Universidad Nacional

Ingenieria

Sarta de Perforacion

Sarta de Perforacion

Componentes:

• Vastago (Kelly)

• Tuberia de Perforacion ( Drilll Pipe )

• Tuberia extra pesada (Hevy Wate )

• Portamechas ( Drill Collar )

• Estabilizadores

• Martillos

• Herramientas Direccionales (Motor, MWD, etc)

Sarta de Perforacion

Función:

La Sarta de Perforación provee energia a la broca para

que perfore

Potencia de carga axial

Potencia radial

Potencia hidráulica

Fabricacion:

Bajo normas API, acero Siemens-Martin, de horno eléctrico, o bien

Bessemer básico soplado con oxígeno.

No deben sobrepasar los valores: Fósforo 0,040% (máx.), Azufre

0,060% (máx).

Aleaciones al carbono, manganeso y silicio.

Cinco calidades de acero con resistencias desde 55,000 hasta

135,000 lb/ pulg2 (D, E, X, G y S)

Tambien se fabrican tuberías de aluminio, fibra de vidrio.

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Esfuerzos Sometidos:

•Tracción

•Torsión

•Flexión

•Presión interna

•Aplastamiento

•Vibraciones

•(Puede estar sometida a esfuerzos de Compresión)

•Combinación de algunos de estos esfuerzos provocando fatiga

•Expuestos a Acción Química y Erosión.

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Esfuerzos Traccion:

•Tracción

•Torsión

•Flexión

•Presión interna

•Aplastamiento

•Vibraciones

•(Puede estar sometida a esfuerzos de Compresión)

•Combinación de algunos de estos esfuerzos provocando fatiga

•Expuestos a Acción Química y Erosión.

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Datos de la tuberia de perforacion:

•Diametro Nominal

•Peso Nominal

•Rango

•Grado

•Resistencia a la Tension

•Colapso

•Torsion

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Fallas de la Tuberia de Perforacion

1. Carga Traccional (Gravedad, Levantamiento, Temperatura)

2. Presiones externas (Colapso o aplastamieto)

3. Presion Interna (Explosion, fuga)

4. Flexion (Corte, tension equivalente)

5. Fatiga (Rotacion en patas de perro)

6. Aplastamiento (Cunas y apilamiento)

7. Torsion, torcimiento (cuerpo, sobretorque ajuste, desenrosque)

8. Pandeo (Por sobrepeso, Incremento Temperatura)

9. Aceleracion (Frenado instantaneo)

10.Abrasion (tubos y conexiones)

11.Erosion (Desgaste por flujo de fluidos)

12.Corrosion (H2S, CO2, O2).

Sarta de Perforacion

DrillpipeDiseno

1. Parametros de diseño:

a) Profundidad Total

b) Diametro del Hueco

c) Factor de seguridad en Tension

d) Peso de Lodo

e) Factor de Seguridad en Colapso

f) Longitud Drill Collar, OD, ID y peo lineal

g) Tamaño Drill Pipe, Grado,clase de inspeccion, conexion.

h) Margen de Sobretensión, MOP

i) Tipo de Pozo (vertical, direccional, horizontal)

Sarta de Perforacion

DrillpipeDiseno

Tension:

P= (Ldp Wdp + LcWc) x BF

Pa = Pt * 0.9 Pa: Carga max. permitida de disenoPt: Tablas, 0.9 Const. De proporcionalidad

limite del esfuerzo de cedencia

SF = Pa / P SF : Factor de seguridad

MOP = Pa – P MOP: Margen de sobretension

Ldp = 0.9 x Pt - Wc x LcSF x BF x Wdp Wdp

Ldp = 0.9 x Pt - MOP - Wc x LcBF x Wdp Wdp

Colapso

Se produce sólo cuando se baja las b/s al pozo vacías. Dálmine da la

siguiente fórmula para verificar este esfuerzo:

Pc = 2 x τf (d/t) – 1

(d/t)²

Presion de Colapso expuesta: 0.052 x L x MW

Presion Interna

Pi = f ( 2 τf x t ) d

F = 0.875 Clase 1, 0,8 Premium, 0.7 Clase 2

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Torsion

Torque = HP x 5250

RPM

Aplastamiento de las cuñas

Al colocar las cuñas a la tubería origina un esfuerzo radial que en

casos de aplicarlo cuando la tubería se encuentra tensionada puede

ocasionar el aplastamiento del tubo:

(Pw) s ( Sh / St) < ( Pa)

Pw : Carga de trabajo (lbs)

Sh / St : Constante aplastamiento por cuñas

Pa: Carga Tension Permisible

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Sarta de Perforacion

Drillpipe

Ejercicio

En caso se requiera de tubos de mayor resistencia considerar:

Sarta de Perforacion

Conjunto de Fondo

Funcion

–Proveer de peso sobre la Broca para perforar

–Proteger el Drill Pipe

–Controlar dirección e inclinación en Perforac.Direccional

–Perforar huecos mas verticales ó derechos

–Minimizar los problemas de perforación (vibración)

–Asegurar que la sarta de revestimiento baje sin

problemas

Sarta de Perforacion

Conjunto de Fondo

Portamechas

Selección del diámetro•Se prefiere de mayor diametro para asegurar un mejor

estabilidad direccional

•Sin embargo esto dependera del inventario de medidas que

se disponga en el equipo.

•Pescabilidad

Sarta de Perforacion

Conjunto de Fondo

Portamechas

Diametro Util = D broca + Diametro Collar (OD)

2

Balance Empuje & Peso sobre la broca

MAXIMUM

BEARING

LOAD

MAXIMUM

DPBIT

kips

BALANCED

Motor PDM

Balance Empuje & Peso sobre la broca para Motor.

DPBIT =

BALANCE

500 psi

WB = 12,000 lbf

FBIT = DPBIT * A

= 500 * 24

= 12,000 lbf

Conjuntos

de Fondo.

Regular Drill

Pipe

BHA Liso

Collars

Bit

Drillpipe

BHA Multicomponente

Heavy Weight

Drillpipe

Smaller Drill

Collars

Roller Reamer

Collars

Bit

Peso sobre la broca

– fuerza axial -

afecta ROP.

Fuerza lateral

afectan cambio en

inclinación

Multi-Component

BHA

Ejemplo de

“bit tilt”

para un

BHA

pendular

Fuerza negativa

causa tendencia de

caida de angulo.

Broca inclinada (tilt)

causa tendencia de

construcción de

angulo.

Mas WOB incrementa

el “bit tilt” y reduce la

fuerza negativa.Fuerza lateral negativa

Angulo entre el eje del pozo

y el eje de la broca y BHA

(bit tilt angle)

Fuerza lateral en la Broca

• Todos los BHA crean una fuerza lateral

• Esta fuerza lateral puede ocasionar:

* construcción de angulo,

* mantenimiento de angulo,

* caida de angulo,

* giro a la derecha

* giro a la izquierda

Tipico BHA liso

perforando con

una inclinacion

(a).

Diametro interno de

Drill Collar

Diametro externo de los

Drill collar

El tipo y cantidad de metal en los drill collars genera el peso

de los collares y su comportamiento elastico EI

Momento de Inercia para Portamechas

A

4

i

4

e

2

yy dd64

dAyIπ

A

43

4

r2drr2

2

1

r

r

ππ

A A

22

z rdr2 rdArJ

4

i

4

ez dd32

J π

di

de

Momento de Inercia

El momento de inercia axial para un cilindro de

pared gruesa es expresado como sigue:

El Momento de inercia polar de un cilindro

4

i

4

e dd32

J π

(bending)

(twisting)

4

i

4

e dd64

πI

Ejemplo

• Calcular el Momento de Inercia Axial y

polar de

* 6-in. drill collar con 2 3/16-in. ID

(I6 and J6 respectively) and

* for an 11-in. collar with a 3-in. ID

(I11 and J11 respectively).

Solucion

4

11

444

11

4

6

444

6

in 1,4307152J

in 7153.011.064

πI

in 125.062.52J

in 62.52.1875664

πI

Notar el incremento de OD de 6 a 11 incrementa el factor de 111

Modulo elastico de Young, E

F = k x Ley de Hooke

k = constante del resorte

x = extension

AL

LF

ΔL/L

F/A

strain

stressE

Δ

xkLL

AE

L

LAEF D

D

LT = Longitud

tangencial

Wb = Carga axial, WOB

Uso de estabilizador

incrementa la

longitud al punto de

tangencia

Tangencia para Conjunto Liso y pendulares

Example

Flotabilidad de Portamechas

• Determine el peso neto de 45 portamechas

de acero, de 10” x 3 1/16” * 31’ .

Densidad de lodo = 16 lb/gal

Densidad de acero = 490 lb/ft3

Wair = /4(102

- 3.06262)(31/144) * 45 * 490

= 337,852 lbs

Wnet = 337,852 (1 - 16*7.48/490) = 255,300 lbs

STEEL

MUDAIRB WW 1

Ejemplo

• Determinar la fuerza negativa

en u lodo de 9 ppg, para un

BHA liso donde el peso en el

aire es de 98.6 lbm/ft. Bit

weight = 0.

• El Pozo tiene una inclinacion

de 4 grados y una longitud al

punto de tangencia (LT) de 25

ft.

LT

I

Ejemplo

LT

I

lbf74.1F

4sinlb/cu.ft489

.ft7.48gal/cu*lb/gal91*

25ftlbf/ft98.6F

P

o

P

5.0

Fuerza lateral,

FP = - 0.5 WAIR LT (1-m/s) sin I

W

FP

{ sin 4o

= 0.0698 }

BHA Liso con y sin carga axial

Carga

Axial

Nueva Longitud

tangencial reducidaSin

Fuerza de

Flexion

Punto de

tangencia

sin peso

sobre la

broca

Direccion de broca

Carga

axial

Nueva longitud

tangencial reducida

BHA liso con

carga axial.

Con peso sobre la broca, La fuerza lateral,

FP = - 0.5 WAIR LT (1-m/s) sin I+ (PB - 0.5 WAIR LT (1-m/s) cos I) / LT

= (dH - dDC)/2 FP

From Timoshenko’s method of “Three Moment Equations”

Donde PB = Carga axial sobre la broca

IcosLBW0.5PP Also,

EI

P

2

Lu and

u

utanu3 xwhere

xIsinBW

24EIL

TCCBC

0.5

CT

3

0.25

cc

T

Donde PC = Carga compresiva sobre los PM

PB = Carga axial sobre la broca

(1)

(2)

(3)

(4)

Encontrar LT

Pasos para determinar LT

• 1. Asumir un valor de LT

• 2. Calcular PC de la ecuacion 4

• 3. Calcular u de la ecuacion 3

• 4. Calcular x de la ecuacion 2

• 5. Calcular LT de la ecuacion 1 y

compararla con el valor asumido LT

Fuerza Lateral Resultante y Longitud

Tangencial para varios WOB

NOTE: Fza Lateral negativa tendencia caida

Fza Lateral positiva tendencia crecer

FPFP

Tipico BHA

con

estabilizador

simple

Tangente

Que pasa

cuando la

distancia

entre el

estabilizador y

la broca es

cambiado?

Uso de

estabilizador

incrementa LT

Fuerza lateral vs. longitud pendular del collarh; 12

I/4-in. hole, 8-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud; 10

degrees inclination.

Distancia broca - estabilizador, ft

Fuerz

a late

ral,lb

.

60k

40k

20k

0

-200

-400

-600

-800

10090807060

50 40 30

L1

Fuerza lateral vs. longitud pendular; 12 I/4-in. hole, 6

1/2-in. collars, 10 1/2-lbm/gal mud, 10 degrees

inclination.

Distancia broca - estabilizador, ft

60K

40K

20K

200

0

-200

-400

-600

-800

1009080706050

40 30 CONSTRUYE

CAE

With flimsier drill collars, bit weight can be high enough to overcome the pendulum effect

L1

Tipico

BHA con

dos

estabiliza

dores

Tangente

L3 es

desconocido.

Debera

estimarse

inicialmente

BHA con dos estabilizadores

Efecto de agregar un estab.,

12 I/4-in. hole, 8-in. collars,

9-lbm/gal mud, 10 degrees

inclination.

Peso sobre la broca, 1000

lb

Fu

erz

a late

ral,

lb

-400

-500

-600

-700

60’

60’+30’

605040302010

El efecto de agregar un segundo estabilizador es incrementar la fza. negativa.

WHY?

Punto de tangencia entre broca y estabilizador

con respecto a la distancia del pendulo; 9 7/8-

in. hole, 6 3/4-in. collars, 8 degrees inclination,

30,000-lbf WOB.

30’

50’

70’

90’

Si estabilizador esta muy lejos de la broca, el punto de tangencia puede ocurrir entre ellos.

Pto. Tangencia entre estab. Y broca; 90-ft. conjunto para

construccion, 10 grados de inclinacion, 30,000-lbf WOB.

14 3/4” 12 1/4” 9 7/8” 8 1/2”Broca:

Portamechas: 9 1/2” 6”7”8”

Con conjuntos para construir, Portamechas mas pesados proveen una mayor fza positiva

Fza

Lateral =

3,343 lbf

Fza Lateral =

814 lbf

Incrementando el WOB aumenta la fuerza lateral; 8

1/2-in. hole, 6-in. collars, 10 degrees inclination, 70

ft. tangency length.

70 ft

WOB : 20,000 30,000 40,000 lbf

Fza lateral: 855 962 1,002 lbf