INT-4683,1998 vPROCEDIMIENTOS DE DISEO PARA TUBERAS DE REVESTIMIENTOS Y PRODUCCIN INT-4683,1998 v LISTA DE DISTRIBUCION No. de copias Gerencia de Nuevas Aplicaciones. PDVSA E&P - Oriente Responsables: M. Guzmn. J.G. Prez. R. Molina 3 (1-3) Gerencia de Perforacin. PDVSA E&P - Sur Responsables: A. Faras. J. Cap. 2 (4-5) Gerencia de Tecnologa. PDVSA E&P - Occidente Responsables: R. Greaves. J. Cedeo. F. Pirela. F.J. Snchez 4 (6-9) Gerencia de Materiales. PDVSA Servicios. - Caracas Responsable: E. Zavatti. 1 (10) Proyecto Mejoramiento de Calidad PDVSA Intevep.- Los Teques Responsables: M. Vilera. W. Rodrguez. 2 (11-12) Negocio de Servicios de Perforacin PDVSA Intevep.- Los Teques Responsable: M. Rivero 1 (13) Centro de Informacin Tcnica INTEVEP, S.A. Responsable: C.I.T. 1 (14)INT-4683,1998 vi INT-4683,1998 vii SUMARIO Este documento est dirigido a establecer un procedimiento normalizado de Diseo de Revestidores y Tubera de Produccin a nivel de PDVSA, de acuerd o con los siguientes objetivos: Establecer una metodologa de diseo consistente en toda la corporacin. Identificar las cargas mnimas a considerarse en un diseo de revestidores y tubera de produccin. Identificar los factores mnimos de diseo que se deben considerar cuando se evala un diseo de revestidores y tubera de produccin. Este documento presenta todas las fases presente en el proceso de dis eo, su aplicacin e importancia, desde seleccin de profundidades de asentamiento, seleccin de materiales, conexiones, seleccin de las propiedades geomtricas hasta final mente establecer la configuracin de las sartas de tubulares ms ptima dependiend o de su funcin dentro del pozo. Adems, de las cargas de diseo establecida por la A.P.I. (estallido, c olapso y tensin), tambin se calibra el diseo tomando en consideracin las cargas de compresin, esfuerzos triaxiales, efectos de cambios de temperatura, pandeo, desgaste, y cua lquier otro tipo de carga, esttica o dinmica, que impacte sobre el diseo de las sa rtas de revestimiento y produccin. Este documento es un producto acordado dentro de las actividades del proyecto 5744, Mejoramiento de Calidad en Servicios Tcnicos y Operaciones de Perforacin de l a IPPCN, realizado con la colaboracin del Comit de Racionalizacin de Revesti dores de PDVSA. Es muy importante resaltar que, este procedimiento est en constante evaluacin y que los mismos pueden variar de acuerdos a causas y/o estudios debida mente soportados que impliquen una optimizacin del proceso mismo. Cualquier cambio que se deba rea lizar al presente procedimiento, debe ser informado y aprobado por el Comit de Racionalizacin de Revestidores, como se establece en el Captulo 1. INT-4683,1998 viiiINT-4683,1998 ix TABLA DE CONTENIDO SUMARIO......................................................................... ............................................... VII LISTA DE ILUSTRACIONES.......................................................... ............................XIII LISTA DE TABLAS................................................................. ......................................XVI 1. INTRODUCCION............................................................... .................................. 1 2. DEFINICION Y FUNCIONES DE LA TUBERIA DE REVESTIMIENTO Y PRODUCCION...................................................... ......... 3 2.1 DESIGNACION Y FUNCIONES DE LAS SARTAS DE TUBERIA.................... 4 2.1.1 CONDUCTOR............................................................... ............................................... 4 2.1.2 TUBERA DE SUPERFICIE..................................................... ....................................... 4 2.1.3 TUBERA INTERMEDIA, CAMISAS DE PERFORACIN Y TIEBACKS DE PERFORACIN....................................................................... ..................................... 5 2.1.4 REVESTIDOR DE PRODUCCIN, CAMISA DE PRODUCCIN Y TIEBACK DE PRODUCCIN........................................................................ ..................................... 5 2.1.5 TUBERA DE PRODUCCIN....................................................... ................................... 5 2.2 PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEO............................................ ........... 5 3. METODOS DE DISEO CONVENCIONALES Y PARA VIDA DE SERVICIO ....................................................................... ...................................... 7 3.1 ESTALLIDO................................................................. .......................................... 8 3.2 COLAPSO................................................................... ............................................ 9 3.3 TENSION................................................................... ........................................... 10 3.4 FACTORES DE DISEO VS. FACTORES DE SEGURIDAD........................... 11 3.5 RESUMEN DE MTODOS DE DISEO CONVENCIONAL VS. VIDA DE SERVICIO..................................................................... .................................. 13 4. ASPECTOS DE MATERIALES..................................................... ................... 15 4.1 DESIGNACION DE TUBERIA.................................................... ........................ 16 4.2 GRADO..................................................................... ............................................ 17 4.3 LONGITUDES................................................................ ...................................... 23 5. LAS CONEXIONES DE LOS TUBULARES............................................ ....... 25 5.1 CONEXIONES API............................................................ ................................... 27 5.2 CONEXIONES PATENTADAS..................................................... ...................... 335.3 PRESION SELLANTE.......................................................... ................................ 36 5.3.1 DESEMPEO Y TRANSPARENCIA GEOMTRICA........................................ .................... 39 INT-4683,1998 x 5.3.2 CONSERVACIN DEL DIMETRO DEL HOYO.......................................... ......................40 5.4 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LA JUNTA....................................... .....41 5.5 PROGRAMAS DE CALIDAD...................................................... ........................43 5.6 LAS JUNTAS APROBADAS POR PDVSA............................................ .............45 6. DISEO DE LA PROFUNDIDAD DE ASENTAMIENTO DE LA TUBERIA DE REVESTIMIENTO........................................................ ............47 6.1 DETERMINACIN DE LA PROFUNDIDAD DE ASENTAMIENTO...............47 6.2 PREDICCIN DE LA PRESIN DE PORO ............................................. ...........50 6.3 PRUEBA DE INTEGRIDAD DE PRESIN............................................. ............54 6.4 PEGA DIFERENCIAL ......................................................... .................................57 6.5 ARREMETIDAS .............................................................. .....................................58 7. PARAMETROS DE DISEO......................................................... ...................69 7.1 RECOMENDACIONES SOBRE EL CASO BASE Y LOS CASOS DE CARGA........................................................................... .......................................71 7.2 CONDICION INICIAL O CASO BASE ............................................ ...................74 7.2.1 REVESTIDOR CEMENTADO.................................................... .....................................74 7.2.2 TUBERA DE PRODUCCIN ...................................................... ..................................76 7.3 CONDICIONES DE SERVICIO O CASOS DE CARGA.................................. ...77 7.3.1 CASOS DE CARGA DEL CONDUCTOR............................................ ...............................78 7.3.2 CASOS DE CARGA PARA TUBERA DE SUPERFICIE, REVESTIDORES, CAMISAS Y TIEBACKS INTERMEDIOS............................................................ ................................81 7.3.3 REVESTIDOR, CAMISAS Y TIEBACKS DE PRODUCCIN.............................. ....................88 7.3.4 TUBERA DE PRODUCCIN ...................................................... ..................................92 8. CONSIDERACIONES DE DISEO.................................................... ..............97 8.1 CONSIDERACIONES DE DISEO PARA COLAPSO ..................................... .97 8.1.1 FACTOR DE DISEO PARA COLAPSO............................................. ..............................97 8.1.2 VALORES NOMINALES DE COLAPSO............................................ ................................98 8.1.3 CARGA DE COLAPSO ....................................................... ........................................103 8.1.4 TUBERA ALTO VALOR DE RESISTENCIA AL COLAPSO.............................. ...................1048.1.5 EJEMPLO DE CLCULO ....................................................... ....................................105 8.2 CONSIDERACIONES DE DISEO CONTRA PRESION INTERNA..............110 8.2.1 FACTOR DE DISEO PARA FLUENCIA INTERNA.................................... ......................110 8.2.2 VALOR NOMINAL DE PRESIN INTERNA DE FLUENCIA ............................. ..................110 8.2.3 CARGA PARA FLUENCIA INTERNA MNIMA......................................... ........................114 8.2.4 TOLERANCIA A LA FLUENCIA INTERNA MNIMA MEJORADA ......................... ...............114 8.2.5 PRESIN DE RUPTURA ....................................................... .....................................114 8.2.6 EJEMPLO DE CLCULO ....................................................... ....................................115 8.3 CRITERIOS DE DISEO PARA TENSION Y COMPRESION........................117 8.3.1 FACTORES DE DISEO PARA TENSIN Y COMPRESIN ................................. ..............119 8.3.2 VALORES NOMINALES DE TENSIN PARA EL REVESTIDOR .......................... ................120 8.3.3 VALORES NOMINALES DE COMPRESIN PARA EL REVESTIDOR ....................... ............124 INT-4683,1998 xi 8.3.4 VALORES NOMINALES DE TENSIN PARA TUBERA DE PRODUCCIN....................... ... 127 8.3.5 VALORES NOMINALES DE COMPRESIN PARA TUBERA DE PRODUCCIN................... 130 8.3.6 CARGAS DE TENSIN Y DE COMPRESIN........................................... ....................... 131 8.4 ANALISIS DE ESFUERZOS TRIAXIALES (VME) ................................... ...... 137 8.4.1 FACTOR DE DISEO PARA LA INTENSIDAD DE ESFUERZO EQUIVALENTE TRIAXIAL. ...................................................................... ......................................... 137 8.4.2 ESFUERZO PRINCIPAL ..................................................... ....................................... 138 8.4.3 ESFUERZO EQUIVALENTE VON MISES (VME).................................... ...................... 141 8.4.4 DIAGRAMAS DE CAPACIDAD DE CARGA TRIAXIAL ............................... ...................... 141 8.4.5 ESFUERZO TRIAXIAL Y FLEXIN .............................................. ................................ 146 8.4.6 EFECTO DE LAS TOLERANCIAS DIMENSIONALES EN EL ESFUERZO VME.............. ....... 147 8.4.7 EJEMPLO DE CLCULO........................................................ ................................... 148 8.5 CONSIDERACIONES DE DISEO DE PANDEO......................................... .. 151 8.5.1 INTRODUCCIN.............................................................. ........................................ 151 8.5.2 PREDICCIN DEL PANDEO: LA FUERZA EFECTIVA................................. ................... 152 8.5.3 SEVERIDAD DEL PANDEO: PASO, PATA DE PERRO Y PASO DE HERRAMIENTAS. ...... ..... 154 8.5.4 EJEMPLOS DE CLCULOS DE PANDEO ........................................... .......................... 155 8.6 CONSIDERACIONES DE TEMPERATURA............................................ ........ 163 8.6.1 PERFILES DE TEMPERATURA................................................................................... 163 8.6.2 PREDICCIN DE TEMPERATURA EN CONDICIONES DE CEMENTACIN..................... ... 167 8.6.3 PREDICCIN DE LA TEMPERATURA DE INYECCIN .................................. ................. 168 8.6.4 PREDICCIN DE LA TEMPERATURA DE PRODUCCIN ................................. .............. 170 8.6.5 PREDICCIN DE LA TEMPERATURA CIRCULANTE................................... ................... 172 8.6.6 PROPIEDADES TRMICAS...................................................... .................................. 174 8.6.7 EJEMPLO DE CLCULO........................................................ ................................... 175 8.7 CONSIDERACIONES ESPECIALES DE DISEO........................................ .. 177 8.7.1 CARGAS COMBINADAS ...................................................... ...................................... 177 8.7.2 TRANSFERENCIA DE CARGAS................................................. .................................. 177 8.7.3 ACUMULACIN DE PRESIN ANULAR............................................... ........................ 178 8.8 DESGASTE DEL REVESTIDOR................................................... .................... 190 8.8.1 REDUCCIN UNIFORME DE LAS PAREDES ........................................ ........................ 190 8.8.2 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE LABORATORIO Y CAMPO........................ ............... 192 9. CONFIABILIDAD DE REVESTIDOR Y TUBERA DE PRODUCCIN........................................................................ .......................... 196 9.1 FACTOR DE DISEO, FACTOR DE SEGURIDAD Y PROBABILIDAD DE FALLAS.......................................................... ................ 196 9.2 DISTRIBUCIN DE CARGAS Y RESISTENCIAS....................................... ... 198 9.3 CALCULO DE PROBABILIDADES DE FALLA........................................ ..... 201 9.3.1 EJEMPLO DE CLCULO: PROBABILIDAD DE FALLA POR COLAPSO..................... ....... 202 10. EJEMPLOS CON APLICACIN DE LAS CONSIDERACIONES PARA DISEO DE REVESTIDORES....................................................... .... 206 INT-4683,1998 xii 10.1 EJEMPLO NO. 10.1: SELECCIN DEL NMERO DE REVESTIDORES Y DE LAS PROFUNDIDADES DE ASENTAMIENTO. .................................................................. ...........................207 10.2 EJEMPLO NO. 10.2: SELECCIN DE DIMETROS DE LOS REVESTIDORES ................................................................... .............................213 10.3 EJEMPLO NO. 10.3: ANLISIS DE UNA TUBERA DE REVESTIMIENTO DE ACUERDO AL MODELO DE VIDA DE SERVICIO ........................................................................ .................................216 10.3.1 CONSIDERACIONES Y DATOS GENERALES ..................................... ............................216 10.3.2 CASO BASE: CONDICIN CEMENTADA.......................................... .......................221 10.3.3 CASO DE CARGA I: VACO TOTAL ......................................................................225 10.3.4 CASO DE CARGA II: FUGA EN LA TUBERA DE PRODUCCIN CERCA DE LA SUPERFICIE CON TEMPERATURA ESTTICA. ............................................. .................235 10.3.5 RESUMEN DE FACTORES DE DISEO PARA CADA CASO DE CARGA ................................................................................ ..............................................246 10.4 EJEMPLO NO. 10.4: ANLISIS DE UNA TUBERA DE REVESTIMIENTO DE ACUERDO AL "METODO CONVENCIONAL API"............................................................................ ..........................................247 10.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES.............................................. .................................247 10.4.2 APLICACIN DEL MTODO API ................................................. ..............................250 ANEXO A-1. DATOS ESPECIALES PARA EL CASO BASE DE LOS TIEBACK......................................................................... ..................................262 ANEXO A-2. DATOS ESPECIALES PARA EL CASO BASE DE LA TUBERA DE PRODUCCIN .............................................................. ..........264 ANEXO A-3. ALGUNAS RECOMENDACIONES SOBRE FLUIDOS DE COMPLETACIN...................................................................... ......................266 ANEXO A-4. DIMETROS DE PORTAMECHAS Y TUBERAS DE PERFORACIN Y LONGITUDES USUALES DE LOS ENSAMBLAJES DE FONDO............................................................ ..............268 ANEXO A-5. DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE ........................................... ..........269 ANEXO B. GUAS DE INGENIERA....................................................... ...................277 ANEXO C. TABLA DE TUBULARES NORMALIZADOS POR PDVSA................287 INT-4683,1998 xiii LISTA DE ILUSTRACIONES FIG. 2.1. REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UNA SARTA DE REVESTIMIENTO DONDE SE MUESTRAN ALGUNOS DE SUS COMPONENTES.......................................... .............. 3 FIG. 3.1. CONSIDERACIONES DE PRESIN INTERNA Y EXTERNA EN EL DISEO CONVENCIONAL A ESTALLIDO. ...................................................... ............................ 8 FIG. 3.2. CONSIDERACIONES DE PRESIN INTERNA Y EXTERNA EN EL DISEO CONVENCIONAL A COLAPSO. ........................................................ ............................. 9 FIG. 5.1. JUNTA ACOPLADA VS. JUNTA INTEGRAL .................................... ............................. 27 FIG. 5.2. PERFILES DE ROSCA API: (A) ROSCA REDONDA, (B) ROSCA EXTREME-LINE, (C) BUTTRESS ................................................................... ...................................... 28 FIG. 5.3. CONEXIONES API ...................................................... ............................................ 32 FIG. 5.4. CONEXIONES INTEGRALES PATENTADAS...................................... .......................... 36 FIG. 5.5. EFECTO DE LA PRESIN INTERNA SOBRE LA ENERGIZACIN DE LA JUNTA Y SU CAPACIDAD DE SOPORTAR DICHA PRESIN INTERNA ................................... ....... 39 FIG. 5.6. RENDIMIENTO Y GEOMETRA PRODUCE TRANSPARENCIA....................................... 40 FIG. 5.7. RBOL DE DECISIONES PARA LA SELECCIN DE JUNTAS PARA TUBERA DE REVESTIMIENTO. VLIDO PARA EL PRIMER TRIMESTRE DE 1998............................ . 45 FIG. 5.8. RBOL DE DECISIONES PARA LA SELECCIN DE JUNTAS PARA TUBERA DE PRODUCCIN. VLIDO PARA EL PRIMER TRIMESTRE DE 1998................................. . 46 FIG. 6.1. DIAGRAMAS ESQUEMTICOS DE PRESIN VS. PROFUNDIDAD Y GRADIENTE DE PRESIN VS. PROFUNDIDAD. .......................................................... ........................ 48 FIG. 6.2. RELACIN ENTRE LA PROFUNDIDAD DE ASENTAMIENTO DEL REVESTIDOR, POROS DE LA FORMACIN, GRADIENTE DE PRESIN Y GRADIENTE DE FRACTURA ....................................................................... ....................................... 50 FIG. 6.3. GRFICO PENNEBAKER...................................................... ..................................... 51 FIG. 6.4. VALORES DEL EXPONENTE D COMO FUNCIN DEL SOBREBALANCE. ................. ....... 53 INT-4683,1998 xiv FIG. 6.5. VALORES DEL EXPONENTE D MODIFICADO COMO FUNCIN DE LA PROFUNDIDAD. ................................................................... .....................................53 FIG. 6.6. GRFICO DE UNA PRUEBA DE FUGA........................................... ..............................56 FIG. 7.1. SECUENCIAS USUALES DE DIMETROS DE LOS REVESTIDORES, MECHAS Y HOYOS. ......................................................................... ...........................................72 FIG. 7.2. ESQUEMA DEL CASO DE CARGA PRUEBA DE PRESIN, QUE SE APLICA AL CONDUCTOR. ..................................................................... ......................................79 FIG. 7.3. ESQUEMA DEL CASO DE CARGA 1/3 VACO, QUE SE APLICA AL CONDUCTOR Y A LOS REVESTIDORES INTERMEDIOS. A LA DERECHA SE MUESTRAN LOS PERFILES DE PRESIN EXTERNA E INTERNA. ........................................... .................81 FIG. 7.4. ESQUEMA DEL CASO DE CARGA DE LA ARREMETIDA DE GAS QUE SE APLICA A LOS REVESTIDORES INTERMEDIOS. A LA DERECHA SE MUESTRAN LOS PERFILES DE PRESIN EXTERNA E INTERNA. ........................................... .................84 FIG. 7.5. PERFIL DE PRESIN INTERNA PARA UNA ARREMETIDA........................... ..................86 FIG. 7.6. PERFIL DE PRESIN INTERNA PARA UNA ARREMETIDA, PERO PARA EL CASO DE QUE LA FORMACIN CEDE A LA PRESIN. ................................................ ................86 FIG. 7.7. PERFIL DE TEMPERATURAS PARA EL CASO DE ARREMETIDA DE GAS. ............ ...........87 FIG. 7.8. CASO DE CARGA DE VACO TOTAL. .......................................... ................................90 FIG. 7.9. CASO DE FUGA EN LA TUBERA DE PRODUCCIN, CERCA DE LA SUPERFICIE.......... ...90 FIG. 7.10. CASO TUBERA DE PRODUCCIN TOTALMENTE LLENA DE GAS, TEMPERATURA ESTTICA O EN CALIENTE. .......................................................... .............................93 FIG. 7.11. CASO TUBERA DE PRODUCCIN TOTALMENTE VACO COMPLETO, TEMPERATURA ESTTICA O EN CALIENTE. .............................................. .................94 FIG. 7.12. CASO TUBERA DE PRODUCCIN, DESPUS DEL CAONEO. ............................ ........96 FIG. 8.1. DETERMINACIN DEL FACTOR DE COLAPSO DE DISEO............................. ............105FIG. 8.2. REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE MEDIO TUBO, SOMETIDO A PRESIN INTERNA. ....................................................................... ........................................111 FIG. 8.3. REPRESENTACIN DE LA PARTE SUPERIOR DEL DIAGRAMA TELCAP PARA LOS ESFUERZOS EQUIVALENTES VME...................................................... ....................143 INT-4683,1998 xv FIG. 8.4. REPRESENTACIN DE LA PARTE INFERIOR DEL DIAGRAMA TELCAP PARA LOS ESFUERZOS EQUIVALENTES VME...................................................... ................... 143 FIG. 8.5. REPRESENTACIN DE AMBAS PARTES DEL DIAGRAMA TELCAP PARA LOS ESFUERZOS EQUIVALENTES VME...................................................... ................... 143 FIG. 8.6. DIAGRAMA TELCAP DONDE SE HA REPRESENTADO LA LNEA CORRESPONDIENTE A UNA CARGA DE SERVICIO. ES UNA LNEA PORQUE REPRESENTA LOS DIFERENTES VALORES DE ESFUERZO EQUIVALENTE VME PARA CADA PROFUNDIDAD........................................................... ......................... 143 FIG. 8.7. CAPACIDAD EQUIVALENTE DE CARGA TRIAXIAL (DISEO ACEPTABLE).............. 145 FIG. 8.8. CAPACIDAD EQUIVALENTE DE CARGA TRIAXIAL (DISEO NO ACEPTABLE) ........ 1 45 FIG. 8.9. LOCALIZACIN DE LOS PUNTOS DE CLCULO DE LOS ESFUERZOS VME CUANDO EXISTE PANDEO ........................................................... ........................... 147 FIG. 8.10. EN ESTA SE MUESTRA UNA TUBERA PANDEADA DONDE SE REPRESENTA EL PASO (DISTANCIA ENTRE CRESTAS), AS COMO LA LONGITUD MXIMA DE HERRAMIENTA QUE PUEDE PASAR POR LA TUBERA........................................ ....... 153 FIG. 8.11. REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UNA SARTA EN LA QUE EL TOPE DEL CEMENTO DE UNA SARTA INTERNA (TIEBACK DE PRODUCCIN) EST POR ENCIMA DE UNA SARTA EXTERNA (REVESTIDOR INTERMEDIO) Y SE PRODUCE UN EFECTO DE TRANSFERENCIA DE CARGAS............................................ .............. 178 FIG. 8.12. AUMENTO DE LA PRESIN ANULAR........................................... .......................... 188 FIG. 8.13. CURVA DE PREDICCIN DE DESGASTE. ...................................... .......................... 193 FIG. 9.1. CARGAS Y CURVAS DE RESISTENCIA PARA CEDENCIA INTERNA.................. ........... 197 FIG. 9.2. DISTRIBUCIONES DE CARGA Y RESISTENCIA DE LA SARTA DEL EJEMPLO DE CLCULO .......................................................................... .................................... 202 FIG. 10.1. GRADIENTE DE PRESIN DE PORO Y GRADIENTE DE FRACTURA................... ........ 209 FIG. 10.2. SELECCIN DE LA PROFUNDIDAD DE ASENTAMIENTO DEL REVESTIDOR SUPERFICIAL TOMANDO EN CUENTA CONSIDERACIONES DE ARREMETIDA AL PERFORAR SECCIONES MS PROFUNDAS.................................................. .............. 212 INT-4683,1998 xvi FIG. 10.3. SECUENCIAS USUALES DE DIMETROS DE LOS REVESTIDORES, MECHAS Y HOYOS. ......................................................................... .........................................214 FIG. 10.4. ESQUEMA DE TUBERAS DE REVESTIMIENTO PARA EL PROBLEMA PLANTEADO. ................................................................................ ..............................................215FIG. 10.5. PROCEDIMIENTO PARA EL CLCULO DE UN MODELO DE VIDA DE SERVICIO.......21 7 FIG. 10.6. DATOS CORRESPONDIENTES AL REVESTIDOR DEL EJEMPLO EN LAS TRES CONDICIONES: CASO BASE, CASO DE CARGA I Y CASO DE CARGA II. ...................2 20 FIG. 10.7. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DEL REVESTIDOR DE PRODUCCIN EN EL CASO BASE............................................................................ ..........................................222 FIG. 10.8. DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE DEL REVESTIDOR DE PRODUCCIN EN EL CASO BASE. ..................................................................... ......................................223 FIG. 10.9. DETERMINACIN DEL FACTOR DE DISEO POR COLAPSO........................... ..........229 FIG. 10.10. REPRESENTACIN DE LA CARGA QUE GENERA LA MXIMA POSIBILIDAD DE FALLA POR ESTALLIDO. LAS LNEAS NEGRAS CORRESPONDEN A LAS DIFERENTES PRESIONES: INTERNA, EXTERNA, RESULTANTE Y DE DISEO Y LAS LNEAS PUNTEADAS AL REVESTIDOR PROPUESTO Y A UNO CON UNA RESISTENCIA MENOR, PERO SUFICIENTE. ............................................ ...................252 FIG. 10.11. REPRESENTACIN DE LA CARGA QUE GENERA LA MXIMA POSIBILIDAD DE FALLA POR COLAPSO. ............................................................. ...............................254 FIG. 10.12. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE PARA CLCULO DE FUERZAS AXIALES. ............ ..255 FIG. 10.13. CONSIDERACIONES DE DISEO PARA TENSIN/COMPRESIN. ....................... .....256 FIG. 10.14. ELIPSE DE PLASTICIDAD PARA EFECTOS BIAXIALES. ...................... ....................258 FIG. 10.15. EFECTOS DE LA CARGA DE TENSIN SOBRE EL ESTALLIDO Y EL COLAPSO. ...... ..259 FIG. 10.16. RESULTADOS POR EFECTOS BIAXIALES.................................... ..........................259LISTA DE TABLAS INT-4683,1998 xvii TABLA 3-1. VALORES MNIMOS DE LOS FACTORES DE DISEO, SEGN PDVSA, PARA REVESTIDORES Y TUBERA DE PRODUCCIN. .............................................. ........ 12 TABLA 3-2. DISEO CONVENCIONAL VS. VIDA DE SERVICIO............................... ............... 13 TABLA 4-1. PROCESO DE FABRICACIN Y TRATAMIENTO TRMICO. ........................... ....... 18 TABLA 4-2. REQUERIMIENTOS QUMICOS................................................ ........................... 19 TABLA 4-3. REQUERIMIENTOS DE TENSIN Y DUREZA..................................... .................. 19 TABLA 5-1. FORMAS DE ROSCAS Y PROGRESIN A CONEXIONES API NORMALIZADAS........ 30 TABLA 5-2. CONEXIONES ROSCADAS Y ACOPLADAS PATENTADAS .......................... ........... 35 TABLA 6-1. LISTAS DE MTODOS PARA PREDICCIN DE PRESIONES EN YACIMIENTOS......... 53 TABLA 7-1. TABLA PARA CALCULAR EL PERFIL DE TEMPERATURA ESTTICO.(TVD = PROFUNDIDAD VERTICAL VERDADERA, BHT = TEMPERATURA DE FONDO DE HOYO Y GTE = GRADIENTE ESTTICO DE TEMPERATURA).............................. 8 8TABLA 7-2. TABLA PARA CALCULAR EL PERFIL DE TEMPERATURA DE FLUJO CALIENTE.(TVD = PROFUNDIDAD VERTICAL VERDADERA, BHT = TEMPERATURA DE FONDO DE HOYO Y GTE = GRADIENTE ESTTICO DE TEMPERATURA).................................................................... .............................. 91 TABLA 7-3. PERFIL DE PRESIN INTERNA PARA EL CASO DE CAONEO. (BHP: PRESIN EN EL FONDO DEL POZO). ......................................................... ............................ 95 TABLA 8.1. VALORES DE I Y T PARA ROSCAS TRAPEZOIDALES (BUTTRESS). .............. ...... 113 TABLA 8.2. DEFORMACIONES A LAS QUE SE MIDE LA RESISTENCIA A LA FLUENCIA DE UN MATERIAL SEGN EL MTODO API .................................................... ......... 123 TABLA 8.3. VALORES DEL PARMETRO W, COMO FUNCIN DEL DIMETRO EXTERNO DE LA TUBERA..................................................................... ............................ 123 TABLA 8.4. PARMETROS PARA LA FUNCIN TIEMPO DE LA ECUACIN (8-87) ................. 1 70 TABLA 8.5. PARMETROS PARA LA FUNCIN TIEMPO DE LA ECUACIN (8-95) ................. 1 72 TABLA 9.1. CLCULO DE PROBABILIDAD DE FALLA DEL EJEMPLO........................... ......... 204 TABLA 10-1. GRADIENTE DE PRESIN DE PORO Y GRANDIENTE DE FRACTURA, EJEMPLO NO. 10.1 ............................................................... ............................ 207 INT-4683,1998 xviii TABLA A.1.3.- FUERZAS DE AJUSTE AXIAL DE LOS TIEBACKS. ......................... ......................263 TABLA A.4.6.- DIMETROS EXTERNOS DE LOS PORTAMECHAS Y LONGITUD DEL ENSAMBLAJE DE FONDO USUAL COMO FUNCIN DET TAMAO DEL HOYO H. ....268 TABLA A.4.7.- DAMETROS EXTERNOS USUALES DE LAS TUBERAS DE PERFORACIN.........268 1. INTRODUCCION Los objetivos de este Manual para el Diseo de Revestidores y Tubera de Produccin de PDVSA son los siguientes: Establecer una metodologa de diseo uniforme para toda PDVSA. Identificar las cargas mnimas que se deben considerar en el diseo de revestidores y de tubera de produccin. Identificar los factores de diseo mnimos que deben intervenir en la evaluacin de un diseo de revestidor o de tubera de produccin. Con este objetivo en mente, PDVSA exige que todo diseo de revestidor y de tubera de produccin sea: Seguro - que no falle cuando soporte las cargas previstas. Econmico - que el equipo seleccionado garantice el menor costo total de instalacin posible. Factible - que el diseo sea posible de implantar e instalar. As mismo, el presente manual NO tiene como objetivo invalidar ni discrepar con normativas gubernamentales ni polticas locales. Todas las prcticas de diseo que contiene este manual se consideran segu ras y comprobadas. No obstante, recae en el ingeniero de diseo la responsabilidad de ga rantizar la adecuada aplicacin del manual. Este constituye una herramienta que puede ser beneficiosa slo si se utiliza correctamente.La gua para la seleccin o a una configuracin segura y consistir en seleccionar el equipo que onsideraciones estructurales por s solas o otras consideraciones tales como s locales pueden 2de equipos conducir al ingeniero de diseo primer estructuralmente correcta. El paso siguiente Las cpermita reducir los costos al mnimo.permitirn reducir el tonelaje en el diseo, per el inventario en existencia y las condicioneinfluir tambin en la seleccin del equipo. La optimizacin del costo globa l es tambin responsabilidad del ingeniero de diseo. La tecnologa de perforacin y completacin es dinmica. Ningn tratado sobre el tema puede abarcar de manera realista todo lo que existe hoy en da a nuestra disposicin en esta materia, como sin duda tampoco lo que el diseador de pozos tendr a su alca nce en el futuro. Agradecemos remitir cualquier sugerencia sobre cambios que se puedan ef ectuar al manual a: Comit de Racionalizacin de Revestidores INTEVEP S.A. Sede Central, Sector El Tambor Los Teques, Edo. Miranda Apdo 76343 Caracas 1070A Venezuela At.: Ing. Walter Rodrguez EPPRWR1 Telfono: 58-2-908-7862 Fax: 58-2-908-6487 Todos los diseos de revestidores y tubera de produccin debern estar de conformidad con el presente manual de diseo. No obstante, el supervisor del inge niero de diseo podr autorizar excepciones a lo dispuesto en el manual. Al hacerlo, el supe rvisor asumir la responsabilidad del diseo. Si el supervisor del ingeniero de diseo tuviere reservas para asumir la responsabilidad del diseo, entonces se le solic itar a su gerente aprobar cualquier excepcin. A partir de este momento, la responsabilid ad del diseo recaer en el gerente. 3 2. DEFINICION Y FUNCIONES DE LA TUBERIA DE REVESTIMIENTO Y PRODUCCION En general, se puede definir como tubera de revestimiento a la que se utiliza par a recubrir las paredes del pozo, con el propsito principal de proteger las paredes del mismo. Usualmente est constituida por secciones de diferentes dimetros, espesores y mate riales, dependiendo de las condiciones de profundidad, presin, temperatura, etc. reinantes en cada zona. Por otra parte, la tubera de produccin ser aquella por donde circular el crudoen su camino a la superficie. En la Fig. 2.1 se presentan esquemticamente los diferentes tipos de tu bera de revestimiento as como la de produccin. Su p e r f i c i a l In t er m e d io Con d u ct or Tu b e r a d e p r o d u cci n Ti eb a ck d e p r o d u cci n Ca m is a d e p r o d u cci n Fig. 2.1. Representacin esquemtica de una sarta de revestimiento donde se muestran algunos de sus componentes. 4 Hay tres sealamientos generales que se pueden aplica a a cualquier elemento de la sarta, dependiendo de ciertas caractersticas. El primero es el calif icativo de produccin. Un elemento es llamado de produccin (revestidor intermedio vs. revestidor de produccin) cuando existe la posibilidad de contacto con e l fluido de produccin. El segundo es camisa, se denomina as a un revestidor que no llega a la superficie, sino que es colgado del revestidor anterior. El tercero ca lificativo es de tieback, el cual designa un revestidor que empalma en uno inferior y sube a la sup erficie (lo contrario de la camisa). En un diseo de pozo cada sarta de tubera cumple una funcin vital en l as fases de perforacin y produccin del pozo. En la prxima seccin se presenta una breve descripcin del papel de cada sarta de la tubera de revestimiento y las cargas que deben resistir. 2.1 DESIGNACION Y FUNCIONES DE LAS SARTAS DE TUBERIA 2.1.1 Conductor Para los fines del presente manual, puede incluir tambin la primera tu bera de revestimiento. Reduce al mnimo la prdida de circulacin a poca profundidad Conducto por donde el lodo regresa a la superficie al comienzo de la perforacin Minimiza la erosin de sedimentos superficiales debajo del taladro Protege de la erosin las tuberas de revestimiento subsiguientes Sirve de soporte para el sistema desviador en caso de afluencia inesperada a po ca profundidad. 2.1.2 Tubera de superficie Soporta y protege de la corrosin cualquier tramo de tubera de revestim iento subsiguiente Previene los derrumbes de los sedimentos no consolidados, ms debilitados, que se hallan prximos a la superficie Protege de la contaminacin las arenas someras que contienen agua dulce5 Proporciona resistencia a las arremetidas para poder perforar a mayor profundid ad Sirve de apoyo primario para los impiderreventones 2.1.3 Tubera intermedia, camisas de perforacin y tiebacks de perforacin Permite cargar grandes pesos de lodo sin amenazar las formaciones someras Controla las zonas de sal, y las lutitas desmoronables de fcil desprendimiento 2.1.4 Revestidor de produccin, camisa de produccin y tieback de produccin Protege el ambiente en caso de una falla de tubera Permite cambiar o reparar la tubera de produccin Asla la zona productora de las dems formaciones Crea un conducto de paso de dimensiones conocidas 2.1.5 Tubera de produccin Constituye el conducto por donde fluye el fluido en la fase de produccin Sirve para controlar la presin del yacimiento Permite estimular el yacimiento 2.2 PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEO Para disear la sarta de revestidores de un pozo hay que conocer una serie de dato s del mismo, como las presiones de poro y de fractura hasta la profundidad final d el mismo, la distribucin de temperaturas, las funciones del mismo, actuales y fut uras es decir, si posteriormente se utilizar mtodos artificiales de levantamiento, etc. Muchas veces es posible conocer esta informacin a partir de pozos vecinos, en otros ca sos se depende de los que los gelogos puedan indicar acerca del lugar, basados en los datos de la ss mica. Una vez en posesin de estos datos, se proceder a la seleccin de las profundidades de asentamiento, las que como se ver en el Captulo 6, de penden bsicamente de la distribucin de presiones. Seguidamente se seleccionan lo s dimetros 6 ms apropiados de las diferentes secciones de la sarta, lo cual depende principalm ente del caudal de petrleo que se piensa extraer. Finalmente se procede al diseo propiamente dicho de la sarta, es decir, la seleccin de los materiales y espesore s requeridos para obtener, como se dijo anteriormente, una sarta segura a un costo razonable. Los principales parmetros que influyen en esta etapa son las presiones y temperaturas que reinan en cada seccin. Para las secciones que estarn en contacto con el crudo, es importante con siderar las caractersticas de ste, bsicamente por la posibilidad de corrosin. 7 3. METODOS DE DISEO CONVENCIONALES Y PARA VIDA DE SERVICIO A continuacin se presenta las diferencias entre el mtodo de diseo convencional y el denominado de vida de servicio.Cuando se disea una sarta de tubera de produccin o de tubera de revestimiento, ambos mtodos tienen como propsito lograr factores de diseo adecuados para las carga s de estallido, colapso y tensin. Estas cargas se generan a partir del peso suspendido de la sarta, las presiones superficiales internas y externas y las densidades de los f luidos. Ahora bien, en el mtodo convencional estas cargas se consideran por separado. Por lo general, no se toman en cuenta la cementacin, el pandeo, los cambios de temperatura, los esfuerzos de flexin, ni las variaciones en el rea transversal. Es te mtodo convencional a menudo se traduce en un diseo demasiado conservador de sartas some ras y, lo que reviste an mayor importancia, en un diseo inadecuado para sa rtas profundas. El mtodo de la vida de servicio considera que el estado base de esfu erzo es aquel donde el revestidor se encuentra cementado. Una vez que el ceme nto ha fraguado, todo cambio posterior que registren las condiciones del pozo generarn fuerzas y e sfuerzos adicionales en la tubera de revestimiento. Estas fuerzas se suman a la s condiciones base para constituir la carga de servicio. Es posible aplicar mltiples carga s de servicio para describir la vida de servicio de una sarta de revestimiento. Las tcnicas convencionales de diseo son sencillas por naturaleza y puede n resolverse fcilmente mediante clculos a mano. Por el contrario, los clcul os relativos al mtodo de vida de servicio son bastante complicados, por lo que requier en el uso de una computadora en aras de la eficiencia. 8 En esta seccin se detallar el mtodo de clculo convencional, mientras se discute superficialmente el mtodo de la vida de servicio. 3.1 ESTALLIDO El valor nominal de resistencia a la presin interna, a menudo denominado, valor nominal de estallido, caracteriza las limitaciones de una tubera en cond iciones de carga de presin interna. El factor fundamental que afecta la capacidad de resistencia a la presin interna del tubular es la resistencia a la fluencia del cuerpo de la tubera. La presin de cedencia interna se calcula a partir de la frmula 3.1.1 de API 5C3 para cuerpos d e tuberas y la frmula 3.1.2 para acoplamientos API. El valor inferior se transforma r en la presin de cedencia interna de la sarta. La Fig. 3.1 muestra las cargas consideradas en el estallido que son utilizadas e n las prcticas de diseo convencionales. Las densidades de los fluidos y las p resiones superficiales se combinan para determinar la mayor presin diferencial para e stallido, que suele monitorearse solamente en el tope o en el fondo de la sarta. Luego, la pr esin internamnima de cedencia del cuerpo de la tubera o de la conexin se divide entre la presin de estallido mayor para determinar el factor de diseo mnimo. P externa P interna e i P ofundidad Fig. 3.1. Consideraciones de presin interna y externa en el diseo convencional a estallido. 9 El modelo para vida de servicio, sin embargo, incluye el efecto de la carga axia l en la resistencia del revestidor a la presin interna. Esto puede ser suma mente importante, aunque los diseos convencionales suelen ignorarlo. La tensin axial increm enta la capacidad de estallido del tubular. No obstante, la compresin axial deteriora sev eramente la capacidad de estallido de la tubera. Este deterioro puede producirse cuando se asienta una sarta larga en lodo liviano y posteriormente se hace pasar por e lla un fluido de alta densidad. De esta forma, podra generarse un factor de diseo de estallido deficient e si no se toman en consideracin los efectos de la compresin. 3.2 COLAPSO El diseo convencional de colapso considera una evacuacin de fluido (vaco) hasta una profundidad especfica en el interior de la sarta. La presin externa est determinada por el peso del lodo donde se corre la sarta. Fig. 3.2 muestra este tipo de carga. Generalmente, se toma en consideracin el efecto de la tensin en la red uccin de la resistencia al colapso del revestidor. Las ecuaciones API para colapso se en cuentran en la Seccin 1 del Boletn 5C3 y se describen en la seccin sobre propiedades de los materi ales del presente manual. Profundidad P externa P interna e i Fig. 3.2. Consideraciones de presin interna y externa en el diseo convencional a colapso. 10 El modelo para vida de servicio tambin toma en cuenta la relacin existente entre tensin y colapso. Como las cargas de servicio incluyen las variaciones de temperatura respecto del caso base, la tensin producida por la expansin trmica de los tubulares estar incluida obviamente en la determinacin de los factores de diseo mnimos de colapso.El diseo convencional normalmente no considera este efecto de la temperatura. 3.3 TENSION Cuando se disea una sarta para que opere en condiciones de tensin, los mtodos convencionales parten de una premisa en virtud de la cual la tubera est suspendida en un fluido uniforme. Por consiguiente, los nicos factores que determinan la carga de tensin en el revestidor son el peso suspendido y la fuerza de flotabilidad aplicada al fondo de la sarta. El modelo para vida de servicio considera otros factores que inciden en la canti dad de tensin existente en la sarta, a saber: variaciones de temperatura efecto de Poisson flotabilidadEl caso base se define como en estado en el que se encuentra la sa rta cuando el cemento fragua. Toda variacin de temperatura que se produzca a partir del estado cementado dar lugar a una variacin de la longitud ocasionada por la ex pansin trmica del material. Dado que la tubera est fija en su parte superior e in ferior, la expansin trmica producir una fuerza adicional que se aplicar al tubular. La fuerz a ser de compresin (negativa) si la temperatura aumenta y de tensin (positiva) si la tempe ratura disminuye. 11 3.4 FACTORES DE DISEO VS. FACTORES DE SEGURIDAD Todos los modos de carga bsicos pueden reducirse a parmetros mediante l os cuales puede evaluarse la aptitud de un diseo de sarta. Estos parmetros pueden exp resarse en el siguiente formato: aplicada Carga Material del terica a Resistenci Diseo de Factor = Los cinco factores de diseo segn los cuales se evala una sarta son: interna presin de l Diferencia fluencia de interna Presin DF estallido = ( 3-1) e equivalent colapso de Presin tubera la de colapso al a Resistenci DF colapso = ( 3-2) Tensin a Mxima Cargajunta la de tensin a a Resistenci = tensin DF ( 3-3) Compresin a Mxima Carga junta la de Compresin a a Resistenci DF (1) compresin = ( 3-4) VME e Equivalent Esfuerzo API Fluencia a a Resistenci DF (2) VME = ( 3-5) (1) O la resistencia a la fluencia del cuerpo de la tubera, el que sea menor. (2) O el esfuerzo umbral Nace, para servicio agrio. 12 Los valores de Factor de diseo aceptados por PDVSA como mnimos para el diseo de revestidores y tubera de produccin se muestran en la TABLA 3-1. TABLA 3-1. Valores mnimos de los Factores de Diseo, segn PDVSA, para revestidores y tubera de produccin. Colapso Cedencia Interna Tensin Compresin VME Conductor 1,0 -- -- -- -Superficie 1,0 1,1 1,6 1,3 1,25 Proteccin 1,0 1,1 1,6 1,3 1,25 Produccin 1,1 1,1 1,6 1,3 1,25 Tubera de Produccin 1,1 1,1 1,6 1,3 1,25 Los factores de seguridad se emplean para expresar cun prxima a producir una falla se encuentra la carga aplicada. Dichos factores no puede determi narse con precisin sino hasta que se produce una falla. En realidad, el factor de segur idad puede expresarse como: Factor deseguridad sistencia real del Material C a real aplicada = Re arg 133.5 RESUMEN DE MTODOS DE DISEO CONVENCIONAL VS. VIDA DE SERVICIO TABLA 3-2. Diseo Convencional vs. Vida de Servicio. DISEO CONVENCIONAL MODELO PARA VIDA DE SERVICIOGENERAL: Estallido, Colapso y Tensin Conservador para pozos someros Insuficiente para pozos profundos Posibilidad de clculos manuales. + cementacin, pandeo, T, flexin, cambios de seccin diseo ptimo Clculos con computadora para lograr mayor eficiencia.ESTALLIDO: Determinar la presin diferencial mayor para estallido Incluye el efecto de la carga axial en la resistencia a la presin interna Nota: TELCAP La tensin axial incrementa la capacidad de estallido de la tubera y la compresin axial la deteriora (severamente) COLAPSO: P i - Vaciado parcial o total P e - peso de corrida de lodo que baja por la sarta Generalmente, se toma en cuenta el efecto de la tensin en la reduccin del colapso. + tensin por temperatura TENSION: Peso suspendido en fluido Factores de flotabilidad + efecto de la temperatura + abombamiento por presin + flotabilidad completa1415 4. ASPECTOS DE MATERIALES Para efectos de diseo y en cierta medida para clasificar las tuberas, los tubulare s que se utilizan como revestidor y tubera de produccin, se identifican s egn cuatro (4)parmetros: Dimetro Peso Grado Acabado Final ( Tipo de Rosca ) Ej. 9-5/8 x 47 # x P-110 x BTC Los diferentes dimetros, peso, grados y tipo de rosca, normalizados por el Instituto Americano del Petrleo ( API ), para revestidores y tubera de produccin, se encuentran en el apndice A ( Tablas A.1 - A.3 ) de la especificacin API 5CT. El us uario debera utilizar en lo posible, una tubera estndar, puesto que una no normalizada puede implicar mayores costos y/o retrasos en la fabricacin, ya que para pod erlas fabricar probablemente se requieran, equipos de laminacin ms sofisticados. Estos cuatro (4) parmetros son importantes para conocer las propiedades del tubular ( comportamiento ) y para establecer el diseo, ej. El numerador en la e cuacin de factor de diseo. Para disear inteligentemente sartas de tubera OCGT, resulta esencial tene r conocimientos bsicos de mecnica de tuberas, conocer las propiedades y/o comportamiento de los tubulares, y las condiciones de servicio a las que estar ex puesta la tubera. 16 4.1 DESIGNACION DE TUBERIA Partiendo de la designacin de dimetro y peso, se derivan las propiedade s geomtricas y de masa, as como las variaciones permitidas (tolerancias). a. Dimetro externo (D) en pulgadas (pulg.) o milmetros (mm). Tolerancia: -0.5% , +1.0% para dimetros 4 1/2 pulgadas 0.031 pulg. ( 0.79 mm) para dimetros 4 pulgadas b. Para un dimetro en particular, la designacin de peso determina el espesor de la pared del cuerpo de la tubera (t) en pulg o mm. Tolerancia : -12.5% + 0 c. La relacin dimetro/peso determina el dimetro de paso ( mandril ) del cuerpo de la tubera y de las conexiones roscadas y acopladas (T&C), e n pulg. (o mm). Tolerancia: El mandril tiene una porcin cilndrica de dimetro ylongitud mnima especificado en pulg. (o mm). d. La designacin dimetro/peso define el dimetro interno del cuerpo de la tubera (d), pulg. (o mm). Tolerancia: No hay tolerancias para el dimetro interno del cuerpo de l a tubera (d); viene regido por las tolerancias de dimetro externo (D) y el peso (lbs/pie, kg/m). e. La designacin dimetro/peso determina la masa, ej. El peso unitario d e la tubera con extremo plano ( w pe ) en lb./pie o kg/m. El peso calculado de una junta de revestidor o tubera de produccin ( W L ) se determina a partir de la densidad lineal del extremo plano ( w pe ) el aumento o prdida de peso debido al acabado final ( e w ) y la longitud de tubera (L) incluyendo acabado final, se puede estimar de la siguiente manera: W L = (w pe x L) + e w El peso unitario del producto pozo, es: 17 W w pe x L e w L = ( ) + Tolerancia: Longitudes nicas - +6.5%, -3.5%; y lotes de carga (40,000 lbs, 18,144 kg mnimo), -1.75%, ninguna + tolerancia. La designacin de peso es una aproximacin de la masa de la tubera en lb/pie (x1.4895 para kg/m) para diseos normales de tubera con cargas normales, y factores de diseo normales. Los pesos calculados se basan en la densidad caracterstica de los acer os al carbono (CS-Carbon Steel) y aceros al carbono de baja aleacin (LACS-Low Alloy Car bon Steel). Para aleaciones resistentes a la corrosin (CRA-Corrosion Resistan t Alloys) deben utilizarse factores de correccin de peso. Puede usarse un factor de correccin de 0.989 para los aceros cromados martensticos L80 Tipo 9Cr y L80 Tipo 13Cr. completo, tal como se colocara en un4.2 GRADO El grado del acero establece las propiedades mecnicas y la resistencia a la corrosin del producto. Existen grados que presentan ciertas restricciones en el p roceso de fabricacin y tratamiento trmico. La Tabla 1 de la especificacin API 5CT (TABLA 4-1) , muestra los diferentes grupos de tubera, grados, tipo de material, proceso de fab ricacin, y tratamiento trmico requerido.18 TABLA 4-1. Proceso de Fabricacin y Tratamiento Trmico. Revenido Temp., Mn. Proceso de Tratamiento Grado Tipo Fabricacin Trmico F Grupo 1 H40 ----- Sin o Con Costura Ninguno ----J55 ----- Sin o Con Costura Ninguno ----Nota 1 K55 ----- Sin o Con Costura Ninguno ----Nota 1 N80 Sin o Con Costura Nota 1 ----Grupo 2 L80 1 Sin o Con Costura Templado y Revenido 1050 L80 9 Cr Sin Costura Templado y Revenido* 1100 L80 13 Cr Sin Costura Templado y Revenido* 1100 C90 1 Sin Costura Templado y Revenido 1150 C90 2 Sin Costura Templado y Revenido 1150 C95 ----- Sin o Con Costura Templado y Revenido 1000 T95 1 Sin Costura Templado y Revenido 1200 T95 2 Sin Costura Templado y Revenido 1200 Grupo 3 P110 ----- Sin o Con Costura Templado y Revenido ----Grupo 4 Q125 1 Sin o Con Costura Templado y Revenido ----Q125 2 Sin o Con Costura Templado y Revenido ----Q125 3 Sin o Con Costura Templado y Revenido ----Q125 4 Sin o Con Costura Templado y Revenido ----Nota 1: Normalizado en su longitud completa, Normalizado y Revenido, o Templado y Revenido, segn que sea una disposicin del fabricante o si se especifica en la orden de compra. * Tipos 9 Cr. y 13 Cr. pueden ser Templados con aire. Los requerimientos especiales para los revestidores con costura P110 y Q125 estn especificados en la Norma SR11. Los requerimientos qumicos y mecnicos exigidos a los tubulares normalizad os por la API, se muestran en la TABLA 4-2 y en la TABLA 4-3, respectivamente.19 TABLA 4-2. Requerimientos Qumicos 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Grupo 1. 2. 3. 4. 5. Grado Tipo Carbn Manganeso Molibdeno Cromo Nquel Cobre Fsforo Azufre Silicio min. mx. min. mx. min. mx. min. mx. mx. mx. mx. mx. mx. 1 H40 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,0 3 ----J55 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 ----K55 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 ----N80 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 ----2 L80 1 ----- 0,43 1 ----- 1,90 ----- ----- ----- ----- 0,25 0,35 0,03 0,03 0,45 L80 9Cr ----- 0,15 0,30 0,60 0,90 1,10 8,00 10,00 0,50 0,25 0,02 0,01 1,00 L80 13Cr 0,15 0,22 0,25 1,00 ----- ----- 12,00 14,00 0,50 0,25 0,02 0,01 1,00 C90 1 ----- 0,35 ----- 1,00 0,25 2 0,75 ----- 1,20 0,99 ----- 0,02 0,01 ----C90 2 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,03 0,01 ----C95 ----- ----- 0,45 3 ----- 1,90 ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 0,03 0,45 T95 1 ----- 0,35 ----- 1,20 0,25 4 0,85 0,40 1,50 0,99 ----- 0,02 0,01 ----T95 2 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- ----- ----- 0,99 ----- 0,03 0,01 ----3 P110 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 0,03 5 0,03 5 ----4 Q125 1 ----- 0,35 ----- 1,00 ----- 0,75 ----- 1,20 0,99 ----- 0,02 0,01 ----Q125 2 ----- 0,35 ----- 1,00 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,02 0,02 ----Q125 3 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,03 0,01 ----Q125 4 ----- 0,50 ----- 1,90 ----- N.L. ----- N.L. 0,99 ----- 0,03 0,02 ----El contenido de Carbn para L80 se puede incrementar hasta 0,50% mx. si el product o es templado en aceite. El contenido de Molibdeno para C90, Tipo 1 no tiene tolerancia mnima si el espeso r de pared es menor que 0,700 pulg. El contenido de Carbn para C95 se puede incrementar hasta 0,55% mx. si el product o es templado en aceite. El contenido de Molibdeno para T95, Tipo 1 se puede disminuir hasta 0,15% mnimo s i el espesor de pared es menor que 0,700 pulg. El contenido de Fsforo es 0,020% mx. y el contenido de Azufre es 0,010 % para rev estidores P110 con costura. N.L.= No hay lmite. Los elementos mostrados deben estar reportados en el anlisis d el producto. TABLA 4-3. Requerimientos de Tensin y Dureza 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Resistencia a la Cedencia Resistencia Espesor Variacin de Grupo Grado Tipo Mn. Mx. Tensil Mn. Dureza Mxima* de Pared Dureza Permisible (PSI) (PSI) (PSI) (HRC) (BHN) (Pulg.) (HRC) 1 H40 40.000 80.000 60.000 J55 55.000 80.000 75.000K55 55.000 80.000 95.000 N80 80.000 110.000 100.000 2 L80 1 80.000 95.000 95.000 23 241 L80 9 Cr 80.000 95.000 95.000 23 241 L80 13 Cr 80.000 95.000 95.000 23 241 C90 1,2 90.000 105.000 100.000 25,4 255 0,500 o menos 3,0 C90 1,2 90.000 105.000 100.000 25,4 255 0,501 a 0,749 4,0 C90 1,2 90.000 105.000 100.000 25,4 255 0,750 a 0,999 5,0 C90 1,2 90.000 105.000 100.000 25,4 255 1,000 o ms 6,0 C95 95.000 110.000 105.000 T95 1,2 95.000 110.000 105.000 25,4 255 0,500 o menos 3,0 T95 1,2 95.000 110.000 105.000 25,4 255 0,501 a 0,749 4,0 T95 1,2 95.000 110.000 105.000 25,4 255 0,750 a 0,999 5,0 3 P110 110.000 140.000 125.000 4 Q125 1-4 125.000 150.000 135.000 0,500 o menos 3,0 Q125 1-4 125.000 150.000 135.000 0,501 a 0,749 4,0 Q125 1-4 125.000 150.000 135.000 0,750 o ms 5,0 * En caso de discordancias, el mtodo de Ensayo de Dureza Rockwell se debe utiliz ar como referencia. 20 Dureza Mxima - En aceros al carbono, aceros de baja aleacin y aceros inoxidables martensticos , existe una correlacin directa entre la dureza y la resi stencia al agrietamiento por sulfuro (SSC). En la Especificacin API 5CT, slo los Grados L-80, C90 y T-95 tienen un requerimiento mximo de dureza. No obstante, las especificaciones corporativas PDVSA ( PDVSA-EM-1800/01; EM-1800/05; EM-1800/07 ), establecen los siguientes requerimientos mximos ( prome dio ) de dureza: L-80= 22 HRC C-90=90SS= 24 HRC T-95= 25 HRC C-100SS= 26 HRC C-110SS=28 HRC En dichas especificaciones tambin se exige cierta variacin mxima de durez a, dependiendo del grado y espesor de pared de la tubera. Una variacin si gnificativa de dureza, puede afectar seriamente las propiedades mecnicas del tubular. P or ejemplo, una variacin en la dureza a travs del espesor de pared de 4 HRC, puede p roducir una variacin en la resistencia a la traccin de 12000 psi y probablemente t ambin en la resistencia a la fluencia del material. Como consecuencia de lo anterior, la va riacin de las propiedades mecnicas ( Resistencia a la Fluencia ), reducen la resistencia al col apso de la tubera ( cuerpo y conexin ). De manera similar, una variacin de 4 HRC, puede constituir la diferenc ia entre una adecuada o pobre resistencia al SSC, en servicio agrio. Los Requerimientos Mnimos de Energa Absorbida ( Ensayo Charpy ), a temperatura ambiente, exigidos por PDVSA son los siguientes:21 Tubera y Acoples Grado H-40: Ningn tipo de requerimiento, se sugiere utilizar acoples de grado J-55 en tubera H-40. Grado J-55 y K-55 Longitudinal - mnimo 20 pies-lb (27 J) Transversal - mnimo 15 pies-lb (20 J) Grado N-80, L-80, C-90, C-95, T-95, P-110 y Q-125 Longitudinal N-80= 55 J P-100= 80 J L-80= C-90= 90SS= C-95=T-95= 160 J C-100SS= 150 J C-110SS= 130 J Q-125=80 J Transversal N-80= 40 J P-100= 60 J L-80= C-90= 90SS= C-95=T-95= 120 J C-100SS= 115 J C-110SS= 100 J Q-125=60 J Para mayor informacin, se sugiere consultar las siguientes especificacion es tcnicas corporativas: PDVSA-EM-1800/01; EM-1800/05; EM-1800/07 Adicionalmente, las especificaciones PDVSA a fin de garantizar una microestructura uniforme y propiedades mecnicas homogneas en el tubular, exigen ciertos requerimientos de templabilidad ( mayor del 90% ) y tamao de grano austentico (ASTM 7 o ms fino ). Resulta imperativo que los diseadores de revestidores y tubera de prod uccin se aseguren de que los materiales de servicio crtico proporcionen al m enos la misma fraccin de margen de seguridad (F SM = SF x - DF x ) que los pozos convencionales. Es 22 decir, para ciertas aplicaciones se necesitan especificaciones API mejor adas y/o requerimientos complementarios. Es responsabilidad de los diseadores de t uberas determinar cuando se requieren dichas mejoras. Toda tubera fabricada mediante soladura elctrica (EW, ERW) deben cumplir con los requerimientos establecidos en la especificacin API 5L y PDVSA EM-18 -00/10. Noes conveniente fabricar acoples, a partir de tuberas EW. La prueba de aplastamiento API no es lo suficientemente discriminatoria para evaluar si una tubera EW es apropia da o no. La tubera EW requiere procesos especficos, un alto grado de control d e proceso y un preciso examen no destructivo. Resistencia al Agrietamiento por Sulfuro (SSC) - La resistencia al SSC del material ser afectada por los siguientes parmetros: Composicin qumica, resistencia, tratamiento trmico y microestructura del material. Concentracin de iones Hidrgeno (pH) del medio. Concentracin de sulfuro de hidrogeno y presin total Esfuerzo aplicado Temperatura Tiempo La resistencia al SSC del material de la tubera se puede cuantificar a travs de cuatro (4) mtodos de prueba normalizados por la NACE (National Associat ion of Corrosion Engineers ) NACE Mtodos A, B, C y D Los mtodos de prueba A, C, y D pueden suministrar valores numricos q ue pueden utilizarse directamente en los clculos para el diseo de la sarta. La Especificacin API 5CT no requiere prueba de SSC para los grados de baja resistencia, normalmente considerados apropiados para servicio agrio, ej. H-40, J-55, K-55, y L-80. Para los grados de servicio agrio C-90 y T-95, el fabrican te debe demostrar un 23 esfuerzo umbral NACE mnimo absoluto de 90% de la resistencia a la flu encia mnima especificada. Es responsabilidad del usuario determinar el nivel de resistencia al SSC que requiere la aplicacin. S el lector desea profundizar un poco ms sob re los requerimientos mnimos de resistencia al H 2 S, se sugiere consultar la especificacin: PDVSA-EM-1800/01. 4.3 LONGITUDES La longitud individual de las tuberas no afecta directamente las propiedades, per o el acabado final, puede afectar el peso total de la sarta y, por en de, el factor de diseo de tensin, DFt. La longitud de las tuberas debe especificarse en la orden de compra , como designacin de Rango. La longitud y tolerancias de Rango aparecen en la Tabla 26 de Especificacin API 5CT (1995). Rango 1 (R1) bsicamente 20 pies (6,10 m) de longitud; Rango 2 (R2) bsicamente 30 pies (9,14 m) de longitud; Rango 3 (R3) bsicamente 40 pies (12,19 m)de longitud.El Rango de tolerancia en longitud de API, es muy amplia; por ejempl o, el revestidor R3 puede variar 14 pies (4,27 m) de una longitud mnima de 34 pies (10, 36 m) a una longitud mxima de 48 pies (14,63 m). De igual modo, debido a los diversos pro cesos de fabricacin, las longitudes de las tuberas pueden variar considerableme nte de una fbrica a otra, para el mismo producto. En la fbrica y en el patio de tuberas, las longitudes de tubera se miden desde el extremo del acople (caja-hembra de la conexin ), hasta el extremo del pin. Es responsabilidad del diseador de sarta determinar si se requieren o no consideraciones de longitud especiales para una aplicacin en particular . Igualmente, el 24 diseador de sarta debe comunicar al personal de campo, los procedimient os adecuados para la evaluacin -inspeccin de las conexiones; de manera similar, cuando los fabr icantes envian por separado los acople, el diseador debe girar instrucciones de como insp eccionar los acoples y como efectuar los aprietes. 25 5. LAS CONEXIONES DE LOS TUBULARES La conexin o junta es el dispositivo mecnico que se utiliza para unir tramos de tubera, equipos de fondo y/o accesorios para formar una sarta de tubera de caracte rsticas geomtricas y funcionales especficas. Ahora bien, por qu reviste tanta importancia este tema?, las principales razones son: Ms del 90% de las fallas que sufren las sartas de tubera se originan en las conexiones. Las conexiones representan entre 10% y el 50% de costo total del tu bular (la cifra era muy superior en el pasado). En general, las conexiones son clasificadas en dos grandes grupos en funcin de la geometra: Conexiones API - Son las juntas que se rigen por especificaciones del dominio pblico STD 5B 1 y SPEC 5CT 2 de API. Las especificaciones STD 5B de API slo cubren las roscas, es decir, los filos que se observan en los extremos de la tubera. Sin embargo, una conexin tambin comprende el material que la constituye y factores geomtricos que no se relacionan con las roscas. Por ejemplo, el dimetro externo del acoplamiento y la longitud del acoplamiento, no se especifican en STD 5B, sino en la SPEC 5CT de API. Conexiones Patentadas - Son juntas para productos tubulares sobre la s cuales existen derechos de propiedad y que poseen especificacionesconfidenciales, generalmente asociadas a patentes y/o secretos industrial es, es decir, informacin confidencial. 1 Especificacin API STD 5B. Specification for Threading, Gaging, and Thre ad Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads (en castellano, Especificaciones para roscad o, calibracin e inspeccin de roscas en roscas de revestidores, tuberas de produccin y lneas). Thirteenth Edition, mayo 31, 1988. 2 Especificacin API 5CT. Specification for Casing and Tubing (U.S. Custom ary Units) (en castellano Especificaciones para revestidores y tuberas de produccin - Unidades de Estados Uni dos). Fifth Edition, abril 1, 1995. 26 A menudo, las conexiones patentadas suelen denominarse equivocadamente conexiones premium. Muchas de ellas slo tienen de premium el precio y, desafortunadamente con demasiada frecuencia, su desempeo es inferior al de las conexiones API. Las conexiones Extreme-Line y Buttress fueron en un tiempo conexiones patentadas, hasta que pasaron a ser del dominio pblico, es decir, API. Contrariamente a las falsas creencias prevalecientes, s es posible logra r un desempeo premium con conexiones API. Sin embargo, toda opcin en particular que est cubierta por las Especificaciones 5CT y STD 5B de API deber indica rse en el momento de la compra y puesta en prctica, obviamente, en el momento de la fabrica cin, a fin de lograr dicho desempeo premium. El desempeo premium puede definirse como: lograr el objetivo de diseo y el nivel de confiabilidad que requiere la aplicacin, de manera que el pozo pueda cum plir sus funciones sin necesidad de tomar medidas correctivas como resultado de la deficiencia o falla de un producto (conexin), incluso en casos de una leve sobrecarg a ocasional imprevista. Hay varias caractersticas genricas que permiten clasificar las juntas en diferente s categoras. La primera es si la junta es acoplada o integral, es decir, si la caja (hembra) se construye de un tubo aparte o es parte de la misma tubera, tal como se muestra en la Fig. 5.1 La junta integral tiene una ventaja evidente con respecto a la acopla da en el sentido de que hay una sola rosca por junta, mientras que en la aco plada hay dos. Sin embargo, para la junta integral hay que hacer un recalcado (ensanchamiento del t ubo) para darle espacio a la rosca, lo que conlleva un trabajo adicional. 27Junta acoplada Junta integral Fig. 5.1. Junta acoplada vs. Junta integral Otra caracterstica importante en las juntas es el sobre-dimetro externo o interno que representa la junta. El fabricante puede escoger entre cuatro alternativas: Que el dimetro externo sea mayor que el de la tubera y el interno s ea constante en la junta (como las juntas de la Fig. 5.1), Que el dimetro externo sea constante y el interno sea menor que el de la tubera. Este tipo de junta es llamada flush, especficamente external flush. Que ambos dimetros cambien Que ningn dimetro cambie Evidentemente este caso tiene un costo, en cuanto a resistencia de la junta pues al tener que cortar las roscas en el espesor del tubo, se disminuye fuertemente la resistencia de ste. Una tercera caracterstica importante es la presencia o no de un sello metal-metal , es decir, un lugar de la junta, generalmente plano, en la cual las dos piezas son apretadas una contra la otra con una cierta presin, para impedir el paso de fluidos. 5.1 CONEXIONES API Las roscas y conexiones API para revestidores y tuberas de produccin pu eden clasificarse de acuerdo a la forma de la rosca, con variaciones que obedecen al dimetro de la tubera, el espesor de las paredes, el grado y la longitud bsica de la rosca. 28 (a) (b) (c) Fig. 5.2. Perfiles de rosca API: (a) Rosca Redonda, (b) Rosca Extreme-Line, (c) Buttress Las conexiones API presentan tres tipos de principales de roscas mostrados en la Fig. 5.2: 1.- Rosca Redonda: Son roscas cortadas con un ngulo de inclinacin de 60 0 con crestas y races redondeadas, presentan un ahusamiento de 3/4 pulg. por pie, sobre el dimetro para todos los tamaos. Debido a que las roscas son construidas en una forma ahus ada, el esfuerzo aumenta rpidamente a medida que se va enroscando la conexin. Las roscas pueden ser espaciadas para dar ocho roscas por pulgada (8R ) o diez roscas por pulgada(10R). Cuando se realiza la conexin, quedan pequeos es pacios entre las races y las crestas de cada rosca. Se debe utilizar una grasa es pecial que contiene metales en forma de polvo, para reducir las fuerzas de friccin y para proporciona r material que ayude a taponar cualquier espacio vaco y obtener un sello. Esta c onexin no est diseada para efectuar un sello de alta presin confiable y seguro cuando se manejan gases,o lquidos libres de slidos y de baja viscosidad. Este tipo de rosca se presenta en las conexiones API que se enumeran a continuacin: 29 IJ. ( INTEGRAL JOINT ): Conexin de junta integral de rosca redond a para tuberas de produccin, en la cual el dimetro interno y externo de la tubera varan un poco, para realizar el maquinado de la rosca. NUE. ( NON-UPSET TUBING THREAD): Conexin acoplada sin upset (recalque o ensanchamiento ) exterior para tuberas de produccin, en ella el dimetro exterior y el dimetro interior del tubo permanecen constantes. EUE. ( EXTERNAL-UPSET TUBING THREAD). Conexin acoplada con upset exterior para tuberas de produccin, en ella el dimetro exterior de la tubera aumenta y el dimetro interior del tubo permanece constante. STC. (SHORT THREAD CONNECTOR): Conexin acoplada para revestidores con acople corto. LTC. ( LONG THREAD CONNECTOR): Conexin acoplada para revestidores con acople largo. Las conexiones STC y LTC , tienen el mismo diseo bsico de junta y rosca. La nica diferencia es que la longitud de la rosca y el acople son mas largos en la LTC, por lo cual proporciona una mayor resistencia. 2.- Rosca Trapezoidal: Son roscas cuadradas que presentan un mecanismo de sello y un diseo similar a la rosca API redonda, presentan un ahusamiento de 3/4 pulg. por pie sobre el dime tro para revestidores de 4 1/2 a 13 3/8 pulg. de dimetro y un ahusamiento de 1 pulg. por pie sobre el dimetro para revestidores de 16 a 20 pulg. de dimetro. Este tipo de rosca se utiliza en las conexiones denominadas BTC (BUTT RESS THREAD CONNECTOR). La BTC es una conexin acoplada para revestidores. El acople tiene mayor longitud que las conexiones de rosca redonda API, y su f orma cuadrada contribuye a disminuir el deslizamiento de las roscas y proporciona un a alta resistencia a esfuerzos de tensin. Esta conexin es 100% eficiente en la mayora de los casos. 3.- EXTREME - LINE : 30 Son roscas cuadradas, que presentan un ahusamiento de 1 1/2 pulg. por pie sobre el dimetro para revestidos de 5 a 7 5/8 pulg. de dimetro y un ahusamiento de 1 1/4 pulg. por pie sobre el dimetro para revestidos de 8 5/8 a 10 3/4 pulg. de dimetro. Este tipo de rosca es utilizada en los conexiones XL. Est instalada sobre la jun ta de revestimiento de forma integral; pueden soportar cualquier requerimiento de t ensin que soporte la tubera. Difiere de las otras conexiones API para revestidores en que es integral, por lo cual la pared de la tubera debe ser gruesa cerca de los extremos del reves tidor, paraproporcionar el metal necesario para maquinar una conexin ms fuerte. El mecanismo de sellado de este tipo de conexin es un sello metal-metal entre el pin y la caja. Este conector no depende de la grasa para realizar su sello, aun que la grasa simple se usa para lubricacin. La Fig. 5.3 muestran las conexiones API descritas anteriormente y en la TABLA 5-1 se presenta una clasificacin de las formas de roscas y la progresin a conexion es API normalizadas.TABLA 5-1. Formas de roscas y progresin a conexiones API normalizadas 31 ROSCA CONEXIN RASGOS DISTINTIVOS IJ Tubera de Produccin de 1,315 a 2,063 D e . Longitudes de rosca en funcin del dimetro. 10R NUE Tubera de Produccin de 1,050 a 3-1/2 D e . Longitudes de rosca en funcin del dimetro. EUE Tubera de Produccin de 1,050 a 1,900 D e . Longitudes de rosca en funcin del dimetro. NUE Tubera de Produccin de 4 y 4-1/2 D e . Longitudes de rosca en funcin del dimetro. EUE Tubera de Produccin de 2-3/8 a 4-1/2 D e . Longitudes de rosca en funcin del dimetro 8R STC Revestidor de 4-1/2 a 20 D e . Longitudes de rosca en funcin del dimetro y del espesor de las paredes. Apriete en funcin del grado. LTC Revestidor de 4-1/2 a 20 D e . Longitud de rosca en funcin del dimetro. Apriete en funcin del grado BTC Revestidor de 4-1/2 De . Apriete, longitud BTC Revestidor e . Longitud de rosca Trapezoidal BTC e .de rosca. de 5 a 7-5/8 D en funcin del dimetro. Revestidor de 8-5/8 a 13-3/8 DBTC Revestidor de 16 a 20 D e . Forma de rosca, dimetro principal, ahusamiento. XL Revestidor de 5 a 7-5/8 D e . Paso restrictivo en paredes livianas, 6 HPP, 1-1/2 TPFD, configuracin de sello metalmetal. Extreme-Line XL Revestidor de 8-5/8 a 10-3/4 D e . Paso restrictivo en paredes livianas, 5 HPP, 1-1/4 TPFD, configuracin de sello metal a metal 32 STC BTC Fig. 5.3. Conexiones API LTC NEUA continuacin se presentan algunas recomendaciones relacionadas con la utilizacin de las juntas API: No utilice conexiones API para revestidores cuando hay grandes presion es internas, pues son dbiles para este caso de carga. Limite el uso de conexiones STC a sartas cortas (es decir, de paredes livianas) de tubera de 11-3/4 de dimetro o menos. Limite el uso de LTC a tuberas de 9-5/8 de dimetro o menos. Si se requiere resistencia a la fuga de gas seco o fluidos claros (es decir, fluidos que no sea n lodo de perforacin), utilice acoplamientos revestidos con zinc pesado o estao, o en su defecto, use un sellante anaerbico en ambos extremos, pero te nga cuidado con la temperatura y las cargas cclicas axiales. No se recomie nda emplear anillos de sello SR13 debido a las dificultades de instalacin. Limite el uso de conexiones BTC a tuberas de 13-3/8 de dimetro o meno s. Pueden utilizarse sartas cortas de 16 a 20 tubos, siempre y cuando t engan factores de diseo de tensin superiores a 6,0, pero no se justifican en casos de taladro de alto costo diario, debido a que son muy difciles de enrosc ar, as como de verificar que se ha efectuado un apriete adecuado. Si la estanqueidad al gas o lquidos claros es absolutamente necesaria, los acoplamientos debern estar revestidos de estao o zinc pesado y conectados hasta por lo men os la 33 base del tringulo. Los anillos de sello SR13 no constituyen una solucin aceptable para lograr la estanqueidad de las conexiones BTC. Las conexiones X-Line de API, cuando se fabrican de conformidad con las especificaciones API, se desempean con calidad premium. Desafortunadamente, como sus tolerancias son tan precisas, dichas conexiones se venden tambin a precios premium y quienes no desean pagar dicho costo adicional, optan por productos que no cumplen con las Especificaciones API y por ende, podran no funcionar. Actualmente es posible obtener de difere ntes proveedores tuberas con conexiones patentadas que se desempean de manera equivalente a los productos X-Line y con costos inferiores a los de la lnea XLine de API. No obstante, existen an algunas aplicaciones en las cuale s la conexin X-Line de API sigue siendo la opcin ptima, a saber, cuando se tiene un revestidor que se baja por una ventana en otro revestidor. Para tuberas de produccin EUE 8R de 2-3/8, 2-7/8, y 3-1/2: Con las roscas de tolerancia estndar y acoplamientos fosfatados se deb e utilizar: Sellante anaerbico o anillos de sello SR13 en ranuras secas y compuesto para roscas de API (BUL 5A2 de API) Con pines optimados de 1/2 tolerancia y acoplamientos fosfatados de 1 /2 tolerancia, se debe utilizar: Un compuesto patentado altamente sellante que posea un elevado contenido de slidos o est constituido por partculas de gran tamao (superiores a 0,004 pulgadas, 0,10 mm) En el caso de los acoplamientos revestidos de estao o acoplamientos L-80 o de grado superior, puede emplearse un compuesto estndar API para roscas. Utilice las conexiones patentadas en las aplicaciones de servicios crticos. Si e l goteo a travs de la conexin o una falla estructural son tolerables, entonces no se trata de una aplicacin de servicio crtico y no debera requerir el uso de una conexin patentada. 5.2 CONEXIONES PATENTADAS Las conexiones patentadas pueden clasificarse en seis (6) clases genricas: 34 MTC - Conexiones estndar con sello metal-metal, roscadas y acopladas, ta les como VAM, NK-3SB, TC-II. MIJ - Conexiones estndares de sello metal-metal y junta integral, tale s como PH-6, CS, ST-P, ST-C.HW - Conexiones especiales para tuberas de paredes gruesas, generalment e roscadas y acopladas, tales como VAM HW, NK-HW. Es generalmente 100% eficiente bajo carga de presin interna, no as, bajo cargas de presin externa ya que no existe un sello externo metal -metal y la resistencia al colapso es mayor que la presin interna de fluencia mnima, situacin que puede ocurrir en tuberas de pared gruesa. LD - Conexiones especiales para tuberas de gran dimetro. Estas conexio nes pueden ser roscadas y acopladas, tales como la Big Omega o ATS, de tipo soldada con roscas de paso grueso, tales como RL-47, Quick-Thread o Ten Com, etc.; de tipo configuracin de enganche provista de un anillo de cierre, tales como Qick-Stab o Squnch-Joint; o conexiones tipo pistola como Quick-Jay; o para ser desarmadas por expansin y/o contraccin hidrulica; o con configuracin de junta integral sobre tubera de extremo liso, tal como XL-Systems. SLH - Conexiones especiales de alto rendimiento con lnea reducida (Sli m Line), diseadas para lograr un mximo rendimiento en aplicaciones de hoyos de poca tolerancia, es decir, cuando hay muy poco espacio entre la tubera y el siguiente revestidor. Generalmente son de tipo junta integral, tales como NJO, SuPreme LX, etc.; aunque tambin se encuentran disponibles en la versin roscada y acoplada, tal como VAM-SL. El dimetro externo (OD) de la caja de la conexin es generalmente menos del 2% mayor que el dimetro externo nominal de la tubera en los tamaos intermedios (9-5/8 a 13-3/8), menos de 3% en los dimetros 6 5/8 a 8 3/4 y menos del 4% en los tamaos ms pequeos, 4-1/2 a 51/2. IFJ - Juntas Especiales Lisas Integrales, generalmente provistas de cajas li sos y pines ligeramente formados, tales como STL, FL-4S, etc.; o con cajas muy ligeramente formadas tales como SFJ-P. El dimetro externo de la caja de la conexin no suele ser ms grande que el dimetro mximo de la tubera, es decir, un 1% por encima del dimetro externo nominal de la tubera. La TABLA 5-2 muestra las caractersticas que marcan la diferencia entre las conexiones roscadas y acopladas patentadas y en la Fig. 5.4 se presen tan las conexiones integrales patentadas. 35 Las conexiones patentadas no son ms que lo que indica su nombre. Son conexiones que pertenecen a un propietario, en virtud de una patente o derecho de autor (Webster's New World Dictionary). Por ende, el usuario no tiene acceso generalme nte a los datos que definen el diseo del producto. Se admite que las conexiones patentadas no estn cubiertas por las especificaciones API. No obstante, es razonable exigir que el diseo de una conexin patentada cumpla con los requerimientos de Control de Diseo que se est ablecen en el prrafo 3.6 de las Especificaciones Q1 de API, a saber, Especificaciones para los Programas de Calidad. TABLA 5-2. Conexiones roscadas y acopladas patentadas MTC-Conexin estandar. -Roscada y acoplada. -Sello metal-metal. HW -Conexin especializada de la MTC. -Para tuberas de pared gruesa. -Ahusamiento y transparencia geomtrica mayor que la MTC. LD -Variacin de conexin BTC. -Roscada y acoplada. -Para tuberas de gran dimetro. -Muy resistente al salto de la rosca. 36 SLH IFJ Fig. 5.4. Conexiones Integrales Patentadas 5.3 PRESION SELLANTE Los sellos metal-metal (MTM) se activan o energizan presionando las superficies sellantes metlicas entre s. Dentro de los lmites determinados por las propiedades de los materiales, mientras mayor fuerza se aplique al presionar las superficies entre s (fuerza normal), mayor ser la presin que pueda ser resistida o contenida. Todas las conexiones de sello MTM desarrollan cierta cantidad de fuerza norm al si se enroscan adecuadamente durante la instalacin inicial. En algunos casos, dicha fuerza norma l puede ser suficiente para resistir la presin que ha de contener la conexin. En otros diseos, la presin del fluido interno hace aumentar la fuerza normal, lo que a su vez, incrementa la capacidad de sellado. Este aumento puede ser grande o pequeo, dependiendo del dis eo de la junta, tal como se muestra en la Fig. 5.5. All se presenta la presin de sellado como funcin de la presin interna. Igualmente se incluye una lnea de 45 que marca la zona de 37 fuga (cuando la presin interna es mayor que la de sellado) o no-fuga (cuando la p resin de sellado es mayor que la interna). Tambin se muestran las lneas caractersticas de do s tipos de juntas, una que se energiza bien y otra mal. Como puede verse, esta ltima, al aumentar la presin interna, aumenta su capacidad de sellado, pero no lo suficie nte y por lo tanto comienza a fugar. La otra, en cambio, aumenta considerablemente su capacidad de sellado MIJy permanece estable. 38 39 Fig. 5.5. Efecto de la presin interna sobre la energizacin de la junta y su capacidad de soportar dicha presin interna5.3.1 Desempeo y transparencia geomtrica Desde la ptica del diseo de tubulares, lo ideal sera que las conexiones fuesen transparentes para la sarta de tubulares, es decir que tuviesen las mismas propied ades que el tubo en todos los sentidos: igual geometra (dimetros internos y exte rnos) y propiedades de resistencia (resistencias a la flexin, carga axial, etc.). Las conexiones API, como por ejemplo la BTC, no son transparentes ni en geometra (dimetro externo mayor que el del tubo) ni en la resistencia, (mayor resi stencia al colapso, estallido y tensin que la tubera, pero menor resistencia en flexin). Sin embargo, las conexiones roscadas y acopladas de sello meta-metal (MTC) que existen actualmente en el mercado se aproximan a ese estado ideal, salvo en lo que respecta a la flexin, ya que el acoplamiento aumenta la rigidez a la flexin. Por otr a parte, los conectores de junta lisa (flush), pueden proporcionar una geometra trans parente, pero sacrifican significativamente el desempeo. La Fig. 5.6 muestra en el lado izquierdo, una junta transparente en cuanto resistencia, pero de mayor dimetro. Del lado derecho, una junta perfect a en cuanto a geometra, pero de menor resistencia y finalmente, en el medio, una jun ta ideal que es transparente en ambos sentidos. 40 Fig. 5.6. Rendimiento y Geometra produce transparencia 5.3.2 Conservacin del dimetro del hoyo El dimetro del hoyo perforado debe ser mayor que el de la tubera de recubrimiento para que sta pueda pasar por las curvaturas y dems irregu laridades del hoyo, pero adicionalmente, en la caso de la mayora de las tuberas, el hoyo debe se r capaz de dejar pasar el acoplamiento. Este aumento adicional de dimetro del hoyo no solo representa aproximadamente un 25% del volumen, sino que es desperdiciad o en un 97% debido a que el acoplamiento solo est cada cierto tramo de tubera. Dado que los costos directos de perforacin son proporcionales al tamao del hoyo (Volumen ~ dimetro al cuadrado), se pueden lograr ahorros considerables en los co stos del pozo haciendo el hoyo del menor tamao posible. Evidentemente, esto requiere el uso de una tubera cuya conexin sea transparente al mximo en trminos de geometra y desempeo. Ejemplo de clculo: Dos tamaos de mecha comnmente utilizados son las de 81/2 pulg. y 12-1/4 pulg. Cul es el costo relativo de perforacin de los dos tamaos de 41 hoyo?. Cunto puede ahorrarse al perforar el hoyo de 8-1/2 pulg. en lug ar del hoyo de 12-1/4 pulg.? 8-1/2 2 = 72,25 pulg 2 12-1/4 2 = 150,1 pulg 2 72,25/150,1 = 0,48 Siendo el volumen a perforar aproximadamente la mitad, se puede ahorra r mas o menos lo mismo del costo de perforacin al perforar un hoyo de 8-1/2 pulg. en luga r de uno de 12-1/4 pulg. Evidentemente, el xito de esta opcin depender de la sel eccin correcta de la conexin. 5.4 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LA JUNTA Para lograr las caractersticas deseadas de geometra y desempeo, el diseador de la conexin selecciona varias opciones para los tres (3) elementos estructurales p rincipales que conforman una conexin, a saber: Sello(s) Reborde(s) Rosca(s) Si bien los sellos, rebordes y roscas cumplen funciones diferentes, no son completamente independientes. De hecho, mientras mayor es la transparenc ia geomtrica de la conexin, mayor es la interrelacin entre estos tres (3) elementos. Los sellos. Son la parte encargada de mantener la estanqueidad de la junta. Especialmente los de metal-metal, son energizados por la fuerza normal que empuja a los sellos entre s. El rea de sello, el acabado de la super ficie y el posicionamiento relativo son los factores determinantes en el trabajo e fectivo del sello. El reborde. Es la parte de la junta que limita el movimiento de enrosque. Constituye un tope positivo para el movimiento relativo de las partes de la 42 conexin. El apriete se hace de manera mucho ms consistente con un rebordede torque. El reborde suele proporcionar gran parte de la resistencia a la compresin de la conexin. Las roscas. Es la estructura de agarre de una parte a la otra de la junta. Pueden ofrecer, adicionalmente un mecanismo de sellado y resistencia a la tensin y compresin. Mantienen a los miembros de la conexin en su posicin relativa adecuada para que los sellos puedan cumplir su funcin correctamente. Adems de las caractersticas deseadas de desempeo y geometra, el diseador y el usuario de la conexin debern tener presente tambin otros aspectos fundamentales: Fabricacin - preparacin final, fresado, calibracin, preparacin de la superficie. Sensibilidad a los problemas de manipulacin y transporte - vida de almacenamiento, posibilidad de inspeccin, posibilidad de prestar servicio y reparar en el campo. Caractersticas del montaje en el campo - enroscado, desalineacin, ensamblaje/desconexin repetidos . Contrariamente a la propaganda efectuada por algunos fabricantes de ros cas patentadas, ninguno de sus elementos estructurales especficos, a saber, sello, reborde o rosca, utilizados actualmente en diseos patentados, son intrnsecamente sup eriores o inferiores 3 . Con frecuencia, se escogen elementos estructurales especficos de conex in para un diseo patentado con el propsito de (a) obviar o evitar los derechos de pat ente, (b) lograr una diferenciacin de mercadeo/productos, (c) unificar una familia de diseo, (d) ajustarse a la filosofa de diseo de una compaa, (e) facilitar la jerigon za o galimatas tcnicas o (f) reducir costos. Si estos son los factores que determinan una conexin patentada, entonces el desempeo del diseo podra resultar afectado. 3 A mediados de la dcada de los 70, se sometieron las roscas modificadas 8R a una prueba de hermeticidad al gas a presiones que llegaron hasta los 30.000 psi y a temperaturas de hasta 4 00 grados F en tuberas CRA Tipo 4 de extremo plano. 43 Como se dijo anteriormente, la calidad (aptitud para un propsito previs to) de cualquier conexin est determinada en gran parte por el grado de xito qu e alcance el diseador al tratar de lograr las caractersticas mecnicas ideales de una conexin de desempeo transparente: Que no haya un movimiento relativo adverso entre los sellos de presin del pin y la caja bajo ninguna combinacin de cargas o ciclos de carga. Que no haya un efecto adverso en la conexin ni en el cuerpo de la tubera en la transferencia de carga axial desde el pin hasta la caja (o viceversa) Que no haya un efecto adverso producido por el compuesto o lubricante de rosca/sello. Estas caractersticas de diseo son fciles de lograr en una conexin si no se le impone ninguna restriccin geomtrica. No obstante, mientras mayor sea la transparencia geomtrica requerida, ms difcil ser lograr los atributos mecnicos ideales de una conexin. En el caso de estas conexiones de alto grado de transparencia geomtrica, el diseador deber prestar especial atencin al esfuerzo absoluto al que estar sometido el miembro y a los movimientos relativos (o deformaciones) que se produzcan entre l os pines y cajas por accin de la carga y del efecto de Poisson en todas las direcciones y ciclos de carga previstos. 5.5 PROGRAMAS DE CALIDAD Las conexiones, as como muchos otros aspectos de los equipos de fondo, estn regidos generalmente por dos especificaciones de gran alcance: la norma ISO 9001 y la Especificacin Q1 de API. La norma ISO 9001, denominada Sistemas de Calidad - Modelo de Aseguramiento de Calidad para Diseo/Desarrollo, Produccin, Instalacin y Servicio, por la que se r igen numerosas fbricas de tuberas y fabricantes de conexiones patentadas, esta blece en el Prrafo 4.4 sobre Control de Diseo y especficamente en el apartado 4.4.1 sobre Aspec tos 44 Generales, que El proveedor establecer y mantendr procedimientos destinados a controlar y verificar el diseo del producto, con el propsito de asegurar que se cu mplan con los requerimientos estipulados. Irnicamente, son muchos los casos en los que al usuario de la conexin patentada ni siquiera se le permite tener acceso al documento que contiene los requerimientos estipulados en caso de que exista y mucho m enos a los documentos correspondientes a los siete (7) aspectos restantes del diseo que contiene la norma ISO 9001. Antes de utilizar una conexin patentada de un proveedor que haya recib ido la certificacin ISO 9001 con quien el usuario tenga poca experiencia o incluso ningu na, ste deber solicitar revisar los documentos completos relativos al Prrafo 4.4 (Control de Diseo) de la norma ISO 9001. Para revisar el diseo de la conexin patentada, el usuario tambin podr ejecutar una prueba de ambiente simulado, a menudo con productos simul ados, es decir, especmenes especiales de prueba. No obstante, existe una gran divergenci a de opiniones en la industria en torno a lo que constituye una prueba suficiente de aceptacin, tal como lo reflejan los programas de prueba tan distintos que ejecutan operadorasimportantes tales como Exxon, SIPM, Mobil, ARCO, BPX, Shell USA, o el programa de prueba RP 5C5 de API, denominado Prctica Recomendada para Procedimientos de Evaluacin de Conexiones para Revestidores y Tuberas de Produccin o ISO/WD 13679 y su comit tcnico ISO TC 67/SC 5/WG 2, bajo una Secretara alemana, que trabaja ac tualmente en este problema. Ms an, conocer cmo funciona la mecnica de las conexiones tambin permite al usuario determinar si una conexin patentada en particular podra ser adecuada para la aplicacin donde se pretende utilizar. La mecnica estructural bsica, as com o el anlisis por elementos finitos, constituyen herramientas tiles para evaluar la utilidad po tencial de las conexiones. 45 5.6 LAS JUNTAS APROBADAS POR PDVSA Con el fin de reducir los costos de adquisicin, as como aumentar la disponibilidad debido a la posibilidad de intercambio, PDVSA decidi norm alizar las juntas, as como el proceso de seleccin a fin de mantener en un mnimo el nmero de tip os de juntas utilizadas. Por otra parte, para cada tipo de junta propietaria se tomaron en cu enta dos fabricantes distintos para mantener una sana competividad en cuanto a nivel de p recios. En las Fig. 5.7 y Fig. 5.8 se han representado los rboles de decisio nes para la seleccin de juntas aprobadas por el Comit de Racionalizacin de Revestidor es para el primer trimestre de 1998. Es importante sealar que tanto las pregunta s, como las juntas que aparecen en las dos prximas figuras pueden cambiar de acuerdo con modificaciones que sugiera el Comit. Inicio Dimetro > 20 Si No Drillequib RL-4S Dimetro > 16 Si No Prof.>1.000 o P es.>2.000# Big Omega BTB Buttress Si No Si No J. Integral Baja Carga ? (Camisa?) SLX NJO STL 511 (pozos someros) Pres..>5.000# o Severidad>10 /100 Inclinacin>45 o Holgu a 1/2 Si No Acero Inoxidable ? NK3SB VAM ACE Si No PH-6 STP Si No J. Integral Si No Pesadas Ligeras Flush ? Peso > P.Crt. STL 511 (pozos someros) CS-Hyd STC Acopladas Peso > P.Crt.PH-6 STP Pesadas Ligeras CS-Hyd STC NK3SB VAM ACE NK3SB VAM ACE Si No Dimetro P. Crtico 2 7/8 6.5 3 1/2 10.3 4 1/2 13.5 5 1/2 Slo pesadas 7 Slo pesadas Fig. 5.8. rbol de decisiones para