a la cedencia que a su vez es el 80% de la cedencia torsional en el cuerpo del tubo

Límites de torsión para los lastra barrena


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Ejemplo DP-05

• Planeamos perforar un pozo recto de 16 pulgadas hasta 15,000 pies. Anticipamos que la perforación va a ser difícil y deseamos usar 6,000 lb por pulgada de diámetro para el peso de la barrena. El pozo se va a perforar en lodo de 10 ppg. En existencia tenemos

• 10,000 pies de 5” S135 NC50 6 ½” X 2 7/8” • 5,000 pies de 5” G105 NC50 6 1/8” X 3 3/8”• 24 tramos de 5 pulg tubería HW, NC50, 6 5/8” X 2 ¾” • 18 tramos de DC de 6 ¾” x 2 ½” • 12 tramos de DC de 8” x 3”.• 6 tramos de DC de 9” x 3”

• Si se necesita, se podrían rentar hasta 6 DCde perforación de 11” x 3”


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Ejemplo DP-05 continuación• ¿Qué sarta de DC recomendaría usted y porqué?• ¿Cuál es el peso permisible máximo?• ¿Dónde está el punto neutral a la tensión?• ¿Cuál es la relación de resistencia a la flexión de las

conexiones que seleccionó?• ¿Cuál es la relación• de rigidez para cada transición?• ¿Cuál es el torque máximo permisible sobre la

herramienta de fondo y cuál es su resistencia torsional?


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Ejemplo DP-05 – Solución

WOB requerido = 16 x 6000 = 96,000 lbs.

Peso en el aire de los lastra barrena = WOB / Factor de Flotación

BF = 1 - (10/65.5) = 0.8473

Peso en el aire de los lastra barrena = 96,000/0.8473= 113,301 lbf

Por lo tanto, peso requerido de los lastra barrena

= 113,301 x 1.15 = 130,296 lbf


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Determinando Cantidad y Tamaños

9 jts de HWDP de 5” = 9 X 30 X 53.7 = 14,499 lbs

12 jts DC de 6 ¾” x 2 ½” = 12 X 30 X 105 = 37,800 lbs

6 jts DC de 9” x 3” = 6 X 30 X 192 = 34,560 lbs

5 jts DC de 11”x 3” = 5 X 30 X 299 = 44,850 lbs

Longitud de BHA = 960 ft.

Peso Total BHA = 131,709 lbs.


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Selección de Conexiones

•9 jts HDP de 5” = NC50 => BSR =

•12 jts DC de 6 ¾”x 2 ½” = NC46 => BSR = 3.3

•6 jts DC de 9” x 3” = NC61 => BSR = 3.22

•5 jts DC de 11” x 3” = 8 5/8” Reg => BSR = 2.84

•SR de 11”X 3” a 9”X 3” = 1.83

•SR de 9”X3” a 6 ¾”X 2.5” = 2.38

•SR de 6 ¾” X 2.5 a 5” X 3” = 2.77

•SR de 5” X 3” a 5” X 4.276” = 1.87



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Limitaciones de Torque

•5” NC50, S135 DP = 34,190 ft/lb

•5” NC50, G105 DP = 22,820 ft/lb

•NC 50 HWDP = 38,040 ft/lb

•6 ¾” x 2 ½” NC46 = 25,850 ft/lb

•9” x 3” NC61 = 74,090 ft/lb

•11”x 3” 8 5/8” Reg = 130,680 ft/lb

•Más bajo = 22,820 x 0.8 = 18,256 ft/lbs



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Diseño de Sarta de Perforación

Diseño de Tubería de Perforación


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Parámetros de Diseño según el API Parámetros de Diseño según el API –– RP 7GRP 7G

• Tabla 1-3 Datos de Tubería Nueva

• Tabla 4-5 Datos de Tubería Clase Premium

• Tabla 6-7 Datos de Tubería Clase 2

• Tabla 8 Datos de Acoples de tubería

• Tabla 10 Datos del Torque de ajuste en la conexión

• Tabla 13 Peso de los DC (Collares de perforación)

• Tabla 14 Datos del Torque de Ajuste

• Fig 26-32 Datos de Rigidéz (BSR) de los DC


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Diseño de la Sarta por Tensión• Una vez que ya se ha diseñado la herramienta de fondo, se necesita:

• Añadir la tubería de perforación para que en la superficie se pueda

• Sostener el peso de la herramienta de fondo• Sostener el peso de la tubería entre la herramienta de fondo y

la superficie• Soportar el margen de sobre tensión seleccionado. • Soportar las fuerzas de las cuñas sobre la tubería que tratan

de aplastarla.

• Esto se hace utilizando un factor de seguridad a la tensión, SF de 1.1• Esto también supone que nunca salimos del rango elástico de la

tubería


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La mayor tensión (carga de trabajo Pw) sobre la sarta de perforación se presenta en el tramo superior cuando se llega a la máxima profundidad perforada.

Working Strength

Collares deperforación

Tubería deperforación Ldp

Ldc

P

Parámetros de DiseñoParámetros de Diseño

Diseño para la Tensión


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Peso Total, Tsurf, soportado por la junta superior de la tubería de perforación cuando la barrena está justo arriba del fondo;

( )[ ] BFWLWLT dcdcdpdpsurf ××+×=

BF m

s

= −1ρρ

Ldp = longitud de la tubería de perforación

Wdp = peso de la tubería de perforación por unidad de longitud

Ldc = Peso de los lastra barrena

Wdc = peso de los lastra barrena por unidad de longitud.

….(1)


Ldp

Ldc

PResistencia de Trabajo

Tubería deperforación

Collares deperforación


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La sarta de perforación no está diseñada de acuerdo con la resistencia de cedencia mínima.

Si al tensionar la la tubería de perforación se alcanza su punto de cedencia:

1. Tendrá una deformación total que es la suma de las deformaciones elástica y plástica (permanente).

2. El estiramiento permanente se quedará en la tubería de perforación (no desaparecerá al quitar la tensión aplicada)

3. Será difícil conservar la tubería recta.




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Para evitar daño por deformación a la tubería de perforación, API recomienda que se use una carga máxima de diseño permisible ( Pa)

Pa = 0.9 x Tyield ….(2)

Pa = Carga de diseño máxima permisible en tensión, lb

Tyield = Resistencia a la cedencia teórica dada en las tablas API, lbs

0.9 = Un límite proporcional constante relacionado con el punto de cedencia

Carga de Diseño Máxima Permisible

IPM Define que un factor de diseño de tensión de 1.1 se debe aplicar a las cargas de diseño. Por medio de esto se logra lo mismo.

NO HAGA DOBLE BUZAMIENTO


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El margen de sobre tensión es nominalmente de 50-100 k, o en el límite de la diferencia entre la carga máxima permisible menos la carga real.

Opciones del Margen de Sobre Tensión que se deben considerar

– Condiciones generales de perforación

– Arrastre de la sarta en el pozo

– Posibilidad de atrapamiento de la sarta

–Aplastamiento con las cuñas al asentarse sobre la MR

– Cargas dinámicas

Margen de sobre tensión


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1. Determine la carga máxima de diseño (Tmax) : (máxima carga para la que se debe diseñar la sarta de perforación)

Tmax = 0.9 x Punto de Cedencia mínimo … lb

Se debe considerar la clase de tubería

Procedimiento de DiseñoProcedimiento de Diseño

Margen de sobre tensión


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surf- TTMOP max =

3. Margen de Sobre Tensión: Fuerza de tensión mínima por encima de la carga de trabajo esperada para tomar en cuenta cualquier arrastre o que se

atore la tubería.

2. Calcule la carga total en superficie usando

( )[ ] BFWLWLT dcdcdpdpsurf ××+×=


….(3)

….(1)


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dcdp

dc

dp

yielddp L

WW

BFW

MOPTL ×−

×

−×=

9.0

4. La longitud máxima de la tubería de perforación que se puede usar se obtiene al combinar las ecuaciones 1 y 3 y despejando la longitud de la tubería de

perforación.

….(4)



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Ejemplo DP-06 Tubería de Perforación de un solo Grado

• Longitud de los collares de perforación: 600’ y peso en el aire es de 150 lb/ft. • Margen de sobretensión = 100,000 lbs. • 5” / 19.5 lb/ft Premium G-105 DP con conexiones NC50. Calcule la profundidad máxima del pozo que se puede perforarSuponga que BF= 0.85

• Realice los cálculos sin Margen de Sobre Tensión y con un Margen de Sobre Tensión de 100,000 lb

• Utilice las tablas API - RP7G para los valores del Peso Aproximado (Wdp) y para el Punto de Cedencia Mínimo.


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Carga real soportada ( Pf)

P = 0.85 [ 21.92 x Ldp + 150 x 600] … (2) (RP7G T9)

ftx

962,16600*92.21

15085.092.21

0535,392L dp =−

−=

Máxima profund.a perforar = Ldp + Ldc = 16,962 + 600 = 17,562 pies

Carga de diseño máxima ( Tmax)

Pa = 0.9 x Mínimo punto de cedencia

Pa = 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb …(1) (RP7G – T4)

Solución sin Margen de sobre tensión



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Repita el ejemplo anterior con Margen de sobre tensión utilizando la fórmula;

dcdp

dc

dp

yielddp L

WW

BFW

MOPTL ×−

×

−×=

9.0

Máxima Profundidad de Perforación = Ldp + Ldc



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Carga real soportada ( P)

Tsurf= 0.85 [ 21.92 x Ldp + 150 x 600] … (2) (RP7G T9)

ftx

595,11600*92.21

15085.092.21

000,100535,392L dp =−

−=

Profund.Máxima a Perforar = Ldp + Ldc = 11,595 + 600 = 12,195 pies

Carga de diseño máxima ( Pa)

Tmax = 0.9 x Punto de cedencia mínimo

Tmax= 0.9 x 436, 150 = 392,535 lb …(1) (RP7G – T4)

Solución con Margen de sobre tensión



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Fuerza de Aplastamiento por Las Cuñas

• Las cuñas debido a la forma cónica tratan de aplastar a la tubería de perforación. Este esfuerzo en anillo es resistido por el tubo y a la vez incrementa el esfuerzo global en el acero.

( )

( )dopeforFrictioncoeffArcTanzTaperSlipyzyK

inlengthSlipLinODPipeD

LDK

LDK

SS

StressTensileStressHoop

s

sst

h

08.0;)()45279(;)tan(/1

;)(

221

'''

2

===+=

==

++=

µµ

ο


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Fuerza de Aplastamiento por las Cuñas• Generalmente se expresa como un factor

DPTUBE 12 in 16 in2 3/8 1.25 1.182 7/8 1.31 1.223 1/2 1.39 1.284 1.45 1.324 1/2 1.52 1.375 1.59 1.425 1/2 1.66 1.476 5/8 1.82 1.59

SLIP LENGTHHorz to Tang Stress Ratio

LoadAxialEquivalentStressTensile

StressHooploadWorking =*

Axialt

hLoad P

SS

P =


Schlum

berger Private

Como un Parámetro de Diseño

• Únicamente puede perforar hasta donde pueda poner la tubería en las cuñas.

• Diferente a la Sobre Tensión, este se basa en las cargas de trabajo.

dcdp

dc

dp

T

h

yield

dp LWW

BFWS

ST

L ×−×

×

=

9.0


Schlum

berger Private

Una sarta de perforación consiste de 600 pies de collares de 8 ¼ “ x 2-13/16” y el resto es tubería de perforación de 5”, 19.5 lbm/pie, Grado X95 con conexiones NC50. Si el Margen de Sobre Tensión requerido es de 100,000 lb y el peso del lodo en el pozo es 10 ppg, calcule:

1) La profundidad máxima que se puede perforar cuando (a) se usa tubería de perforación nueva y (b) tubería de perforación Premium. (únicamente Margen de sobre tensión)

2) ¿Cuál es la profundidad máxima a la que se puede perforar tomando en consideración la fuerza de aplastamiento por cuñas para (a) y (b) anteriores ? ¿Para qué carga de gancho corresponde esto? ¿Cuál es el Margen de sobre tensión en este caso?

dcdp

dc

dp

yielddp L

WW

BFW

MOPTL ×−

×

−×=

9.0

Diseño por Tensión con Margen de Sobre Tensión

y Fuerza de Aplastamiento con las Cuñas

Ejemplo DP-07


Schlum

berger Private

Solución

(a) El peso del collar de perforación por pie es:

donde, ρs = densidad del acero = 489.5 lbm/ft

A = área de la sección transversal (pulg).

(Nota: De las tablas API, peso del collar de perforación = 161 lbm/ft).

( ) ( )( )A ft s× × = − × × ×14

825 28125 1 48951

1442 2ρ

π. . .

ftlbm /5.160=

Ejemplo DP-07


Schlum

berger Private

LP MOP

W BFWW

Ldpt

dp

dc

dpdc

× −×

− ×0 9.

( )P lb for Grade X new pipet = 501 090 95,

BF m

s

= − = −1 110

65 44ρρ .

Margen de Sobre Tensión, MOP = 100,000 lb

Ejemplo DP – 07


Schlum

berger Private

( )45.21

6005.160847.045.21

000,1009.0090,501 ×−

×−×

=dpL

La profundidad máxima del pozo que se puede perforar con una tubería de perforación nueva de Grado X95 bajo las condiciones de carga dadas es de

.428,15600828,14 ft=+

= 14,828 ft

Profundidad de perforación máxima = Ldp + Ldc

Ejemplo DP-07


Schlum

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Ejemplo DP-07 considerando la Fuerza de Aplastamiento por las Cuñas

dcdp

dc

dp

T

h

yield

dp LWW

BFW

Drag

SS

T

L ×−×

−×

=

9.0

ftL

L

dp

dp

991,12

60045.21

5.160847.045.21

42.19.0090,501

=

×−×

×

=

Profundidad máxima a perforar = Ldp + Ldc= 12,991+600=13,591 ft


Schlum

berger Private

Ejemplo DP-07 considerandoTubería Nueva

• En el caso de Tubería Nueva, las fuerzas de aplastamiento por las cuñas determinan la máxima profundidad a la que se puede perforar de 13,591 y no de 15,428 pies.

• La carga de gancho máxima indicada que se puede fijar con seguridad en las cuñas es de 317,590 lb

• El margen de sobre tensión en este caso es de 133,400 lbs


Schlum

berger PrivateftL

L

pd

pd

553,945.21

600*5.160847.0*45.21

000,1009.0*600,394

=

−−

=

Máxima Profundidad de Pozo

ft153,10600553,9 =+=Prof. de Perforación Maxima = Ldp + Ldc

Ejemplo DP-07 considerandoTubería Premium

P lbt = 394 600, :Ahora,


Schlum

berger Private

Ejemplo DP-07 Aplastamiento por las Cuñas

ftL

L

dp

dp

276,9

60045.21

5.160847.045.21

42.19.0600,394

=

×−×

×

=

Profundidad de Perforación Máxima = Ldp + Ldc= 9,276+600=9,876 pies


Schlum

berger Private

Ejemplo DP-07 Considerando Tubería Usada

• En el caso de Tubería Usada (Premium), las fuerzas de aplastamiento por las cuñas determinan la máxima profundidad a la que se puede perforar que es de 9,876, no 10,153.

• La carga de gancho máxima indicada que se puede asentar en forma segura sobre las cuñas es de 250,098 lb

• En este caso el margen de sobre tensión es de 105,000 lbs


Schlum

berger Private

La longitud de la Herramienta de Fondo es 600’ y el peso en el aire es de 70,000 lbs.Margen de Sobre Tensión = 80,000 lbs. Tubería de perforación de 5” 19.50 lb./ft, Clase Premium, Grado X95 con conexiones NC50. El peso del lodo en el pozo es MW = 13.0 ppg.

¿Cuál es la profundidad máxima a la que se puede perforar con este ensamble?

dcdp

dc

dp

yielddp L

WW

BFW

MOPTL ×−

×

−×=

9.0

Ejercicio

Ejemplo DP – 08


Schlum

berger Private

• Paso 2

• Los collares de perforación y la tubería de perforación del fondo actúan como el peso que es soportado por la sección superior… efectivamente el collar de perforación.

• Aplique la ecuación para la tubería de perforación superior al último.

• Paso 1

• Si usamos diferentes tuberías de perforación, la tubería más débil es la que va en el fondo y la tubería más fuerte en la parte superior.

• Aplique la ecuación primero a la tubería de perforación del fondo.

dcdp

dc

dp

tdp L

WW

BFWMOPP

L ×−×−×

=9.0

Diseño de Sarta Mixta


Schlum

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Un equipo de perforación de exploración tiene los siguientes grados de tubería de perforación para correrlos en un pozo de 15,000 pies de profundidad:

• Grado E : Nueva, 5” OD, 19.5 lb/pie, NC 50

• Grado G : Nueva, 5” OD, 19.5 lb/pie, NC 50

Se desea tener un Margen de sobre tensión de 50,000 lbs en la tubería Grado E. La longitud total y el peso total de los collares de perforación más la tubería de perforación con pared gruesa son de 984 pies y 101,000 lb respectivamente. MW a 15,000 pies = 13.4 ppg.

Calcule :

1. Máxima longitud de la tubería E que se puede usar.

2. Longitud de tubería G que se debe usar.

3. Margen de sobre tensión para la tubería G y para la tubería E.

4. Peso máximo en las cuñas para la tubería G y para la tubería E.

Ejemplo DP-08 Tubería de Perforación Mixta


Schlum

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El grado más ligero (Grado E) se debe usar para la parte del fondo del pozo, mientras que la tubería de grado más elevado se debe usar en la sección superior. De esta manera, el Grado E va a soportar el peso de los lastra barrena y de la tubería de perforación de pared gruesa. El término debe incluir el peso combinado de estos artículos.

dcdp

dc

dp

yielddp L

WW

BFW

MOPTL ×−

×−×

=9.0

7954.05.654.13

1 =−=BF

E Ldp1

G105

Ldp2

LBHA


Solución:

(a)

y,


Schlum

berger Private

HWDPofweightDCsofweightLW dcdc +=×

lb000,101=

ftL

L

dp

dp

595,1385.20000,101

796.0 85.20

000,509.0 600,395

=

−×

−×=



Schlum

berger Private

ftL

L

dp

dp

263,1085.20000,101

796.085.2042.1

9.0600,395

=

−×

×

=

Ejemplo DP – 08. Aplastamiento por las Cuñas en el tope de la tubería Grado E


Schlum

berger Private

Peso colgando de la junta superior de la tubería Grado “E”

10,263 x 20.85 = 213,983 lb Grade “E”

más 101,000 lb BHA

Peso total en el aire = 314,983 Lbs

Peso sumergido en el lodo de 13.4 ppg = 314,983 x 0.796=250,726 Lbs

314,105726,2509.0600,395

9.0*@

=−×=

−=

MOP

PPMOP WorkingYp

DP – 08. Margen de Sobre Tensión en la Junta Superior de la Tubería Grado “E”


Schlum

berger Private

La longitud acumulada de la sarta esta compuesta por:

Collares de perforación y tubería pesada = 984 pies

Tubería de Perforación, Grado “E” = 10,263 pies

Longitud Total, = 11,247 pies

La sección superior de la sarta estará compuesta por tubería Grado “G”de longitud:

15,000 – 11,247 = 3,752 pies

Verificar que la tubería grado “G” sea adecuada:

Ella va a soportar el peso de la tubería grado “E” más el peso del BHA

Ejemplo DP-08. Procedimiento para el Diseño


Schlum

berger Private

984,314000,10185.20263,10""

=+×=GBelowWt

Por lo tanto, bajo las condiciones de carga existentes, se podrían utilizar 5,745 pies de tubería grado “G” en la sección superior de la sarta. En el ejemplo que se analiza, sólo se requieren 3,752 pies.

E Ldp1

G105

Ldp2

LBHA

Ejemplo DP – 08. Longitud de tubería grado “G” para producirse el aplastamiento

ftL

L

dp

dp

745,593.21984,314

796.093.2142.1

9.0830,553

=

−×

×

=


Schlum

berger Private

Peso en la junta superior de la tubería grado “G” (Peso de toda la sarta)3,752 ft x 21.93 = 88,281 lbs (peso de la tubería Grado “G”)

más 314,983 lbs que pesan la tubería Grado “E” y el BHA

Peso total de la sarta en el aire = 403,264 Lbs

Peso total sumergido en el lodo de 13.4 ppg = 403,264 x 0.796 = 320,998 Lbs

Ejemplo DP – 08. Margen de Sobre-Tensión. “G”

449,177998,3209.0830,553

9.0*@

=−×=

−=

MOP

PPMOP WorkingYp La sobre tensión está limitada por la tubería Grado “E”

( )

449,177090,35142.1/9.0830,553

42.1

9.0*

5

@

==×=

=

MOPlb

PLoadSlipMax

DPinFor

Yp


Schlum

berger Private

Ejemplo DP – 08. Resultados del Diseño

• Herramienta de Fondo de 984 pies de longitud que pesa 101,000 lb en el aire

• Aproximadamente 336 tramos son tubería Grado “E” con longitud máxima de 10,263 pies

• Aproximadamente123 tramos de tubería Grado “G” con longitud máxima 3,752 pies

• Sobre-Tensión máxima para tubería Grado “G” = 182,458 lbs• Sobre-Tensión máxima para tubería Grado “E “= 105,000 lbs

(MOP limitado al menor valor de 105,000 lbs)• Máximo peso en las cuñas para Grado “G” 351,000 lbs• Máximo peso en las cuñas para Grado “E” 250,000 lbs


Schlum

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Dada la siguiente información:• Longitud del BHA = 800’ • Peso en el aire del BHA = 80,000 lbs. • Margen de Sobre-Tensión deseado, MOP = 100,000 lbs. • Tuberías de perforación: (a) 5”OD, 19.5 lb./pie, Clase

Premium, Grado “G”-105 , conexión NC50 y (b) 5”OD, 19.5 lb/pie, Clase Premium, grado “S”-135, NC 50

• Peso de lodo en el pozo = 11 lb/gal.Calcular:

1. Cuál es la máxima profundidad de perforación posible? 2. MOP disponible a la máxima profundidad?

Ejemplo DP-09. Diseño con DP combinada


Schlum

berger Private

MOP en un pozo desviadoSe debe considerar siemprela profundidad vertical, TVD

TVD

1. Calcular la TVD para Ldp.

2. Calcular el peso del BHA en un pozo inclinado, multiplicando su peso en el

aire por el coseno del ánulo:

Peso = BHA x cos θ

θLdp

LBHA

Factores de DiseñoFactores de Diseño


Schlum

berger Private

MOP en un pozo desviado

30°

TV

D

Long. De Tubería Ldp = 11500=11500 x cos 30°

12,000’

80,000 lbs. x cos 30° = 69,282 lbs.

Prof. Vertical de Ldp

Peso del BHA =



Schlum

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Ejercicio: Con los datos del gráfico, calcular el MOP para una sarta de DP combinada si el pozo tiene 40º de inclinación.

40°

TVD

10,000’

17200

18000

S135

G105

BHA weight = 80,000 lb



Schlum

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1. Un factor de diseño de 1.6 se deberá aplicar para las cargas de tensión debido a la naturaleza típica de tubería usada así como para considerar las posibles cargas de impacto que se produzcan cuando la tubería se asienta sobre las cuñas.

2. Si las cargas de impacto se cuantifican y se incluyen en los cálculos, se puede utilizar un factor de seguridad de 1.3

Factores de DiseñoFactores de Diseño


Schlum

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En un pozo desviado se pueden identificar las siguientes secciones:

1.Sección de Trayectoria Vertical

2.Sección de Construcción o Levantamiento de ángulo

3.Sección Tangente o de sostenimiento del ángulo

4.Sección de Reducción o Tumbado de ángulo

5.Sección de Navegación Horizontal

Diseño de Sartas de Perforación Diseño de Sartas de Perforación para pozos Desviados para pozos Desviados


Schlum

berger Private

KOP

θT BHA


Sección Vertical

Sección de Construcción

Sección Tangente


Schlum

berger Private

2. Sección de levantamiento de ánguloBFWlengthWeight dp ××=

( )=

×Sin

BUW BFT dpθ

5729 6.

Donde: Wdp = peso de la tubería de perf. en lbs/pie

BU = Tasa de construcción de ángulo en (grados/100 pies)

BF = Factor de Flotación

θT = ángulo por debajo del punto de tangencia

KOP

θT BHA


Sección de Construcción

Sección Vertical

Sección Tangente


Schlum

berger Private

3. Peso de la tubería en la sección tangente

[ ]BHABHAdpdpT LWLWCosxBF += θ



Schlum

berger Private

Pozo de Alcance ExtendidoDada la siguiente información para un pozo de Alcance Extendido:KOP = 8000 piesAngulo Final = 80 gradosRev. de 13 3/8” asentado en el tope de la sección tangente a 9,146 piesTasa de construcción angular = 5 grados /100 piesBHA = 180 pies con peso de 100 lb/pie incluye herramientas(Barrena /Combinaciones / Motor de Fondo / MWD)Profundidad Total del Objetivo TD = 17,000 piesTubería de perforación = 5”OD, 19.5 lb/pie, NC 50, Grado “S”Diámetro del Agujero = 12 ¼”Peso del lodo en el hoyo = 12.5 lbs/gal, Tipo SOBMLa barrena está a 2000 pies por debajo de la zapata del revest. 13 3/8”.Calcular los pesos en las respectivas secciones del agujero.

Ejemplo DP – 10


Schlum

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Current depth = 9146 + 2000 = 11,146 ft

BF = 0.809

Wdp = 22.6 lb/ft

Solución:

Peso el BHA = 180 pie x 100 lb/pie x 0.809 x cos 80º = 2,529 klb

Peso de Secc. Tangente = (2000-180)x22.6x0.809 x cos 80 = 5,651 klb

Peso de Sección Curva = ( 5729.6 x sin 80 ) x 22.6x 0.809 = 20,63 klb

5

Peso Secc. Vertical = 8000 x 22.6x 0.809 = 146,267 klb

Ejemplo DP – 10


Schlum

berger Private

( )lbfWFs dp×=1500

Cargas de Impacto

La fuerza de tensión adicional generada por los impactos estádada por:

( )lbfODWFb dp ×××= θ63

Doblamiento

La fuerza de tensión adicional generada por el doblamiento estádada por:

Otras CargasOtras Cargas


Schlum

berger Private

Otras Cargas

• Colapso bajo Tensión• Estallido• Otras cargas no incluídas aquí

• Cargas de Impacto• Cargas de doblamiento• Cargas de Pandeo o Encombamiento • Cargas de Torsión • Torsión con Tensión Simultánea


Schlum

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Colapso Biaxial

• La carga de colapso es peor cuando se llevan a cabo pruebas en seco en las que la tubería se corre vacía

• Observe que se utiliza el punto de cedencia promedio no el mínimo

Average

CollapsealNo

CollapseBiaxial

YpIDODLoad

Z

ZZP

P

*)(7854.0

234

22

2

min

−=

−−=


Schlum

berger Private

Colapso Biaxial

• Para Colapso Nominal• Use D/t y la fórmula correcta de la Spec 7G Apéndice A 3• Use los resultados que se encuentran en la Tabla 3-6 RP-7G

• Para Diámetro Externo y Diámetro Interno, use la Tabla 1 RP-7G• Para Punto de Cedencia Promedio use la Tabla que está en la

Sección 12.8 RP 7G

145,000S120,000G110,000X85,000EYpAvgGrado


Schlum

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Ejercicio DP-11

• Para hacer una prueba seca al traslape de un liner a 9,000 pies se corre un empacador en el extremo de una tubería de perforación de 5 pulgadas 19.5 #/ pies, Grado E, clase Premium y se asienta con 50,000 lb de tensió. En el momento de la prueba la tubería de perforación está vacía. El espacio anular está lleno con lodo de 12.0 lbs/gal. ¿Cuál es la carga de colapso en la junta del fondo de la tubería de perforación?

• Para una tubería de Perforación de 5”OD x 4.276” ID, Grado E, el punto de cedencia promedio es 85,000 psi


Schlum

berger Private

Ejemplo DP – 11. Solución

• La Tubería Premium tienen todavía el 80% del espesor de pared de la tubería nueva remanente • El espesor será = 0.8 x (5.0” - 4.276”)/2 = 0.2896”

• El diámetro interno es 4.276”

• El diámetro externo será: 4.276” + 2 x 0.2896” = 4.855”

1417.0000,85*)276.4855.4(7854.0

000,50

*)(7854.0

22

22

=−

=

−=

Z

Z

YpIDODLoad

ZAverage


Schlum

berger Private

• Colapso Nominal es 7,041• El colapso Biaxial reducido es 6,489

922.0

214167.014167.0*34

234

min

2

2

min

=

−−=

−−=

CollapsealNo

CollapseBiaxial

CollapsealNo

CollapseBiaxial

P

P

ZZP

P



Schlum

berger Private

• La carga de colapso es 9,000 x 0.052 x 12 = 5,616 psi• La carga de diseño es 5,616 x 1.15= 6,458• El colapso con cambio de calidad de tubería es 6,489, así

que estamos bien• El factor de diseño del colapso es 6,489/5,616=1.16

• El factor de diseño del colapso especificado por IPM es 1.1-1.15



Schlum

berger Private

Diseño para el Estallido

• Se aplica la formula de Barlows

• Note que no hay tolerancia para variaciones en el espesor de pared

• Algunos diseños utilizan un factor del 90% en el Yp para asegurar que nunca se caiga en la región de deformación plástica

• Los resultados se encuentran en Spec 7G Tabla 3, 5 y 7

DtYp

PBurst**2

=


Schlum

berger Private

Ejemplo DP – 12. Carga para el Estallido

• El peor caso de carga sucede durante las operaciones de prueba de formación (DST), en un pozo para gas. La presión en superficie es la presión de fondo – gradiente de gas sin respaldo.

• En el último ejemplo suponga que estamos realizando una prueba de formación en el pozo a 9,000 pies con presión de fondo de 200 psi menos que la columna de lodo. ¿Cuál es el Factor de Diseño para Estallido en la parte superior de la tubería de perforación Premium Grado E?


Schlum

berger Private

• Del último ejemplo: DP de 5” 19.5 # E, Premium• Diámetro externo = 5”, Espesor de Pared = 0.2896” • Punto de Cedencia = 75,000 lbs

• Presión de Estallido = 8,688 psi• Presión en el Fondo (HP)lodo – 200

= 12 x 0.052 x 9,000 – 200 = 5,416 psi• P. en Superficie = 5,416 – 900 = 4,516 psi

• Factor de Diseño = 8,688/4,516 = 1.92

Ejemplo DP – 12. Carga para el Estallido


Schlum

berger Private

Ahora usted debe poder describir:

Diseño de Sartas de PerforaciónDiseño de Sartas de Perforación

1. Funciones de la tubería de perforación, los lastra barrena y la selección de la herramienta de fondo.

2. Los grados de la tubería de perforación y las propiedades de resistencia.

3. Tipos de roscas y de acoples.4. Peso y punto neutral del lastra barrena.5. Relaciones de los esfuerzo de flexión y de rigidez.6. Margen de sobre tensión.

7. Cálculos de diseño basados en la profundidad a la que se va a perforar.

8. Conceptos básicos del control direccional usando ensamblajes de fondo rotacionales

9. Funciones de los estabilizadores y de los escariadores de rodillos.

14 diseño de sartas de perforación y bha

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