Aparejos_Producci%c3%b3n (07)
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GUA DE DISEODE APAREJOS DE PRODUCCIN
GERENCIA DE INGENIERGERENCIA DE INGENIERAASubgerencia de TerminaciSubgerencia de Terminacin y Mantenimiento de Pozosn y Mantenimiento de Pozos
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CONTENIDOCONTENIDO
INGENIERIA- Objetivo- Introduccin- Condiciones de carga
- Uniaxial- Biaxial- Triaxial
- Diseo en ambientes corrosivos- Movimiento del aparejo de produccin
- Pistn- Ballooning (expansin)- Buckling (pandeo helicoidal)- Temperatura
- Metodologa de diseo
-
OBJETIVOOBJETIVO
Desarrollar una gua practica para el diseo de
aparejos de produccin, que considere las
cargas generadas por presin interna, colapso,
tensin y la combinacin de estas. Adems que
indique como cuantificar los esfuerzos que
originan el movimiento del aparejo de
produccin causados por los efectos de: pistn,
ballooning, buckling y temperatura.
INGENIERIA
-
INTRODUCCIINTRODUCCINN
El aparejo de produccin es el medio por el cual se
transportan los hidrocarburos del yacimiento a la
superficie, este debe soportar ntegramente las presiones y
los esfuerzos a que es sometido durante las operaciones:
Inducciones Pruebas de admisin Estimulaciones Fracturamientos Etapa de produccin Recuperacin del aparejo Control del pozo
INGENIERIA
Considerando ambientes corrosivos
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INTRODUCCIINTRODUCCINN
El dimetro del aparejo de produccin debe ser tal que
permita transportar los gastos de produccin esperados.
INGENIERIA
Dimetro pequeo Restriccin deproduccin
Dimetro grande Flujo inestableIncremento de costo
-
INTRODUCCIINTRODUCCINN
El dimetro del aparejo de produccin debe ser tal que
permita transportar los gastos de produccin esperados.
INGENIERIA
IPR
P
r
e
s
i
n
d
e
f
o
n
d
o
f
l
u
y
e
n
d
o
Gasto de produccin
Comportamieneto de flujo
1d
2d
2d > 1d
-
CONDICIONES DE CARGA
Uniaxial INGENIERIA
Este efecto asume que no hay carga axial (tensin compresin) en la tubera, al mismo tiempo en que se aplica una carga de presin interna colapso.
Presin interna
ip
=D
tYpi2875.0
Tensin
( )224
dDYT =
D
d
1F
sYAF =2
-
CONDICIONES DE CARGA
Uniaxial
Colapso
Cedencia
= 21
2
tDtD
Ypcc
Plstico
CB
tDAYpcp
=
= GtDFYpct
Transicin
2
6
1
1095.46
=
tD
tD
xpce
Elstico
CEDENCIA DEL MATERIAL
INESTABILIDAD ELASTICA TEORICA
COMPORTAMIENTO DE COLAPSO REAL
COLAPSO DE CEDENCIA
COLAPSOPLASTICO
COLAPSO DE TRANSICION
COLAPSO ELASTICO
RELACION
y
tD /15 25
INGENIERIA
-
CONDICIONES DE CARGA
Cedencia
= 21
2
tDtD
Ypcc
Plstico
CB
tDAYpcp
=
= GtDFYpct
Transicin
2
6
1
1095.46
=
tD
tD
xpce
Elstico
INGENIERIA
10
15
20
25
30
35
40
452
0
2
5
3
0
3
5
H
-
4
0
5
0
J
&
K
-
5
5
6
0
7
0
C
-
7
5
L
&
N
-
8
0
C
-
9
0
9
5
1
0
0
P
-
1
0
5
1
1
0
1
2
0
1
2
5
1
3
0
1
3
5
1
4
0
1
5
0
1
5
5
1
6
0
1
7
0
1
8
0
Grado de acero
D
i
m
e
t
r
o
(
D
)
/
E
s
p
e
s
o
r
(
t
)
Colapso ElsticoColapso de Transicin
Colapso Plstico
Colapso de Cedencia
-
CONDICIONES DE CARGA
Prueba de presin
Tensin adicional significativa en la parte superior del aparejo
Efecto de pistn
Tapn
Elongacin dela tuberia ist ApF =
WFT +=
fsarta fwW =
INGENIERIA
-
CONDICIONES DE CARGA
INGENIERIAFactores de diseoLos efectos de carga son separados de la resistencia de la tubera por un multiplicador conocido como factor de seguridad, cuya funcin es tener un respaldo en el diseo, debido a la incertidumbre en determinar las condiciones de carga reales, adems del cambio de las propiedades del acero debido a corrosin y desgaste.
cadaCarga aplimaterialdelaResistenciFS =
CONDICIONES DE CARGA RANGO MAS COMN RECOMENDADO
PRESIN INTERNA
COLAPSO
TENSIN JUNTA
TENSIN CUERPO
1.0 1.35
0.85 1.50
1.50 2.0
1.30 2.0
1.125
1.125
1.80
1.80
1.125
1.125
1.80
1.50
-
CONDICIONES DE CARGA
INGENIERIABiaxial
El efecto biaxial considera el cambio en la resistencia al colapso y presin interna debido a la tensin compresin de la tubera.
=YY
YY zze
5.075.012
sz A
T=
axialCargaz =efectivaCedenciaYe =
Tensin reduce resistencia al colapso Tensin incrementa resistencia a la
presin interna
Compresin reduce resistencia a la presin interna
Compresin incrementa resistencia al colapso
-
CONDICIONES DE CARGA
INGENIERIATriaxial
El diseo triaxial considera que en cada elemento de acero en la tubera actan tres esfuerzos sobre su superficie, estos son el esfuerzo axial, radial y tangencial
r z
++
+=
+Y
pY
pY
p izizit 21
431
2
( )22
222 2dD
DpdDp cit
+=s
z AT=
axialEsfuerzoz =angencialEsfuerzo tt =
-
CONDICIONES DE CARGA
INGENIERIATriaxial
++
+=
+Y
pY
pY
p izizit 21
431
2
P
R
E
S
I
N
I
N
T
E
R
N
A
TENSINCOMPRESIN
COMPRESIN
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-120 -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 1000 120
20
40
60
80
100
120
C
O
L
A
P
S
O
PRESIN INTERNACOLAPSO
TENSIN
+
-
%100
+
yield
it P
%100
+
yield
iZ P +-
Elipse de plasticidad
-
DISEO EN AMBIENTES CORROSIVOS
INGENIERIA
La corrosin causa el deterioro del acero, lo cual reduce drsticamente las propiedades mecnicas de la tubera.
Algunos de los parmetros ms importantes a considerar para determinar la naturaleza del ambiente en el pozo
9 Presin parcial del H2S9 Presin parcial del CO29 Efecto de la temperatura sobre la resistencia del acero
y la corrosin
-
DISEO EN AMBIENTES CORROSIVOS
INGENIERIAPresin parcial del H2S
Produce una falla catastrfica por fragilizacin (sulfide stress cracking).
Tensin Presencia de agua
Fisuras en el acero
MR0175-2002
SHmolpSHPparcial 22 %*=
-
DISEO EN AMBIENTES CORROSIVOS
INGENIERIAPresin parcial del CO222 CO %* molpCOPparcial =
Presiones ParcialesMayores o iguales a 30 psi
Entre 3 a 30 psiMenores a 3 psi
Corrosin esperadaAlta
MediaNo se presenta
Mayores a 1.5 psiEntre 0.05 a 1.5 psiMenores a 0.05 psi
AltaMedia
No se presenta
CO2
Acero recomendadoTRC -95
TRC 95, L - 80Cualquier grado
TRC -95TRC 95, L - 80Cualquier grado
H2S
Corrosin debido a H2S y CO2
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
1
0.1
0.01
10
1000
100
0.05 1.5
30
7
0.07 0.7 7 700.0070.0007 (bar)(psi)
Cualquier grado de acero
Grados propietarios para Servicio Amargo como TRC (1% Cr, 0.5% Mo)
Aceros al carbn ms inhibidores
13-15 Cr(Cl-, pH, T)
22-25 CrSuper 13 Cr(Cl-, pH, T)
22-25 Cr(Cl-, pH, T80C; N, P(pH)
Ppa
rcia
lC
O2
(psi
)
Pparcial H2S (psi)
-
DISEO EN AMBIENTES CORROSIVOS
INGENIERIA
El incremento de temperatura produce una disminucin en la resistencia a la cedencia, por tanto un factor de correccin por temperatura tiene que ser aplicado.
Efecto de la temperatura sobre la resistencia del acero
110.000
120.000
130.000
140.000
150.000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Temperatura (C)
R
e
s
i
s
t
e
n
c
i
a
a
l
a
C
e
d
e
n
c
i
a
(
p
s
i
) NIPPONTAMSA
-
DISEO EN AMBIENTES CORROSIVOS
INGENIERIA
Otro fenmeno que es afectado por la temperatura es el efecto de corrosin. La norma NACE indica que el H2S incrementa su ataque al acero a temperaturas cercanas a 65 C, a temperaturas mayores el efecto es menor.
Efecto de la temperatura sobre la corrosin
3 bar = 43.51 psi
1 bar = 14.50 psi
0.3 bar = 4.35 psi
0.1 bar = 1.45 psi
Presiones del CO2
02468
10121416
30 50 70 90 110 130Temperatura (C)
R
i
t
m
o
d
e
c
o
r
r
o
s
i
n
(
m
m
/
a
o
)
-
MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN
INGENIERIA
El cambio de longitud del aparejo originado por cambios de presin y temperatura puede ser positivo o negativo y generar grandes esfuerzos en la tubera y/o empacador cuando este no permite el libre movimiento de la tubera, Cuando la tubera tiene movimiento libre, su acortamiento puede ser tal que la longitud de los sellos juntas de expansin sea insuficiente .
Los efectos que producen estos movimientos netos del aparejos deproduccin son los siguientes:
Pistn Ballooning (aglobamiento) Buckling (pandeo helicoidal) Temperatura
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MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN
INGENIERIAPistnEl efecto de pistn se basa en la Ley de Hooke y se debe a la diferencial de presin actuando sobre una diferencial de rea.
La ley de Hooke establece que el cambio en longitud es directamente proporcional a la fuerza aplicada
sEAFLL = 1
( ) ( ) aeEiiE pAApAAF =ED
Pi
d
D
Pa
Empacador
Aparejo
Revestimiento
-
MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN
INGENIERIABallooningCuando la presin interna en un aparejo de produccin es mayor que la presin externa, los esfuerzos radiales que actan sobre la pared generan una expansin (aglobamiento) del tubo, este fenmeno causa una contraccin longitudinal del aparejo.
1
2 1
221
2
2
2
22
2
+
+=
RpRp
EL
R
R
ELL ai
ai
+
=
16.0
13.0
2
2
2
22
2 RpRp
EL
RR
ELL aiai
dDR =
-
MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN
INGENIERIABuckling
( )EIw
ppArL aip
8
222
3
=
( )4464
dDI =
fafit wwww +=
Buckling (pandeo helicoidal) es producido por una diferencial depresin actuando sobre una diferencial de rea, causando un acortamiento de la tubera.
Pi
d
Pa
-
MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN
INGENIERIATemperaturaLa transferencia de calor de los fluidos inyectados del yacimiento a la tubera de produccin causan contraccin elongacin de la misma.
TLL = 4
termicaexpancindeeCoeficient =
( )C= 1/ 10 x 42.12 6
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MOVIMIENTO DEL APAREJO DE PRODUCCIN
INGENIERIAMovimiento neto del aparejo
4321 LLLLLT +++=Pistn Ballooning Buckling Temperatura
4L3L2L1L
MovimientoTotal
TL
Corrida
-
METODOLOGA DE DISEO
INGENIERIACargas a que ser sometido el aparejo de produccin( )
TRPDP VEfeEA += 422.1
PROFUNDIDAD
( ) fVEftTP PPDP bba += 422.1
PRESIN
Seccin 1
Seccin 2
TENSIN
(pba. Admisin)
Seccin 1
Seccin 2
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GERENCIA DE INGENIERGERENCIA DE INGENIERAASubgerencia de TerminaciSubgerencia de Terminacin y Mantenimiento de Pozosn y Mantenimiento de Pozos
GRACIAS POR SU ATENCIN