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Tuberías                                                        Tuberías




                                              Tuberías


           ÍNDICE

                                                          página


           INTRODUCCIÓN                                     3


           I. CONCEPTOS GENERALES                           3

            ¿Qué es una tubería?                            3
            Acero                                           4
            Clasificación por objetivo                      4
            Clasificación por función                       5
            Datos de tuberías                               6
            Proceso de fabricación                          6
            Propiedades mecánicas                           16
            Conexiones o juntas                             18
            Tipos de juntas                                 19
            Proceso de maquinado                            22
            Estándares sobre tuberías                       25
            Diseño de sartas de tuberías                    28
            Retrospectiva de métodos                        30


           II. CAPACIDAD DE RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS     32


            Condiciones de falla                            32
            Cedencia                                        33
            Colapso                                         34
            Estallamiento                                   40
            Tensión                                         40
            Fallas por carga de presión                     46
            Ejemplos de fallas en tubulares                 47
            Diagrama de capacidad de juntas                 54
Tuberías                                                                                                                Tuberías




                                                             in Agnormally Pressured Wells", documento IADC/
                                                             SPE 17178 presentado en 1988 IADC/SPE Drilling
III. CONDICIONES DE CARGA                              55
                                                             Conference en Dallas, Tx, Febrero 28, Marzo 2, 1988.

    Eventos de carga                                   56    38. H. Ramos y D. Hernández; "Investigación del fe-
    Cargas de presión                                  57    nómeno de colapso en tuberías de revestimiento y
                                                             de producción", Villahermosa, Tab, Agosto 1999.
    Perfiles de presión externa                        58
    Perfiles de presión interna                        59    39. Sandvik Stell; "Sandvik Steel Corrosion Handbook
    Cargas axiales                                     61    Stainless Steels", Suiza 1994.
    Cargas no axiales (formaciones plásticas)          64
                                                             40. H. Kinsel, T. Koithan y B. Lirette; "A new Approach
    Cargas triaxiales                                  64
                                                             to Calculate the Optimum Placement of Centralizers,
    Efectos axiales                                    64    includes toque and Drag Predicions", documento
    Corrosión                                          69    IADC/SPE 36382, presentado 1996 IADC/SPE Asia
    Condiciones iniciales de carga                     70    Pacific Drilling Technology Conference en Kaula
                                                             Malasia, Septiembre 9-11, 1996.

IV. SELECCIÓN DE TUBULARES                             73    41. Applied Drilling Enginering, SPE Text Book
                                                             Series, Vol 2.0, Bourgoyne, Adam T, 1991.
    Métodos de selección                               74
                                                             42. Beggs; "Production Optimization", Using NODAL
    Selección de juntas                                75
                                                             Analysis, H.D. 1991.
    Selección hidráulica de tubería de producción      76
    Análisis de torque y arrastre                      81    43. Effect of wear and Bending on Casing Collapse
    Ancalado de TR                                     82    Strength, Kuriyama, Y.T., 1992.
    Centradores de tuberías de revestimiento           83
                                                             44. Minimum Cost Casing Design, Halal, A.S. SPE
                                                             36448, 1994.
V. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO MECÁNICO                 85
                                                             45. Economides, Watters, dunn Norman "Petroleum
                                                             Well Construction", John Wiley, 1998.
    Tubería de producción                              85
    Procedimiento de diseño                            85    46. Benito Ortiz Sánchez, "Diseño de aparejos de
    Eventos de carga                                   86    Producción por Metalurgia", División de Estudios de
    Diseño de sartas de perforación                    88    Posgrado, Facultad de Ingeniería UNAM. Octubre
                                                             1991.
    Los aparejos de fondo convencionales               90
    Método de flotación de Lubinski                    90    47. Fitzgerald; "Mecánica de Materiales", Edición
    Método de Paslay y Dawson                          91    revisada, Editorial Alfaomega.
    Ejemplo de diseño de una sarta de perforación      92
                                                             48. Bruce D. Craig "Saour-Gas Design Considerations",
VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO DE TUBERÍAS   99    Monograph Volume 15, SPE, Henry L. Doherty Memo-
                                                             rial Fund of AIME Series, Richardson Texas, Primera Edi-
                                                             ción 1993.
REFERENCIAS                                            101




2                                                                                                                        103
Tuberías                                                                                                                                                                                                                        Tuberías




20. T. Xu, R.G. Bea, R. Ramos, O. Valle y V. Valdes;
"Uncertainties in the Fatigue Lives of tubular Joints",
                                                            With a Finite-Element Method", SPE Drilling and
                                                            Completion, (Junio 1994), páginas 103-106.                                                           Tuberías
documento OTC 10848 presentado en 1999 por el.
Offshore Technology Conference en Houston, Texas,           29. K.K. Biegler, "Concluions Based on Laboratory
Mayo 3-6 1999.                                              Tests of Tubing and Casing Connections", documen-
                                                            to SPE 13067 presentado en 1984 SPE 50º Annual
21. H. Ramos y D. Hernández; "Colapso en Tuberías           Technical Conference and Exhibition en Houson,
de Revestimiento y de Producción", Horizonte Tec-           Texas, Septiembre 16-19, 1984.
nológico, Octubre-Diciembre 1998.
                                                            30. R:M: Hackney, ¡A New Approach to Casing
22. R.A. Sukup y V.C. Estes; "How new tools were            Desing for Salt Formations", documento SPE/IADC        INTRODUCCIÓN
used to repair HPHT sour gas producer", World Oil,          13431 presentado en 1985 en la SPE/IADC Drilling                                                                  Básicamente el diseño de tuberías se fundamenta
Julio 1994, páginas 37-42.                                  Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 6-8,       Este capítulo presenta los elementos conceptuales re-      en dos factores principales: el conocimiento del ma-
                                                            1985.                                                  lacionados con las tuberías utilizadas en los pozos pe-    terial (capacidad de resistencia) y el conocimiento
23. Yukihisa Kuriyama y Toshitaro Mimaki; "A New                                                                   troleros, a fin de propiciar el mejor aprovechamiento      de las condiciones de esfuerzos (cargas) a los que
Formula for Elosto-Plastic Collapse Strength of Thick-      31. J.A. Issa y D.S. Crawford, "An Improved Desing     sobre las mismas y fortalecer la práctica de la ingenie-   van a estar sujetas las tuberías. El primer factor abar-
Walled Casing", documento SPE 28327 presentado              Equiation for Tubular collapse", documento SPE         ría de perforación. Fundamenta técnicamente el dise-       ca desde su fabricación hasta el desempeño mecá-
en 1994 en la SPE 69º Annual Technical Conference           26317 presentado en 1993 en el 68º Annual technical    ño (o selección) de las diferentes tuberías utilizadas.    nico. Es la base para reconocer la capacidad de una
and Exhibition en New Orleans, LA, Septiembre 25-           Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx,                                                               tubería. El segundo factor significa el conocimiento
28, 1994.                                                   Octubre 3-6, 1993.                                     Como parte de los insumos que demanda un pozo,             teórico y experimental necesario para ser capaces
                                                                                                                   las tuberías representan un alto porcentaje en el cos-     de predecir las condiciones de trabajo o de carga
24. A.S. Halal y R.F Mitchell, "Casing Desing for Trapped
                    .                                       32. W.T. Jones y N. Dharma; "Standarisation of         to del mismo. Se tienen estimaciones generales de          que se presentarán en un pozo y en consecuencia,
Annular Pressure Buildup", documento SPE Drilling           Tubuluar Goods for Wowldwide Application", docu-       que varía del 15 al 30% de la inversión total. Por lo      que soporte una tubería.
and Completion, Junio 1994. Páginas 107-114.                mento SPE 25328, presentado en la SPE Asian Pacific    tanto, es importante considerar el costo de las tu-
                                                            Oil and Gas Conference, en Singapore, Febrero 8-       berías. El tema merece atención especial.                  Por lo anterior, el material se ha dividido en tres
A. MacEachran, y A.J. Adams; "Impact on Casing              10, 1993.                                                                                                         partes: en la primera se presenta todo lo relacio-
Desing of Thermal Expansion of Fluids in Confined                                                                  Las bases de todo proceso de ingeniería recaen en          nado con el material “tubo”. Es decir, su proceso
Annuli" documento SPE/IADC 21911, presentado en             33. F Klementich y Michael J.Jellison; "Service-Life
                                                                 .                                                 los fundamentos técnicos. Sin embargo, se requie-          de fabricación, las propiedades mecánicas, y la
1991 SPE/IADC Drilling Conference en Amsterdam,             Model for Casing Strings", SPE, Abril 1986, páginas    re observar sistemáticamente la disminución de los         forma de evaluar su capacidad de resistencia. En
Marzo 11-14, 1991.                                          141-152.                                               costos asociados en cada proceso. Por lo que en la         una segunda parte se presentan las diferentes al-
                                                                                                                   práctica de la ingeniería de perforación, se deben         ternativas para determinar las distintas condicio-
25. L.D. Keilty y H. Rabia, "Applying Quantitative Risk     34. J.F. Greenip Jr. "How to Desing Casing Strings     definir y optimizar los materiales tubulares que de-       nes de carga. Se inicia por la definición de las
Assessment to Casing Desing", documento IADC/               For Horizontal Wells" 1989 petroleum Engineer          ben utilizarse en un pozo.                                 cargas y se termina por definir la forma de eva-
SPE 35038 presentado en 1996 IADC/SPE Drilling              International, Houston, Texas, Diciembre 1989, pá-                                                                luarlas. En una tercera parte, se presentan las téc-
Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 12-             ginas 34-38.                                           El diseño de un pozo requiere la aplicación y cono-        nicas de selección de los materiales, criterios y
15, 1996.                                                                                                          cimiento de una diversidad de técnicas y procedi-          metodologías de diseño.
                                                            35. I.S. Meghani; "Calculating leak performance for    mientos. Éstos, bien aplicados y orientados con la
26. Marshall, H. Asahi y M. Ueno; "Revised Casing-          API casing connections" 1984 String Desing             premisa de minimizar costos, conducen a definir las        I. CONCEPTOS GENERALES
Desing Crieteria for Exploration Wells Containing           Seminary-by-Mail, Hydriil; World Oil, Junio 1984.      especificaciones de los materiales y parámetros de
H2S" SPE Drilling and Completion, (Junio 1994),                                                                    operación óptimos para aplicar en un pozo. Como            ¿ Qué es una tubería?
páginas 115-118.                                            36. API Spec 5AX, "High-Strength, Casing, Tubing       parte de este proceso, el diseño de las tuberías es        Una tubería es un elemento cilíndrico hueco com-
                                                            and Drill Pipe", american Petroleum Institute, Was-    una actividad que debe ser recurrente en la práctica       puesto generalmente de acero, con una geometría
27. Yukihisa Kuriyama, T. Mimaki y Tetsuo                   hington, D.C- Tenth Edition, Marzo 1976.               de ingeniería de perforación. Cada pozo presenta           definida por el diámetro y el espesor del cuerpo que
Yonezawa; "Effect of Wear and Bending on Casing                                                                    un comportamiento diferente para su operación y            lo conforma. Para fines prácticos, se define median-
Collapse Strength", documento SPE 24597 presen-             A. Baryshnikov, A. Caderoni, A. Ligrone y P Ferrara,
                                                                                                       .           construcción.                                              te una geometría homogénea e idealizada. Es decir,
tado en 1992 SPE 67º Annual Technical                       "A New Approach to the Analysis of Drillstring Fati-                                                              un diámetro nominal y un espesor nominal cons-
Conference and Exhibition en Washington, DC,                gue Behavior", documento SPE Drilling and              El material expuesto en este libro incluye los tec-        tante en toda su longitud. Sin embargo, la realidad
Octubre 4-7, 1992.                                          completion, Junio 1997. Páginas 77-84.                 nicismos más usuales que deben incorporarse                es que no existe una tubería perfecta geomé-
                                                                                                                   en el proceso de diseño de tuberías. La idea es            tricamente. Adolecen de ciertas imperfecciones que
28. Freda Akgun, Bill J. Mitchell y H-Peter Huttelmaire;    37. A.P Vorenkamp; "A Theory of Resultant Burst
                                                                   .A.                                             mejorar y consolidar la práctica de ingeniería de          serán tratadas más adelante, como la ovalidad y la
"API Tubular Ovality and Stresses in Horizontal Wells       Loads for Designing Production Casing: Principally     perforación entre los estudiantes.                         excentricidad.


102                                                                                                                                                                                                                              3
Tuberías                                                                                                                                                                                                                       Tuberías




Acero                                                       tubería. Es decir, la función de operación que          Referencias
                                                            debe cumplir, para ello, las tuberías se clasifi-                                                                 11. J.J. Maney y c.a. Strozier, "High-Temperature
El acero es un metal refinado. Se obtiene a partir de       can como:                                               1. "Halliburton Cementing Tables", Printed in USA         Performance of Rotary-Shoyldered Connections",
la fundición de un lingote de hierro combinado al                                                                   2XJ, Little's- Duncan, Okla, 1999.                        documento SPE 19554 presentado en 1989 en el 64º
mismo tiempo con otros elementos químicos.                  Tuberías de revestimiento                                                                                         Annual Technical Confererence y Exhibition of the
                                                                                                                    2. "Productos Tubulares de Acero sin Costura", Tu-        SPE, en San antonio, Tx, Octubre 8-11, 1989.
Los aceros se dividen en ordinarios y especiales.           Son tuberías que constituyen el medio con el cual       bos de Acero de México, S.A. 1998.
Los aceros ordinarios contienen tres elementos prin-        se reviste el agujero que se va perforando. Con                                                                   12. Y. W Know y E.F. Klementich, "An Efficent and
cipales: hierro, carbono y manganeso. El carbono y          ello se asegura el éxito de las operaciones lleva-      3. "Formulaire du Foreur" Gilles Gabolde, Jean Paul       Accurate Model for the Structural Analysis of
el manganeso reunidos no representan más del                das a cabo durante las etapas de perforación y          Nguyen, Sexta Edición IFP Editorial Technip 1989.
                                                                                                                                              ,                               Threaded Tubular Connections", documento SPE
1.5% del metal. Los aceros ordinarios con el 0.1 a          terminación del pozo.                                                                                             18057 presentado en 1988 en el 63º Annual Technical
1.5% de carbono se clasifican como aceros de bajo                                                                   4. "Applied Drilling Engineering", Bourgoyne, Millheim,   Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx,
contenido de carbono. Los aceros especiales se              El objetivo de las tuberías de revestimiento es pro-    Chenevert, Young., Second Printing, Society of            Octubre 2-5, 1998.
hacen como los ordinarios, pero se les agregan otros        teger las zonas perforadas y aislar las zonas proble-   Petroleum Engineers, Richardson, TX; 1991.
elementos tales como: níquel, cromo, molibdeno,             máticas que se presentan durante la perforación. Tal                                                              13. M. F. Hainey, "Makeup Torques for API-Type
cobre, vanadio y tungsteno.                                 es el caso de revestir el agujero para mantener la      5. J.A. Bednarski y E.F. Flementich; "Focused             Round Thread Casing Connections With Non-API
                                                            estabilidad del mismo, prevenir contaminaciones,        Acceptance Testing: A Logical Approach for Qualifying     Weights, Grades, and Coupling Diameters", docu-
Tanto los aceros al carbono como los especiales             aislar los fluidos de las formaciones productoras,      Critical Service Conections", documento IADC/SPE          mento SPE 15517 presentado en 1986 en el 61º
(aceros inoxidables, aceros resistentes a la corro-         controlar las presiones durante la perforación y en     14728 presentado en 1986 IADC/SPE Drilling                Annual Technical Conference y Exhibition of the SPE,
sión y a las altas temperaturas), se producen en            la vida productiva del pozo.                            Conference en Dallas, Tx, Febrero 10-12, 1986.            en New Orlans, LA, Octubre 5-8, 1986.
hornos eléctricos.
                                                            Además, las tuberías de revestimiento proporcio-        6. Rick Johnson, Michael J. Jellison y Erich F.           14. G.M. Armstrong, and T.M. Wadworth; "Failure
Otros materiales tubulares                                  nan el medio para instalar las conexiones superfi-      Klementich; "Triaxial-Load-capacity Diagrams              Prevention by Selection and Analysis of Drillstem
                                                            ciales de control (cabezales, BOPs), los empacadores    provide a New Approach to Casing and Tubing               Connections", documento SPE/IADC 16075 presen-
La fabricación de tuberías se ha diversificado y extendi-   y la tubería de producción.                             desing Analysis", artículo de la SPE drilling             tado en 1987 SPE/IADC Drilling Conference en
do para satisfacer la demanda de las diferentes in-                                                                 Engineering, (Septiembre 1987) páginas 268-274.           New Orlans, LA, Marzo 15-18, 1987.
dustrias que las utilizan como insumo. Es por ello que      Tuberías de producción
en la actualidad obtenemos tuberías con diferentes                                                                  7. K.K. Biegler, Exxon Co. USA y C.W. Petersen, "Rating   15. Mac Thomas y J.E. Smith; "Box OD Stability of
calidades en los materiales que la componen. Tal es el      Las tuberías de producción son el elemento              Tubular connections for Today?s service                   Double Shoulder Tool Joints at Catastrophic Failure",
caso de: tuberías de aluminio, tuberías de fibra de vi-     tubular a través del cual se conducen hasta la su-      Requirements", documento SPE 12205 presentado en          documento SPE/IADC 35035 presentado en 1996
drio, tuberías de plástico, etc. Cada una de ellas tie-     perficie los fluidos producidos de un pozo, o bien,     el 58º Annual Technical Conference and Exhibition of      SPE/IADC Drilling Conference en New Orlans,
ne aplicaciones específicas y limitadas por las condi-      los fluidos inyectados de la superficie hasta el ya-    the SPE, en San Francisco, Octubre 5-8, 1983.             Louisiana, Marzo 12-15, 1996.
ciones del material y de su respuesta en su manejo.         cimiento.
                                                                                                                    8. L.B. Hilbert Jr. Y I.A. Kalil, "Evaluation of          16. Eiji Tsuru, Kazushi Maruyama, Ryuichi Inowaki
Tipos de tuberías                                           Tuberías de perforación                                 Premium threaded Connections Using Finite-                y Tetsuro Tochikawa; "Allowable Torque of Tubular
                                                                                                                    element Anaylis and Full-Scale Testing", Documen-         Connection Under Simulated Running and Working
El uso de tuberías en un pozo es de vital importan-         Las tuberías de perforación son los elementos           to IADC/SPE 23904 presentado en 1992 IADC/SPE             Conditions", documento SPE/IADC29353 presenta-
cia. Constituyen el medio por el cual garantizan el         tubulares utilizados para llevar a cabo los trabajos    Drilling Conference en New Orlans, Louisiana,             do en 1995 SPE/IADC Drilling Conference en
control del mismo y se aseguran las instalaciones           durante la operación de la perforación. Generalmente    Febrero 19-21, 1992.9. M.L. Paynes, H.L. Davis y          Amsterdam, Febrero 28, Marzo2, 1995.
para el mejor aprovechamiento y mantenimiento del           se les conoce como tuberías de trabajo, porque es-      P Pattillo, "Joint Industry Qualification Test program
                                                                                                                     .d.
pozo. Con el fin de entrar en materia, es importante        tán expuestas a múltiples esfuerzos durante las ope-    for     High-Clearance Casing Connections", docu-         17. Bruce D. Craig; "Evaluation and Application Of
mencionar que dentro de la ingeniería de perfora-           raciones de perforación del pozo.                       mento IADC/SPE 21908 presentado en 1991 IADC/             Highly Alloyed Materials for Corrosive Oil Production",
ción las tuberías juegan un papel fundamental y                                                                     SPE Drilling Conference en Amsterdam, Marzo 11-           artículo de american Society for Metals (Junio 1983)
cumplen diversas funciones. Por ello, se ha mane-           Ductos (tubería de línea)                               14, 1991.                                                 páginas 351-362.
jado una clasificación tanto por su objetivo como
por la función que deben cumplir al ser utilizadas          Se le conoce como ducto al elemento tubular (co-        10. G.F. Reynolds y P.d. Summurfield, "A New              18. Hart's petroleum Engineer International; "1995
en el interior de un pozo.                                  nocido como tubería de línea) utilizado para condu-     approach to the Desing of Threaded connections",          Tubing Guide" Junio 1995 Hart's Publications Inc.
                                                            cir los fluidos producidos del pozo hacia los centros   documento SPE 21739 presentado en 1991 en la
Clasificación por objetivo                                  de recolección, separadores, compresores o tan-         Production Operations Symposium en la Ciudad de           19. Grand Duncan; "Enhanced recovery enginering",
                                                            ques de almacenamiento. Son conductos que se co-        Oklahoma, Abril 7-9, 1991.                                World Oil, (Mayo 1995), Páginas 77-87.
Una clasificación preliminar, pero importante, es           nectan en la superficie a partir del cabezal o árbol
la que permite definir en qué se va a utilizar la           de válvulas del pozo.

4                                                                                                                                                                                                                               101
Tuberías                                                                                                                                                                                                            Tuberías




                                                                                                        Otros tubulares                                              de circulación del lodo de perforación. Es la de ma-
                                                                                                                                                                     yor diámetro que se utiliza en el pozo, pues a través
                                                                                                        Los elementos tubulares utilizados en las diferentes         de ella pasan todas las tuberías de revestimiento
                                                                                                        funciones mencionadas anteriormente pueden pre-              que se utilizan. En el mar, es la primera tubería que
                                                                                                        sentar variaciones catalogadas como otros elemen-            se extiende desde la plataforma hasta abajo del le-
                                                                                                        tos tubulares muy específicos. En su mayoría, se             cho marino (mudline).
                                     Tabla 6 Software utilizado para diseño de tuberías
                                                                                                        presentan para la actividad de perforación. Sin em-
                                                                                                        bargo, su muy particular aplicación los hace de in-          Superficial: Es la tubería que sirve para aislar los
      Software                       Compañía                                                           terés para mencionarlos:                                     acuíferos subsuperficiales o someros, así como
      StressCheck                    Enertech-Landmark                                                                                                               manifestaciones de gas someros. Provee equipo
      WellCat                        Enertech-Landmark                                                  Tuberías flexibles                                           de flotación, que permita realizar una buena
      DistrW                         Instituto Mexicano del Petróleo                                                                                                 cementación para continuar la perforación den-
      Casing2                        Maurer Engineering Inc.                                            Son conductos tubulares de gran longitud y flexibi-          tro de una zona de transición de alta presión. En
      Camax                          Pemex División Sur                                                 lidad que no requieren utilizar conexión o junta para        pozos desviados, la superficie de la tubería debe
                                                                                                        conformar todo un tren o sarta de tuberías. Es decir,        cubrir toda la sección construida para prevenir de-
                                                                                                        la tubería es continua, a diferencia de las tuberías         rrumbes de la formación durante la perforación
           CARACTERISTICA              StressCheck         WellCat       DistrW       Casing2   Camax   convencionales que requieren un elemento conector            profunda. Esta sarta es cementada típicamente
      Modelo API                                                                                        para unir tubo por tubo y lograr contar con una lon-         hasta la superficie o lecho marino (mudline) y sos-
      Modelo Biaxial                                                                                    gitud apropiada para el trabajo a realizar. La tubería       tiene las conexiones superficiales de control defi-
      Modelo Triaxial
                                                                                                        flexible es de dimensiones geométricas esbeltas              nitivas.
                                                                                                        (< 3 ½” de diámetro), aunque actualmente existen
      Pozos desviados
                                                                                                        de grandes dimensiones (7” de diámetro) y la ma-             Intermedia: Es la tubería que aísla zonas inesta-
      Flexión
                                                                                                        yoría de las veces se utiliza como tubería de trabajo        bles del agujero, zonas con pérdida de circulación
      Domo Salinos
                                                                                                        en procesos de recuperación avanzada durante la              de baja presión y zonas de producción. Se utiliza
      Temperatura/cedencia                                                                              vida productiva del pozo.                                    en la zona de transición de presión normal a pre-
      Slección gráfica                                                                                                                                               sión anormal. La cima del cemento de esta tube-
      Selección matemática                                                                              Lastrabarrenas (drill collars)                               ría debe aislar cualquier zona de hidrocarburo.
      Selección por usuario                                                                                                                                          Algunos pozos requieren de múltiples sartas in-
      Datos de Juntas                                                                                   Los elementos tubulares denominados lastrabarrenas           termedias.
      Datos de Tuberías                                                                                 son tuberías utilizadas para auxiliar a la tubería de per-
      Modelo API de Juntas                                                                              foración a dar peso a la barrena durante las operacio-       De explotación: Es la tubería que aísla zonas de
      Juntas premium                                                                                    nes de perforación.                                          producción y debe soportar la máxima presión de
      Efectos axiales                                                                                                                                                fondo de la formación productora, tener resisten-
      Carga máxima                                                                                      Tubería pesada (heavy weigth)                                cia a la corrosión así como resistir las presiones
      Service life                                                                                                                                                   que se manejarán en caso de que el pozo se frac-
      Análisis de pandeo                                                                                La tubería pesada (“heavy-weigth”) se compone de             ture para aumentar su productividad, el bombeo
      Diseño de centradores                                                                             elementos tubulares de grandes dimensiones                   mecánico (gas lift), la inyección de inhibidores
      Diseño de anclaje                                                                                 geométricas (espesor) que se utilizan como auxiliar          de aceite. El buen trabajo de cementación prima-
                                                                                                        entre la tubería de perforación y los lastrabarrenas.        ria es crítico para esta sarta.
      Diseño de corrida
                                                                                                        Con esto se evita la fatiga de los tubos durante la
      Análisis axial
                                                                                                        perforación.                                                 Existen tuberías de revestimiento que por su condi-
      Modelos de flujo hidráulico
                                                                                                                                                                     ción y objetivo de colocación pueden definirse
      Modelos de flujo multifásico                                                                      Clasificación por función                                    como:
      Modelos de Temperatura
      Modelo de Torque y arrastre                                                                       Las tuberías de revestimiento se clasifican por la fun-      Tubería corta (liners): Es una sarta de tubería que
      Modelo de Corrosión                                                                               ción que desempeñan al colocarse en el interior de           no se extiende a la cabeza del pozo. En cambio, se
                                                                                                        un pozo, esto es:                                            sostiene por otra sarta. La tubería corta se usa para
                                                                                                                                                                     reducir costos y mejorar la hidráulica durante per-
                                                                                                        Conductora: Es la primera tubería de revestimiento           foraciones profundas. La tubería corta puede ser
                                                                                                        que puede ser hincada o cementada; sirve para sen-           usada tanto en la sarta intermedia como en la de
                                                                                                        tar el primer cabezal en el cual se instalan las co-         explotación. La tubería corta es cementada típica-
                                                                                                        nexiones superficiales de control y las conexiones           mente a lo largo de toda su longitud.

100                                                                                                                                                                                                                  5
Tuberías                                                                                                                                                                                                               Tuberías




Complemento (TIE-BACK): Es una sarta de tubería          A continuación, se presentan algunos datos ca-           VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO                 La tabla 6 muestra las características de algunos
que proporciona integridad al pozo desde la cima         racterísticos de las tuberías utilizadas para la per-    DE TUBERÍAS                                              programas de cómputo que se utilizan para reali-
de la tubería corta hasta la superficie. Es un refuer-   foración de un pozo.                                                                                              zar el diseño de tubulares. Básicamente consis-
zo para la tubería de explotación. Si se tienen altas                                                             Los grandes avances tecnológicos alcanzados en los       ten en aplicaciones de software que se utilizan en
presiones protege de los fluidos corrosivos y            Tubería de perforación                                   últimos 15 años por la tecnología en materia infor-      los equipos denominados PC, y que tienen un ob-
refuerza la tubería de explotación en caso de que se     Los datos principales que deben conocerse sobre          mática (hardware y software), ha hecho posible la        jetivo específico cada uno de ellos. Sus ventajas
presenten daños. Puede cementarse parcialmente.          las tuberías de perforación son los siguientes: diá-     generación de herramientas de cálculo orientadas         y desventajas mostradas permite diagnosticar el
                                                         metro nominal, peso nominal, clase, grado, resis-        para el diseño y análisis de las diferentes aplicacio-   potencial de uso de cada uno de ellos para fines
Complemento corto (STUB): Es una sarta de tu-            tencia a la tensión, colapso y torsión.                  nes que nos ocupan en el ámbito de la ingeniería         de diseño de tuberías.
bería que funciona igual que el complemento. Pro-        La clase de tubo, se refiere al grado de usabilidad      de perforación. Canalizadas en forma apropiada es-
porciona integridad por presión para extender la         que ha tenido el tubo. El API divide las tuberías en     tas herramientas de cálculo, deben ser una fuente
cima de la tubería corta. Puede cementarse par-          clase I (tubería nueva), II, III y Premium. Un ejemplo   inmejorable de entendimiento y mejoría constante
cialmente.                                               de estas características se muestra en la tabla 1.       de la práctica de la ingeniería de perforación. Sin
                                                                                                                  embargo, son un arma de dos filos: en la carrera
Sin tubería de produccion (TUBINGLESS): Es una           Tuberías de revestimiento (TRs) y producción (TPs)       por automatizar los cálculos y finalmente los dise-
tubería de explotación que se extiende hasta la su-      Las características principales a observar en las tu-    ños, se cae en la situación de desligarnos del cono-
perficie y se utiliza como tubería de producción para    berías de revestimiento y tuberías de producción         cimiento básico de las cosas. Pero por otro lado, y
explotar los hidrocarburos.                              son: diámetro nominal, peso nominal, grado, drift,       benéfico, contamos con la "panacea" que nos re-
                                                         resistencia a la tensión, resistencia al colapso y re-   suelve los problemas de diseño.
La figura 1 muestra un esquema que representa la         sistencia al estallamiento. Un ejemplo de estos da-
forma como se colocan las tuberías de revestimien-       tos se muestra en la tabla 2.                            Dentro del desarrollo de tecnología de software y
to en el interior de un pozo.                                                                                     con aplicación al diseño de tuberías, existe una
                                                                                   Para obtener datos más         gran variedad de programas de cómputo de dife-
                                       TUBERÍA      COMPLEMENTO    SIN APAREJO     completos sobre las con-       rentes casas fabricantes. Los hay desde simples
  TUBERÍA DE       TUBERÍA
                                    COMPLEMENTO        CORTO    DE PRODUCCIÓN      diciones geométricas y         propuestas de cálculo para evaluar la resistencia
REVESTIMIENTO    CORTA ( LINER )
                                     ( TIE-BACK )      ( STUB )  ( TUBINGLESS )                                   de las tuberías, pasando por incipientes progra-
                                                                                   mecánicas y con mayor
                                                                                   detalle de las tuberías con-   mas de diseño, que cuentan con toda una meto-
                                                                                   sultar las referencias 1, 2,   dología y grandes simuladores para evaluar cual-
                                                                                   3, y 4.                        quier condición de carga de presión y temperatu-
                                                                                                                  ra. Hasta llegan tener sistemas expertos, que aho-
                                                                                   Proceso de fabricación         ra se comercializan para el diseño de tuberías de
                                                                                                                  revestimiento.
                                                                                   Debido a la importancia de
                                                                                   la tubería de acero en la      Aun cuando se ha alcanzado un grado de madurez en
                                                                                   perforación de pozos pe-       materia de diseño tubular y logrado un avance acele-
                                                                                   troleros, la fabricación       rado en materia de software, los programas de cálcu-
                                                                                   debe contar con caracte-       lo actuales realmente NO están preparados para reali-
                                                                                   rísticas de calidad extre-     zar un diseño. Son realmente excelentes herramien-
                                                                                   ma, acordes a los riesgos      tas de cálculo que nos permiten efectuar con mayor
                                                                                   y necesidades manejados        rapidez y precisión los cálculos y presentaciones grá-
                                                                                   en la Industria Petrolera.     ficas para analizar los mejores resultados. Carecen de
                                                                                                                  ese sentido común que debe aplicarse con criterio y
                                                                                   Existen tres procesos de       decisión, y que finalmente, hace la diferencia respec-
                                                                                   fabricación de tuberías: el    to a un verdadero programa de diseño. Por tal razón,
Figura 1 Esquemas representativos del uso de las tuberías de revestimiento         proceso sin costura, el        debemos ser precavidos con el uso de los programas
                                                                                   proceso con soldadura          de cómputo o herramientas de software, porque no
                                                                                   eléctrica-resistencia y el     debemos esperar que estos resuelvan el problema de
Datos de tuberías                                         proceso de soldadura eléctrica instantánea (flash).     diseño tubular. El problema de diseño en sí, todavía
                                                          El proceso más utilizado para suministrar la deman-     mantiene muchas situaciones de criterio, y el único
Los tubos utilizados en la industria petrolera de- da de tuberías dentro del ámbito de perforación (diá-          que puede replantearlas es precisamente, el ingenie-
ben cumplir con ciertas características metros desde 20” o menores) es sin lugar a dudas                          ro de perforación, nadie más.
geométricas y mecánicas dependiendo de su uso. la fabricación de tubería sin costura.

6                                                                                                                                                                                                                        99
Tuberías                                                                                                                                                                             Tuberías




                                                                                             Tabla 1 Características geométricas y mecánicas de la tubería de perforación
                                                                                               Diámetro       Peso        Clase     Grado    Tensión     Torsión    Resistencia
                                                                                               nominal      nominal                           *( lbf)    (ft-lbf)   al Colapso
                                                                                                 (pg)       (lb/pie)                                                    (psi)
                                                                                                 2 3/8        4.85           I       E75     98000        4760         10500
                                                                                                                            II       G105    151000       5810         11763
                                                                                                                         Premium     X95     136000       6090         12155
                                                                                                  3½         13.30           I       G105    452000      29520         13344
                                                                                                                            II       S135    382000      22160         13721
                                                                                                                         Premium     E75     153000      11090          8703
                                                                                                   4         14.00           I       X95     361000      29500         13721
                                                                                                                            II       S135    404000      27740         15592
                                                                                                                         Premium     G105    314000      25420         13866
                                                                                                  4½         20.00           I       E75     412000      36900         12546
                                                                                                                            II       S135    581000      44030         18058
                                                                                                                         Premium     G105    452000      40160         16042
                                                                                                   5         19.50           I       X95     501000      52140         12039
                                                                                                                            II       X95     395000      34460          9631
                                                                                                                         Premium     S135    561000      58110         15636
                                                                                                  5½         24.70           I       S135    895000      101830        17626
                                                                                                                            II       G105    548000      52370         11096
                                                                                                                         Premium     E75     391000      44320          9051
           Figura 98 Comportamiento de esfuerzo triaxial en diseño de TR del pozo prueba 3       6 5/8       25.20           I       E75     489000      70580          6542
                                                                                              * lbf = libras fuerza

                                                                                             Tabla 2 Características geométricas y mecánicas de la tubería de revestimiento y
                                                                                                     tubería de producción
                                                                                               Diámetro       Peso       Grado    Diámetro   Diámetro     Resistencia    Tensión
                                                                                               nominal      nominal                 Drift     Interior    al Colapso    (1000 lbf)
                                                                                                 (pg)        (lbf/ ft)               (pg)       (pg)          (psi)
                                                                                                  4½           9.50      H-40      3.965       4.090          2760          111
                                                                                                              11.60      K-55      3.875       4.052          4010          165
                                                                                                              15.10      P-110     3.701       3.826         14350          485
                                                                                                   5          11.50       J-55     4.435       4.560          3060          182
                                                                                                              15.00      N-80      4.283       4.408          7250          350
                                                                                                              24.10      P-110     3.875       4.000         19800          778
                                                                                                  5½          14.00       J-55     4.887       5.012          3120          222
                                                                                                              17.00      K-55      4.767       4.892          4910          273
                                                                                                              20.00      P-110     4.653       4.778         11100          641
                                                                                                 6 5/8        20.00      H-40      5.924       6.049          2520          229
                                                                                                              24.00      C-90      5.796       5.921          6140          624
                                                                                                              24.00      P-110     5.796       5.921          6730          763
                                                                                                   7          17.00      H-40      6.413       6.538          1420          196
                                                                                                              23.00      L-80      6.241       6.366          3830          532
                                                                                                              35.00      P-110     5.879       6.004         13020         1119
                                                                                                 7 5/8        47.10      N-80      6.250       6.375         12040         1100
                                                                                                              26.40      C-95      6.844       6.969          3710          714
                                                                                                              29.70      P-110     6.750       6.875          5350          940
           Figura 99 Comportamiento axial en diseño de TR para el pozo prueba 3                  8 5/8        24.00      K-55      7.972       8.097          1370          381
                                                                                                              36.00      L-80      7.700       7.825          4100          827
                                                                                                              49.00      P-110     7.386       7.511         10750         1553


98                                                                                                                                                                                    7
Tuberías                                                                                                                                                                 Tuberías




                  9 5/8     32.30    H-40    8.845      9.001        1370         365
                            36.00    K-55    8.765      8.921        2020         564
                            53.50    P-110   8.379      8.535        7950        1710
                  10 ¾      32.75    H-40    10.036     10.192        840         367
                            51.00    C-90    9.694      9.850        3400        1310
                            65.70    P-110   9.404      9.560        7500        2088
                  11 ¾      60.00    C-75    10.616     10.772       3070        1298
                            60.00    L-80    10.616     10.772       3180        1384
                            60.00    C-90    10.616     10.772       3180        1384
                  13 3/8    72.00    G-90    12.191     12.347       2780        1869
                            72.00    C-95    12.191     12.347       2820        1973
                            72.00    P-110   12.191     12.347       2890        2284
                    16      65.00    H-40    15.062     15.250        630         736
                            75.00     J-55   14.936     15.124       1020        1178
                            84.00    K-55    14.822     15.010       1410        1326
                  18 5/8    87.50    H-40    17.567     17.775        630         994
                            87.50     J-55   17.567     17.775        630        1367
                            87.50    K-55    17.567     17.775        630        1367
                    20      94.00    H-40    18.936     19.124        520        1077
                            94.00     J-55   18.936     19.124        520        1480
                            133.00   K-55    18.542     18.730       1490        2125



TAMSA es la compañía mexicana productora de tu-       cuenta con el sistema EBT y consiste en el vaciado       Figura 96 Diseño de TR por carga axial, pozo prueba 3
berías sin costura que satisface la demanda de        excéntrico en el fondo de la olla. Así se ayuda a evi-
tubulares para Petróleos Mexicanos. Todos sus pro-    tar la oxidación del acero durante el vaciado, por lo
cesos de fabricación están totalmente automatiza-     que en la olla de fusión quedarán 20 toneladas de
dos. Su programa de aseguramiento de calidad pro-     acero con escoria, para obtener acero de alta cali-
vee rastreabilidad completa desde el número de co-    dad. En los hornos, la composición química se
lada original, de tal manera, que un cliente puede    monitorea por computadoras para ajustar automáti-
obtener información actualizada de su pedido en       camente la carga de ferroaleaciones.
cualquier momento. El proceso que a continuación
se describe es aplicado en esta compañía.             En el horno de afinación, la computadora calcula la
                                                      adición de ferroaleaciones y por medio de micropro-
En 1987 esta empresa construyó una nueva acería,      cesadores, se controla automáticamente la tempe-
en la cual se producen 700,000 toneladas métricas     ratura y otras variables. Al mismo tiempo, es inyec-
de acero anualmente. Fabrica tubos sin costura de     tado gas argón para homogeneizar la composición
hasta 14 pulgadas de diámetro exterior en el          química del acero. El tratamiento con calcio silicio
laminador continuo. La acería cuenta con sistemas     se utiliza para controlar la forma de las inclusiones.
que permiten un alto control de los procesos de fu-   Los elementos microaleantes son dosificados por la
sión, afinación y colada continua de barras de sec-   adición de alambre. Esto permite una gran preci-
ción redonda. Produce acero limpio en una amplia      sión en la composición química del acero; la cual es
variedad de composiciones químicas.                   analizada a través del espectómetro. Durante la afi-
                                                      nación del acero, la computadora calcula en función
La producción de tubería se realiza mediante acero    de los nuevos análisis, y proporciona la información
de calidad por fusión de fierro esponja y chatarra    para adicionar la cantidad de ferroaleaciones reque-
seleccionada en un horno eléctrico de 170 tonela-     ridas y obtener la composición química deseada.
das por colada, capaz de fundir a un tiempo prome-
dio de 105 minutos. El fierro esponja (casi fierro    Durante el proceso de la colada continua, se evita       Figura 97 Diseño de TR por estallamiento, pozo prueba 3
puro), resulta limpio con bajos contenidos de ele-    que la olla del acero deseado tenga contacto con la
mentos residuales en el acero. En este horno se       atmósfera. Así se evitan la oxidación y la contami-

8                                                                                                                                                                         97
Tuberías                                                                                                                                                                        Tuberías




                                                                    nación en el momento del vaciado al distribuidor. El      partículas magnéticas húmedas antes de maquinarse
                                                                    distribuidor ha sido diseñado con deflectores espe-       las roscas, de acuerdo con las normas API. En el cuar-
                                                                    ciales para evitar turbulencias y la mezcla de la es-     to de patrones y calibres, la calibración se programa
                                                                    coria con el acero.                                       para verificar los instrumentos y calibradores de tra-
                                                                                                                              bajo contra los patrones, así como todo el equipo de
                                                                    El laminador continuo a mandril retenido permite          inspección, medición y prueba.
                                                                    obtener una precisión dimensional en la tubería que
                                                                    cumple con tolerancias extremadamente estrictas.          Para la certificación de cada tubo fabricado dentro
                                                                    En laminación y en la línea de tratamiento térmico        de las normas API se realiza un monitoreo de todas
                                                                    los hornos han sido equipados con computadoras            las etapas del proceso de fabricación, con la ayuda
                                                                    que con los modelos de cálculo, controlan la              de los laboratorios, que son: químico (acería), físi-
                                                                    rastreabilidad y el calentamiento. Para protección        co (tensión), metalográfico (estructura del acero) y
                                                                    durante el embarque, manejo y transporte, los tu-         prueba de colapso (valor real de colapso). También
                                                                    bos se barnizan y se les instalan sus protectores en      TAMSA cuenta con la Norma Internacional ISO 9000.
                                                                    las roscas.                                               En la figura 2 se muestra el proceso de fabricación.

                                                                    Durante el laminado a mandril retenido, se produ-         A continuación se detallan los pasos del proceso de
                                                                    cen espesores de pared extremadamente uniformes,          la fabricación de tubería sin costura.
                                                                    ésta es una variable ideal para tuberías resistentes
                                                                    al alto colapso, que es verificado a través de un equi-   Materia prima: La materia prima usada en la fabri-
                                                                    po de rayos láser que proporciona mediciones rápi-        cación de tubería es, básicamente, un 30% de fie-
                                                                    das y precisas. Así se obtiene un producto con tole-      rro esponja (fierro natural) y un 70% chatarra.
           Figura 94 Factores de trabajo para TR en pozo prueba 3   rancias estrictas en el diámetro exterior y baja
                                                                    ovalidad.                                                 Acería: Es un proceso que consta de 3 etapas: fu-
                                                                                                                              sión, afinación y vaciado. En la figura 3 se muestra
                                                                    Durante el tratamiento térmico de temple y revenido       el flujo de proceso de la acería.
                                                                    se obtienen propiedades mecánicas óptimas en las
                                                                    tuberías resistentes al alto colapso. El temple por       Fusión: La materia y ferroaleaciones se calientan
                                                                    inmersión se realiza tanto de modo interno como           hasta alcanzar una temperatura cercana a los 1620°C.
                                                                    externo. Esto produce una completa transformación         En ese punto, el acero se encuentra en estado líqui-
                                                                    martensítica a través de todo el espesor del cuerpo       do, la inyección de argón se realiza por la parte in-
                                                                    del tubo. Durante el revenido se consiguen propie-        ferior de la olla de fusión, con la finalidad de homo-
                                                                    dades mecánicas homogéneas y en el enderezado             geneizar la composición química del acero.
                                                                    en caliente, se obtienen productos con bajos esfuer-
                                                                    zos residuales. Pruebas de laboratorio han demos-         Afinación: Después de realizar el vaciado de la olla de
                                                                    trado que en tuberías con espesores delgados, su          fusión a la olla de afinación, con precisión, se realiza
                                                                    resistencia al colapso excede los requerimientos del      la afinación del acero mediante la adición de aleacio-
                                                                    API de aceros equivalentes, en aproximadamente            nes Así se obtiene el grado de acero requerido.
                                                                    un 30 por ciento.
                                                                                                                              Vaciado: Posteriormente, el acero de la olla de afi-
                                                                    Después del tratamiento térmico, se prueba en lí-         nación es llevado y vaciado al distribuidor para ob-
                                                                    nea la dureza de la tubería. El equipo de inspección      tener la colada continua.
                                                                    electromagnético verifica cada tubo a través de cua-
                                                                    tro funciones, buscando posibles defectos longitu-        Colada continua: El distribuidor de la colada continua
                                                                    dinales y transversales, así como el espesor y gra-       ha sido diseñado con deflectores especiales que evi-
                                                                    do de acero.                                              tan la turbulencia, con el propósito de obtener barras
                                                                                                                              de sección redonda, que finalmente son cortadas en
                                                                    Todos los productos tubulares se verifican con el paso    secciones de longitud conocida, dependiendo del diá-
             Figura 95 Diseño de TR al colapso, pozo prueba 3       del mandril (drift) y se prueban hidráulicamente. Tam-    metro de la tubería que se fabricará. Esta sección de
                                                                    bién se cuenta con equipo de verificación de ultraso-     acero es comúnmente llamada “tocho”. En la figura 4
                                                                    nido. Los extremos se inspeccionan por el método de       se muestran las barras redondas.


96                                                                                                                                                                               9
Tuberías                                                                                                                                                                                                         Tuberías




                                                                                                               Ejemplo de Diseño de Tubería de Revestimiento.   Fuga en el tubing
                                                                                                                                                                Pérdida de circulación
                                                                                                               Datos:                                           Jalón de 10000lbf
                                                                                                                                                                Vel. De Introducción: 3 ft/s
                                                                                                               Pozo: Prueba 1                                   Domo salino a 2133-2286, Gs=19.22ppg
                                                                                                               Diámetro de TR: 9 5/8"
                                                                                                               Profundidad: 3962.4 m                            Desviación el pozo:
                                                                                                               Costa afuera: 137 m de tirante de agua
                                                                                                                                                                H            Inc         Azim
                                                                                                               Estado mecánico:                                 0.0          0.00        0.00
                                                                                                               18 5/8" Conductor Casing       0-609.6           762.0        0.00        0.00
                                                                                                               13 3/8" Superficial Casing     0-1645.9          1447.8       45.00       0.00
                                                                                                               9 5/8" Producción Casing       0.0-2956.6        3962.4       45.00       0.00
                                                                                                               7"      Producción Liner       2804-3962.4       Diseño:

                                                                                                               Factores de diseño:                              Cima       base      Diám     Peso       Grado
                                                                                                               Axial:1.6                                        (m)        (m)       (pg)     (lb/p)
                                                                                                               Estallamiento:1.25                               0.0        944.9     9 5/8"   47.00      N-80
                                                                                                               Colapso:1.1                                      944.9      2468.9    9 5/8"   53.50      N-80
                                                                                                               Triaxial:1.25Geopresiones                        2468.9     2956.6    9 5/8"   58.40      P-110
                                                                                                               Eventos de carga:
                                                                                                                                                                Soporte:




      Figura 2 Proceso de fabricación de una tubería

                                                                    atmósfera y se procede al perforado.
                                                                    Se obtiene un esbozo cilíndrico. Este
                                                                    proceso es fundamental en la fabri-
                                                                    cación de tuberías sin costura y es lla-
                                                                    mado “Proceso Mannessmann”. Este
                                                                    esbozo se envía al mandril que con-
                                                                    tiene un lubricante (bórax), el cual es
                                                                    introducido al laminador continuo,
                                                                    que pasa a través de siete jaulas y
                                                                    calibradores. Ahí es donde se hace
                                                                    el tubo. Se obtienen longitudes de
                                                                    hasta 30 metros, con diámetro inte-
  Horno eléctrico de fusión    Horno de afinación  Vaciado de acero
                                                                    rior y exterior precisos, cumplien-
   Figura 3 Flujo del proceso de acería                             do con las tolerancias permitidas
                                                                    API. A la salida del calibrador, el diá-
                                                                    metro y la ovalidad son verificados
Laminado: El tocho entra al horno giratorio, que con- por medio de rayo láser y posteriormente el tubo
tiene nueve zonas de calentamiento, donde se al- es enviado a las cortadoras para dar el rango so-
canzan temperaturas de 1200°C en forma gradual. licitado. Por último, se envía al piso de enfriamien-
Al salir del horno, se envía al desescamador para to. En la figura 5 se muestra el proceso de lamina-                                                               Figura 93 Trayectoria del pozo prueba 3
                                                                                                                    Figura 92 Geopresiones del pozo prueba 3
eliminar la oxidación que sufre al contacto con la do continuo a mandril retenido.



10                                                                                                                                                                                                                95
Tuberías                                                                                                                                                                                                                                                                               Tuberías




                                        Factor de Trabajo Normalizado                  4. Aplicar el concepto de carga máxima.                                                Vaciado con boquilla refractaria

                             0      2           4                     6   8   10                                                                                              Control automático de velocidad

                        0
                                                                                       · Determinar los diferenciales de presión en cada                                      y nivel en distribuidor y molde

                                                                                       caso de carga                                                                          Control computarizado en
                                                                                                                                                                              enfriamiento
                                                    Fd=1.6                             · Definir los puntos máximos de carga
                      500                                                                                                                                                     Laboratorio Baumann
                                                                                       · Presión de estallamiento                                                             Barras redondas 215, 270, 310 y
                      1000                                                             · Presión de colapso                                                                   371 mm

                                                                                       · Carga axial
  Profundidad ( m )




                      1500                                                             · Triaxial
                                                                                       · Afectar las cargas máximas por los factores de
                      2000                                                             diseño

                      2500                                                             5. Selección de tuberías.

                      3000                                                             · Delimitar materiales por efectos ambien-
                                                                                       tales(H2S,CO2), aplicando NACE.
                      3500
                                                                                       · Determinar grado y peso de tuberías para cum-                                                                                 7 pases, 15100Kw, 11 motores de C.D.

                                                                                       plir las cargas máximas                                                                                                         Laminador extractor de 4 pases.
                      4000                                                                                                                                                                                             Controlado por MPR, conectados al sistema computarizado de regulación.
                                                                                       · Optimizar longitud y costo de las secciones
                                                                                                                                           Figura 4 Máquina de colada continua de barras redondas                      2 desescamadores en línea.

        Figura 90Factores de trabajo en sarta del pozo prueba 2                        6. Evaluar las tuberías seleccionadas.                                                                                          Desoxidación interior del perforado.
                                                                                                                                                                                                                       Uniformidad del espesor.
                                                                                                                                            Tratamiento térmico: Existen tres tipos de tratamien-
                                                                                                                                                                                                                       Baja excentricidad.
                                                                                   · Determinar factores de trabajos normalizados           tos térmicos: temple, revenido y normalizado. El tra-
                                    TP 3 ½”                                        · Verificar : factores normalizados > 1                  tamiento térmico de temple y revenido es utilizado                      Figura 5 Laminado continuo a mandril retenido. Tipo
                                                                                                                                            para tuberías de acero C75, L80, N80, TRC95, P110,                      M.P.M. (Multitand Pipe Mill)
                                                                                   7. Selección de juntas                                   TAC 110, Q125 y TAC140.
                                                                                                                                                                                                                 Prueba de Inspección electromagnética. Se hace con
                                                                                   · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de-    Temple: El tubo es llevado a un horno. Ahí se au-                    el equipo AMALOG IV, donde se detectan defectos
                                                                                                                                            menta gradualmente la temperatura hasta 860°C,                       longitudinales y transversales, internos y externos.
                                                                                     limitar el número de juntas
                                                                                                                                            esto modifica la estructura molecular del acero a                    Asimismo, se mide el espesor de la pared del cuerpo
                                   HW 3 ½”                                         · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de     una austenita. Posteriormente, el tubo se sumerge                    del tubo y se compara el grado de acero.
                                                                                     cada tipo de junta                                     súbitamente en agua a temperatura de 40°C, alte-
                                                                                   · Determinar factores de trabajo normalizados            rando la estructura molecular a una martensita, la                   Posteriormente se cortan los extremos del tubo y
                                                                                                                                            cual es dura y poco dúctil. En la figura 6 se muestra                se les maquinan los biseles. Para eliminar la rebaba
                                                                                   · Verificar: Factor normalizado > 1
                                                                                                                                            el tratamiento térmico de temple.                                    se sopletea el interior del tubo y se introduce el
                                                                                   · Seleccionar la junta considerando su costo                                                                                  calibrador (mandril o drift) a todo lo largo del tubo.
                                                                                                                                            Revenido: La tubería es introducida a un horno que
                                   DC 4 ¾”            3                            8. Revisión final del diseño                             aumenta gradualmente su temperatura hasta 550°C.                     Inspección electromagnética método de vía húme-
                                                      2                                                                                     El calor convierte la estructura molecular en una                    da: Debido a que en los extremos la tubería llevará
                                                                                   · Determinar condiciones de carga dinámicas              martensita revenida, que es dura y dúctil. Posterior-                la mayor carga, ambos extremos del tubo son ins-
                                                                agc




                                                     1                             · Determinar el efecto de cambios axiales en las         mente es recalibrado y enderezado en caliente. Se                    peccionados por el método de partículas magnéti-
                                                                                                                                            obtiene un producto con bajos esfuerzos residuales.                  cas para determinar posibles defectos longitudinales
                                                                                      tuberías(pandeo, térmico)
                                                                                                                                            En la figura 7 se muestra el horno de revenido.                      y transversales.
                                                                                   · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1
                                                          agc




                                                                                                                                            Normalizado: Es usado para los otros grados de tu-                   Roscado: Se realiza de acuerdo con las normas
                                                                                   9. Preparación del reporte final                         bería como: H40, J55, K55, etc. En este tratamiento                  del API, las cuales son verificadas con calibres es-
                       Dob.C Est 4 ¾” x 6”                                                                                                  el tubo es calentado sin llegar a la austenización de                trictos.
                                                                                   · Diseño de centradores                                  la estructura molecular del acero.
                                 Barrena 6 “                                       · Revisión de la corrida                                                                                                      Prueba hidrostática: El tubo se sumerge en una
                                                                                   · Diseño del anclaje de TR                               Acabado del tubo: Se realiza bajo la siguiente se-                   tina que contiene fluido y se colocan elastómeros
                                                                                   · Llenar formato preestablecido                          cuencia:                                                             en ambos extremos del tubo, donde se aplica una
                Figura 91 Esquema de sarta del pozo prueba 2                       · Anexar soportes del diseño


94                                                                                                                                                                                                                                                                                       11
Tuberías                                                                                                                                                                                                                                                     Tuberías




                                                                                                                                                                           Diseño de Sarta de Perforación
                                                                                                                                                                                              Carga axial ( kg )
                                                                                                                                             -50000                  0                50000                        100000              150000               200000
                                                                                                                                                                 0

                                                                                                                                                               500

                                                                                                                                                              1000




                                                                                                                         Profundidad ( m )
                                                                    Horno de Revenido                                                                         1500
      Horno de Austenización                                           62 toneladas por hora
           62 toneladas por hora                                       22 zonas de calentamiento                                                              2000
           9 zonas de calentamiento                                    3 zonas de homogeneización
           3 zonas de homogeneización                                  vigas móviles de 55 espacios
                                                                                                                                                              2500                                                                                       Flotada
           vigas móviles de 45 espacios                                pirometros ircon con registro                                                          3000                                                                                       Aire
           60 quemadores a gas natural                                 precisión de temperatura horno +/- 5°C                                                                                                                                            S-135
           sistema de computación y regulación computarizados                                                                                                 3500
                                                                       microestructura uniforme de martensita revenida
                                                                                                                                                                                                                                                         G-105
                                                                                                                                                              4000
                                                                    Figura 7 Horno de revenido                                                                                                                                                           X-95



                                                                Control final y embarque: Finalmente, el tubo se                                                                      CUARTA ETAPA
                                                                pesa y se mide. Así se tiene toda la información com-                                                                        INTERVALO DE 2800 a 3500 m.
                                                                pleta de rastreabilidad del tubo, para ser estarcido,                                                                       DENSIDAD DE LODO = 2.15 gr/cc.
                                                                estampado, barnizado y embarcado.                        TRAM. SECC                   DIAM     LONG      GRADO      P.AJUST         P.AIRE           P.FLOT   P.ACUM        APRIETE    RESIST.TENS.
                                                                                                                                                       pg       m                     kg/m            kg               kg       kg           pie/lbs      ton
                                                                En el estarcido se indican los datos del tubo como:                   3   1           4 3/4     35         DC        73,8            2584             1844    1844          54000
                                                                el diámetro exterior, peso unitario, mandril, lon-                    3   2           4 3/4     5,0       ESTAB      73,8            369               263    2107          54000
                                                                gitud, pruebas de inspección, manufacturado, nú-                     27    3          3.5      243         HW        40,0            9720             6934    9041          21800
                                                                                                                                     238    4         3 1/2    922       T P S135    21,9           20154             14377   23418         12600         161
                                                                mero de colada, orden de producción y número                         18    4          4 1/2    162       T P G105    28,1            4551             3247    26665         16546         149
                                                                de tubo.                                                             102    4         5        2138      T P X95     31,9           68208             48658   75323         19919         156
                                                                                                                                      TOTAL                    3505                                 105586            75323   75323
                                                                En la figura 8 se muestra el flujo del proceso de aca-
      Tina de temple por Inmersión                              bado del tubo (proceso de pesado, medición,
           Templado externo e interno                           estarcido y estampado).                                  PESO SARTA EN EL AIRE = 105586 Kg
           Máxima longitud del tubo 14.5m
                                                                                                                         PESO SARTA EN EL LODO = 75323 Kg
                                                                                                                         MARGEN PARA JALAR = 81 ton
           99% de transformación martensítica                   El control final es la última inspección detallada del
           Dureza homogénea a través del espesor                tubo, este control puede ser:
           Control de presión y temperatura de agua                                                                                           Figura 89 Comportamiento axial, pozo prueba 2
                                                                ×     Inspección electromagnética (EMI); consiste en
     Figura 6 Tratamiento de temple                                   medición longitudinal, rayos gama, inspección
                                                                      transversal y comparador de grado de acero.

presión interna del 80% de su capacidad durante                 ×     Prueba ultrasónica (UT); consiste en espesor de
cinco segundos, de acuerdo con la norma del                           pared y detección de posibles defectos longitu-
API 5CT.                                                              dinales, transversales y oblicuos.


12                                                                                                                                                                                                                                                              93
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Tomo05 tuberias

  • 1. Tuberías Tuberías Tuberías ÍNDICE página INTRODUCCIÓN 3 I. CONCEPTOS GENERALES 3 ¿Qué es una tubería? 3 Acero 4 Clasificación por objetivo 4 Clasificación por función 5 Datos de tuberías 6 Proceso de fabricación 6 Propiedades mecánicas 16 Conexiones o juntas 18 Tipos de juntas 19 Proceso de maquinado 22 Estándares sobre tuberías 25 Diseño de sartas de tuberías 28 Retrospectiva de métodos 30 II. CAPACIDAD DE RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS 32 Condiciones de falla 32 Cedencia 33 Colapso 34 Estallamiento 40 Tensión 40 Fallas por carga de presión 46 Ejemplos de fallas en tubulares 47 Diagrama de capacidad de juntas 54
  • 2. Tuberías Tuberías in Agnormally Pressured Wells", documento IADC/ SPE 17178 presentado en 1988 IADC/SPE Drilling III. CONDICIONES DE CARGA 55 Conference en Dallas, Tx, Febrero 28, Marzo 2, 1988. Eventos de carga 56 38. H. Ramos y D. Hernández; "Investigación del fe- Cargas de presión 57 nómeno de colapso en tuberías de revestimiento y de producción", Villahermosa, Tab, Agosto 1999. Perfiles de presión externa 58 Perfiles de presión interna 59 39. Sandvik Stell; "Sandvik Steel Corrosion Handbook Cargas axiales 61 Stainless Steels", Suiza 1994. Cargas no axiales (formaciones plásticas) 64 40. H. Kinsel, T. Koithan y B. Lirette; "A new Approach Cargas triaxiales 64 to Calculate the Optimum Placement of Centralizers, Efectos axiales 64 includes toque and Drag Predicions", documento Corrosión 69 IADC/SPE 36382, presentado 1996 IADC/SPE Asia Condiciones iniciales de carga 70 Pacific Drilling Technology Conference en Kaula Malasia, Septiembre 9-11, 1996. IV. SELECCIÓN DE TUBULARES 73 41. Applied Drilling Enginering, SPE Text Book Series, Vol 2.0, Bourgoyne, Adam T, 1991. Métodos de selección 74 42. Beggs; "Production Optimization", Using NODAL Selección de juntas 75 Analysis, H.D. 1991. Selección hidráulica de tubería de producción 76 Análisis de torque y arrastre 81 43. Effect of wear and Bending on Casing Collapse Ancalado de TR 82 Strength, Kuriyama, Y.T., 1992. Centradores de tuberías de revestimiento 83 44. Minimum Cost Casing Design, Halal, A.S. SPE 36448, 1994. V. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO MECÁNICO 85 45. Economides, Watters, dunn Norman "Petroleum Well Construction", John Wiley, 1998. Tubería de producción 85 Procedimiento de diseño 85 46. Benito Ortiz Sánchez, "Diseño de aparejos de Eventos de carga 86 Producción por Metalurgia", División de Estudios de Diseño de sartas de perforación 88 Posgrado, Facultad de Ingeniería UNAM. Octubre 1991. Los aparejos de fondo convencionales 90 Método de flotación de Lubinski 90 47. Fitzgerald; "Mecánica de Materiales", Edición Método de Paslay y Dawson 91 revisada, Editorial Alfaomega. Ejemplo de diseño de una sarta de perforación 92 48. Bruce D. Craig "Saour-Gas Design Considerations", VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO DE TUBERÍAS 99 Monograph Volume 15, SPE, Henry L. Doherty Memo- rial Fund of AIME Series, Richardson Texas, Primera Edi- ción 1993. REFERENCIAS 101 2 103
  • 3. Tuberías Tuberías 20. T. Xu, R.G. Bea, R. Ramos, O. Valle y V. Valdes; "Uncertainties in the Fatigue Lives of tubular Joints", With a Finite-Element Method", SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), páginas 103-106. Tuberías documento OTC 10848 presentado en 1999 por el. Offshore Technology Conference en Houston, Texas, 29. K.K. Biegler, "Concluions Based on Laboratory Mayo 3-6 1999. Tests of Tubing and Casing Connections", documen- to SPE 13067 presentado en 1984 SPE 50º Annual 21. H. Ramos y D. Hernández; "Colapso en Tuberías Technical Conference and Exhibition en Houson, de Revestimiento y de Producción", Horizonte Tec- Texas, Septiembre 16-19, 1984. nológico, Octubre-Diciembre 1998. 30. R:M: Hackney, ¡A New Approach to Casing 22. R.A. Sukup y V.C. Estes; "How new tools were Desing for Salt Formations", documento SPE/IADC INTRODUCCIÓN used to repair HPHT sour gas producer", World Oil, 13431 presentado en 1985 en la SPE/IADC Drilling Básicamente el diseño de tuberías se fundamenta Julio 1994, páginas 37-42. Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 6-8, Este capítulo presenta los elementos conceptuales re- en dos factores principales: el conocimiento del ma- 1985. lacionados con las tuberías utilizadas en los pozos pe- terial (capacidad de resistencia) y el conocimiento 23. Yukihisa Kuriyama y Toshitaro Mimaki; "A New troleros, a fin de propiciar el mejor aprovechamiento de las condiciones de esfuerzos (cargas) a los que Formula for Elosto-Plastic Collapse Strength of Thick- 31. J.A. Issa y D.S. Crawford, "An Improved Desing sobre las mismas y fortalecer la práctica de la ingenie- van a estar sujetas las tuberías. El primer factor abar- Walled Casing", documento SPE 28327 presentado Equiation for Tubular collapse", documento SPE ría de perforación. Fundamenta técnicamente el dise- ca desde su fabricación hasta el desempeño mecá- en 1994 en la SPE 69º Annual Technical Conference 26317 presentado en 1993 en el 68º Annual technical ño (o selección) de las diferentes tuberías utilizadas. nico. Es la base para reconocer la capacidad de una and Exhibition en New Orleans, LA, Septiembre 25- Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, tubería. El segundo factor significa el conocimiento 28, 1994. Octubre 3-6, 1993. Como parte de los insumos que demanda un pozo, teórico y experimental necesario para ser capaces las tuberías representan un alto porcentaje en el cos- de predecir las condiciones de trabajo o de carga 24. A.S. Halal y R.F Mitchell, "Casing Desing for Trapped . 32. W.T. Jones y N. Dharma; "Standarisation of to del mismo. Se tienen estimaciones generales de que se presentarán en un pozo y en consecuencia, Annular Pressure Buildup", documento SPE Drilling Tubuluar Goods for Wowldwide Application", docu- que varía del 15 al 30% de la inversión total. Por lo que soporte una tubería. and Completion, Junio 1994. Páginas 107-114. mento SPE 25328, presentado en la SPE Asian Pacific tanto, es importante considerar el costo de las tu- Oil and Gas Conference, en Singapore, Febrero 8- berías. El tema merece atención especial. Por lo anterior, el material se ha dividido en tres A. MacEachran, y A.J. Adams; "Impact on Casing 10, 1993. partes: en la primera se presenta todo lo relacio- Desing of Thermal Expansion of Fluids in Confined Las bases de todo proceso de ingeniería recaen en nado con el material “tubo”. Es decir, su proceso Annuli" documento SPE/IADC 21911, presentado en 33. F Klementich y Michael J.Jellison; "Service-Life . los fundamentos técnicos. Sin embargo, se requie- de fabricación, las propiedades mecánicas, y la 1991 SPE/IADC Drilling Conference en Amsterdam, Model for Casing Strings", SPE, Abril 1986, páginas re observar sistemáticamente la disminución de los forma de evaluar su capacidad de resistencia. En Marzo 11-14, 1991. 141-152. costos asociados en cada proceso. Por lo que en la una segunda parte se presentan las diferentes al- práctica de la ingeniería de perforación, se deben ternativas para determinar las distintas condicio- 25. L.D. Keilty y H. Rabia, "Applying Quantitative Risk 34. J.F. Greenip Jr. "How to Desing Casing Strings definir y optimizar los materiales tubulares que de- nes de carga. Se inicia por la definición de las Assessment to Casing Desing", documento IADC/ For Horizontal Wells" 1989 petroleum Engineer ben utilizarse en un pozo. cargas y se termina por definir la forma de eva- SPE 35038 presentado en 1996 IADC/SPE Drilling International, Houston, Texas, Diciembre 1989, pá- luarlas. En una tercera parte, se presentan las téc- Conference en New Orleans, Louisiana, Marzo 12- ginas 34-38. El diseño de un pozo requiere la aplicación y cono- nicas de selección de los materiales, criterios y 15, 1996. cimiento de una diversidad de técnicas y procedi- metodologías de diseño. 35. I.S. Meghani; "Calculating leak performance for mientos. Éstos, bien aplicados y orientados con la 26. Marshall, H. Asahi y M. Ueno; "Revised Casing- API casing connections" 1984 String Desing premisa de minimizar costos, conducen a definir las I. CONCEPTOS GENERALES Desing Crieteria for Exploration Wells Containing Seminary-by-Mail, Hydriil; World Oil, Junio 1984. especificaciones de los materiales y parámetros de H2S" SPE Drilling and Completion, (Junio 1994), operación óptimos para aplicar en un pozo. Como ¿ Qué es una tubería? páginas 115-118. 36. API Spec 5AX, "High-Strength, Casing, Tubing parte de este proceso, el diseño de las tuberías es Una tubería es un elemento cilíndrico hueco com- and Drill Pipe", american Petroleum Institute, Was- una actividad que debe ser recurrente en la práctica puesto generalmente de acero, con una geometría 27. Yukihisa Kuriyama, T. Mimaki y Tetsuo hington, D.C- Tenth Edition, Marzo 1976. de ingeniería de perforación. Cada pozo presenta definida por el diámetro y el espesor del cuerpo que Yonezawa; "Effect of Wear and Bending on Casing un comportamiento diferente para su operación y lo conforma. Para fines prácticos, se define median- Collapse Strength", documento SPE 24597 presen- A. Baryshnikov, A. Caderoni, A. Ligrone y P Ferrara, . construcción. te una geometría homogénea e idealizada. Es decir, tado en 1992 SPE 67º Annual Technical "A New Approach to the Analysis of Drillstring Fati- un diámetro nominal y un espesor nominal cons- Conference and Exhibition en Washington, DC, gue Behavior", documento SPE Drilling and El material expuesto en este libro incluye los tec- tante en toda su longitud. Sin embargo, la realidad Octubre 4-7, 1992. completion, Junio 1997. Páginas 77-84. nicismos más usuales que deben incorporarse es que no existe una tubería perfecta geomé- en el proceso de diseño de tuberías. La idea es tricamente. Adolecen de ciertas imperfecciones que 28. Freda Akgun, Bill J. Mitchell y H-Peter Huttelmaire; 37. A.P Vorenkamp; "A Theory of Resultant Burst .A. mejorar y consolidar la práctica de ingeniería de serán tratadas más adelante, como la ovalidad y la "API Tubular Ovality and Stresses in Horizontal Wells Loads for Designing Production Casing: Principally perforación entre los estudiantes. excentricidad. 102 3
  • 4. Tuberías Tuberías Acero tubería. Es decir, la función de operación que Referencias debe cumplir, para ello, las tuberías se clasifi- 11. J.J. Maney y c.a. Strozier, "High-Temperature El acero es un metal refinado. Se obtiene a partir de can como: 1. "Halliburton Cementing Tables", Printed in USA Performance of Rotary-Shoyldered Connections", la fundición de un lingote de hierro combinado al 2XJ, Little's- Duncan, Okla, 1999. documento SPE 19554 presentado en 1989 en el 64º mismo tiempo con otros elementos químicos. Tuberías de revestimiento Annual Technical Confererence y Exhibition of the 2. "Productos Tubulares de Acero sin Costura", Tu- SPE, en San antonio, Tx, Octubre 8-11, 1989. Los aceros se dividen en ordinarios y especiales. Son tuberías que constituyen el medio con el cual bos de Acero de México, S.A. 1998. Los aceros ordinarios contienen tres elementos prin- se reviste el agujero que se va perforando. Con 12. Y. W Know y E.F. Klementich, "An Efficent and cipales: hierro, carbono y manganeso. El carbono y ello se asegura el éxito de las operaciones lleva- 3. "Formulaire du Foreur" Gilles Gabolde, Jean Paul Accurate Model for the Structural Analysis of el manganeso reunidos no representan más del das a cabo durante las etapas de perforación y Nguyen, Sexta Edición IFP Editorial Technip 1989. , Threaded Tubular Connections", documento SPE 1.5% del metal. Los aceros ordinarios con el 0.1 a terminación del pozo. 18057 presentado en 1988 en el 63º Annual Technical 1.5% de carbono se clasifican como aceros de bajo 4. "Applied Drilling Engineering", Bourgoyne, Millheim, Conference y Exhibition of the SPE, en Houston, Tx, contenido de carbono. Los aceros especiales se El objetivo de las tuberías de revestimiento es pro- Chenevert, Young., Second Printing, Society of Octubre 2-5, 1998. hacen como los ordinarios, pero se les agregan otros teger las zonas perforadas y aislar las zonas proble- Petroleum Engineers, Richardson, TX; 1991. elementos tales como: níquel, cromo, molibdeno, máticas que se presentan durante la perforación. Tal 13. M. F. Hainey, "Makeup Torques for API-Type cobre, vanadio y tungsteno. es el caso de revestir el agujero para mantener la 5. J.A. Bednarski y E.F. Flementich; "Focused Round Thread Casing Connections With Non-API estabilidad del mismo, prevenir contaminaciones, Acceptance Testing: A Logical Approach for Qualifying Weights, Grades, and Coupling Diameters", docu- Tanto los aceros al carbono como los especiales aislar los fluidos de las formaciones productoras, Critical Service Conections", documento IADC/SPE mento SPE 15517 presentado en 1986 en el 61º (aceros inoxidables, aceros resistentes a la corro- controlar las presiones durante la perforación y en 14728 presentado en 1986 IADC/SPE Drilling Annual Technical Conference y Exhibition of the SPE, sión y a las altas temperaturas), se producen en la vida productiva del pozo. Conference en Dallas, Tx, Febrero 10-12, 1986. en New Orlans, LA, Octubre 5-8, 1986. hornos eléctricos. Además, las tuberías de revestimiento proporcio- 6. Rick Johnson, Michael J. Jellison y Erich F. 14. G.M. Armstrong, and T.M. Wadworth; "Failure Otros materiales tubulares nan el medio para instalar las conexiones superfi- Klementich; "Triaxial-Load-capacity Diagrams Prevention by Selection and Analysis of Drillstem ciales de control (cabezales, BOPs), los empacadores provide a New Approach to Casing and Tubing Connections", documento SPE/IADC 16075 presen- La fabricación de tuberías se ha diversificado y extendi- y la tubería de producción. desing Analysis", artículo de la SPE drilling tado en 1987 SPE/IADC Drilling Conference en do para satisfacer la demanda de las diferentes in- Engineering, (Septiembre 1987) páginas 268-274. New Orlans, LA, Marzo 15-18, 1987. dustrias que las utilizan como insumo. Es por ello que Tuberías de producción en la actualidad obtenemos tuberías con diferentes 7. K.K. Biegler, Exxon Co. USA y C.W. Petersen, "Rating 15. Mac Thomas y J.E. Smith; "Box OD Stability of calidades en los materiales que la componen. Tal es el Las tuberías de producción son el elemento Tubular connections for Today?s service Double Shoulder Tool Joints at Catastrophic Failure", caso de: tuberías de aluminio, tuberías de fibra de vi- tubular a través del cual se conducen hasta la su- Requirements", documento SPE 12205 presentado en documento SPE/IADC 35035 presentado en 1996 drio, tuberías de plástico, etc. Cada una de ellas tie- perficie los fluidos producidos de un pozo, o bien, el 58º Annual Technical Conference and Exhibition of SPE/IADC Drilling Conference en New Orlans, ne aplicaciones específicas y limitadas por las condi- los fluidos inyectados de la superficie hasta el ya- the SPE, en San Francisco, Octubre 5-8, 1983. Louisiana, Marzo 12-15, 1996. ciones del material y de su respuesta en su manejo. cimiento. 8. L.B. Hilbert Jr. Y I.A. Kalil, "Evaluation of 16. Eiji Tsuru, Kazushi Maruyama, Ryuichi Inowaki Tipos de tuberías Tuberías de perforación Premium threaded Connections Using Finite- y Tetsuro Tochikawa; "Allowable Torque of Tubular element Anaylis and Full-Scale Testing", Documen- Connection Under Simulated Running and Working El uso de tuberías en un pozo es de vital importan- Las tuberías de perforación son los elementos to IADC/SPE 23904 presentado en 1992 IADC/SPE Conditions", documento SPE/IADC29353 presenta- cia. Constituyen el medio por el cual garantizan el tubulares utilizados para llevar a cabo los trabajos Drilling Conference en New Orlans, Louisiana, do en 1995 SPE/IADC Drilling Conference en control del mismo y se aseguran las instalaciones durante la operación de la perforación. Generalmente Febrero 19-21, 1992.9. M.L. Paynes, H.L. Davis y Amsterdam, Febrero 28, Marzo2, 1995. para el mejor aprovechamiento y mantenimiento del se les conoce como tuberías de trabajo, porque es- P Pattillo, "Joint Industry Qualification Test program .d. pozo. Con el fin de entrar en materia, es importante tán expuestas a múltiples esfuerzos durante las ope- for High-Clearance Casing Connections", docu- 17. Bruce D. Craig; "Evaluation and Application Of mencionar que dentro de la ingeniería de perfora- raciones de perforación del pozo. mento IADC/SPE 21908 presentado en 1991 IADC/ Highly Alloyed Materials for Corrosive Oil Production", ción las tuberías juegan un papel fundamental y SPE Drilling Conference en Amsterdam, Marzo 11- artículo de american Society for Metals (Junio 1983) cumplen diversas funciones. Por ello, se ha mane- Ductos (tubería de línea) 14, 1991. páginas 351-362. jado una clasificación tanto por su objetivo como por la función que deben cumplir al ser utilizadas Se le conoce como ducto al elemento tubular (co- 10. G.F. Reynolds y P.d. Summurfield, "A New 18. Hart's petroleum Engineer International; "1995 en el interior de un pozo. nocido como tubería de línea) utilizado para condu- approach to the Desing of Threaded connections", Tubing Guide" Junio 1995 Hart's Publications Inc. cir los fluidos producidos del pozo hacia los centros documento SPE 21739 presentado en 1991 en la Clasificación por objetivo de recolección, separadores, compresores o tan- Production Operations Symposium en la Ciudad de 19. Grand Duncan; "Enhanced recovery enginering", ques de almacenamiento. Son conductos que se co- Oklahoma, Abril 7-9, 1991. World Oil, (Mayo 1995), Páginas 77-87. Una clasificación preliminar, pero importante, es nectan en la superficie a partir del cabezal o árbol la que permite definir en qué se va a utilizar la de válvulas del pozo. 4 101
  • 5. Tuberías Tuberías Otros tubulares de circulación del lodo de perforación. Es la de ma- yor diámetro que se utiliza en el pozo, pues a través Los elementos tubulares utilizados en las diferentes de ella pasan todas las tuberías de revestimiento funciones mencionadas anteriormente pueden pre- que se utilizan. En el mar, es la primera tubería que sentar variaciones catalogadas como otros elemen- se extiende desde la plataforma hasta abajo del le- tos tubulares muy específicos. En su mayoría, se cho marino (mudline). Tabla 6 Software utilizado para diseño de tuberías presentan para la actividad de perforación. Sin em- bargo, su muy particular aplicación los hace de in- Superficial: Es la tubería que sirve para aislar los Software Compañía terés para mencionarlos: acuíferos subsuperficiales o someros, así como StressCheck Enertech-Landmark manifestaciones de gas someros. Provee equipo WellCat Enertech-Landmark Tuberías flexibles de flotación, que permita realizar una buena DistrW Instituto Mexicano del Petróleo cementación para continuar la perforación den- Casing2 Maurer Engineering Inc. Son conductos tubulares de gran longitud y flexibi- tro de una zona de transición de alta presión. En Camax Pemex División Sur lidad que no requieren utilizar conexión o junta para pozos desviados, la superficie de la tubería debe conformar todo un tren o sarta de tuberías. Es decir, cubrir toda la sección construida para prevenir de- la tubería es continua, a diferencia de las tuberías rrumbes de la formación durante la perforación CARACTERISTICA StressCheck WellCat DistrW Casing2 Camax convencionales que requieren un elemento conector profunda. Esta sarta es cementada típicamente Modelo API para unir tubo por tubo y lograr contar con una lon- hasta la superficie o lecho marino (mudline) y sos- Modelo Biaxial gitud apropiada para el trabajo a realizar. La tubería tiene las conexiones superficiales de control defi- Modelo Triaxial flexible es de dimensiones geométricas esbeltas nitivas. (< 3 ½” de diámetro), aunque actualmente existen Pozos desviados de grandes dimensiones (7” de diámetro) y la ma- Intermedia: Es la tubería que aísla zonas inesta- Flexión yoría de las veces se utiliza como tubería de trabajo bles del agujero, zonas con pérdida de circulación Domo Salinos en procesos de recuperación avanzada durante la de baja presión y zonas de producción. Se utiliza Temperatura/cedencia vida productiva del pozo. en la zona de transición de presión normal a pre- Slección gráfica sión anormal. La cima del cemento de esta tube- Selección matemática Lastrabarrenas (drill collars) ría debe aislar cualquier zona de hidrocarburo. Selección por usuario Algunos pozos requieren de múltiples sartas in- Datos de Juntas Los elementos tubulares denominados lastrabarrenas termedias. Datos de Tuberías son tuberías utilizadas para auxiliar a la tubería de per- Modelo API de Juntas foración a dar peso a la barrena durante las operacio- De explotación: Es la tubería que aísla zonas de Juntas premium nes de perforación. producción y debe soportar la máxima presión de Efectos axiales fondo de la formación productora, tener resisten- Carga máxima Tubería pesada (heavy weigth) cia a la corrosión así como resistir las presiones Service life que se manejarán en caso de que el pozo se frac- Análisis de pandeo La tubería pesada (“heavy-weigth”) se compone de ture para aumentar su productividad, el bombeo Diseño de centradores elementos tubulares de grandes dimensiones mecánico (gas lift), la inyección de inhibidores Diseño de anclaje geométricas (espesor) que se utilizan como auxiliar de aceite. El buen trabajo de cementación prima- entre la tubería de perforación y los lastrabarrenas. ria es crítico para esta sarta. Diseño de corrida Con esto se evita la fatiga de los tubos durante la Análisis axial perforación. Existen tuberías de revestimiento que por su condi- Modelos de flujo hidráulico ción y objetivo de colocación pueden definirse Modelos de flujo multifásico Clasificación por función como: Modelos de Temperatura Modelo de Torque y arrastre Las tuberías de revestimiento se clasifican por la fun- Tubería corta (liners): Es una sarta de tubería que Modelo de Corrosión ción que desempeñan al colocarse en el interior de no se extiende a la cabeza del pozo. En cambio, se un pozo, esto es: sostiene por otra sarta. La tubería corta se usa para reducir costos y mejorar la hidráulica durante per- Conductora: Es la primera tubería de revestimiento foraciones profundas. La tubería corta puede ser que puede ser hincada o cementada; sirve para sen- usada tanto en la sarta intermedia como en la de tar el primer cabezal en el cual se instalan las co- explotación. La tubería corta es cementada típica- nexiones superficiales de control y las conexiones mente a lo largo de toda su longitud. 100 5
  • 6. Tuberías Tuberías Complemento (TIE-BACK): Es una sarta de tubería A continuación, se presentan algunos datos ca- VI. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE PARA DISEÑO La tabla 6 muestra las características de algunos que proporciona integridad al pozo desde la cima racterísticos de las tuberías utilizadas para la per- DE TUBERÍAS programas de cómputo que se utilizan para reali- de la tubería corta hasta la superficie. Es un refuer- foración de un pozo. zar el diseño de tubulares. Básicamente consis- zo para la tubería de explotación. Si se tienen altas Los grandes avances tecnológicos alcanzados en los ten en aplicaciones de software que se utilizan en presiones protege de los fluidos corrosivos y Tubería de perforación últimos 15 años por la tecnología en materia infor- los equipos denominados PC, y que tienen un ob- refuerza la tubería de explotación en caso de que se Los datos principales que deben conocerse sobre mática (hardware y software), ha hecho posible la jetivo específico cada uno de ellos. Sus ventajas presenten daños. Puede cementarse parcialmente. las tuberías de perforación son los siguientes: diá- generación de herramientas de cálculo orientadas y desventajas mostradas permite diagnosticar el metro nominal, peso nominal, clase, grado, resis- para el diseño y análisis de las diferentes aplicacio- potencial de uso de cada uno de ellos para fines Complemento corto (STUB): Es una sarta de tu- tencia a la tensión, colapso y torsión. nes que nos ocupan en el ámbito de la ingeniería de diseño de tuberías. bería que funciona igual que el complemento. Pro- La clase de tubo, se refiere al grado de usabilidad de perforación. Canalizadas en forma apropiada es- porciona integridad por presión para extender la que ha tenido el tubo. El API divide las tuberías en tas herramientas de cálculo, deben ser una fuente cima de la tubería corta. Puede cementarse par- clase I (tubería nueva), II, III y Premium. Un ejemplo inmejorable de entendimiento y mejoría constante cialmente. de estas características se muestra en la tabla 1. de la práctica de la ingeniería de perforación. Sin embargo, son un arma de dos filos: en la carrera Sin tubería de produccion (TUBINGLESS): Es una Tuberías de revestimiento (TRs) y producción (TPs) por automatizar los cálculos y finalmente los dise- tubería de explotación que se extiende hasta la su- Las características principales a observar en las tu- ños, se cae en la situación de desligarnos del cono- perficie y se utiliza como tubería de producción para berías de revestimiento y tuberías de producción cimiento básico de las cosas. Pero por otro lado, y explotar los hidrocarburos. son: diámetro nominal, peso nominal, grado, drift, benéfico, contamos con la "panacea" que nos re- resistencia a la tensión, resistencia al colapso y re- suelve los problemas de diseño. La figura 1 muestra un esquema que representa la sistencia al estallamiento. Un ejemplo de estos da- forma como se colocan las tuberías de revestimien- tos se muestra en la tabla 2. Dentro del desarrollo de tecnología de software y to en el interior de un pozo. con aplicación al diseño de tuberías, existe una Para obtener datos más gran variedad de programas de cómputo de dife- TUBERÍA COMPLEMENTO SIN APAREJO completos sobre las con- rentes casas fabricantes. Los hay desde simples TUBERÍA DE TUBERÍA COMPLEMENTO CORTO DE PRODUCCIÓN diciones geométricas y propuestas de cálculo para evaluar la resistencia REVESTIMIENTO CORTA ( LINER ) ( TIE-BACK ) ( STUB ) ( TUBINGLESS ) de las tuberías, pasando por incipientes progra- mecánicas y con mayor detalle de las tuberías con- mas de diseño, que cuentan con toda una meto- sultar las referencias 1, 2, dología y grandes simuladores para evaluar cual- 3, y 4. quier condición de carga de presión y temperatu- ra. Hasta llegan tener sistemas expertos, que aho- Proceso de fabricación ra se comercializan para el diseño de tuberías de revestimiento. Debido a la importancia de la tubería de acero en la Aun cuando se ha alcanzado un grado de madurez en perforación de pozos pe- materia de diseño tubular y logrado un avance acele- troleros, la fabricación rado en materia de software, los programas de cálcu- debe contar con caracte- lo actuales realmente NO están preparados para reali- rísticas de calidad extre- zar un diseño. Son realmente excelentes herramien- ma, acordes a los riesgos tas de cálculo que nos permiten efectuar con mayor y necesidades manejados rapidez y precisión los cálculos y presentaciones grá- en la Industria Petrolera. ficas para analizar los mejores resultados. Carecen de ese sentido común que debe aplicarse con criterio y Existen tres procesos de decisión, y que finalmente, hace la diferencia respec- fabricación de tuberías: el to a un verdadero programa de diseño. Por tal razón, Figura 1 Esquemas representativos del uso de las tuberías de revestimiento proceso sin costura, el debemos ser precavidos con el uso de los programas proceso con soldadura de cómputo o herramientas de software, porque no eléctrica-resistencia y el debemos esperar que estos resuelvan el problema de Datos de tuberías proceso de soldadura eléctrica instantánea (flash). diseño tubular. El problema de diseño en sí, todavía El proceso más utilizado para suministrar la deman- mantiene muchas situaciones de criterio, y el único Los tubos utilizados en la industria petrolera de- da de tuberías dentro del ámbito de perforación (diá- que puede replantearlas es precisamente, el ingenie- ben cumplir con ciertas características metros desde 20” o menores) es sin lugar a dudas ro de perforación, nadie más. geométricas y mecánicas dependiendo de su uso. la fabricación de tubería sin costura. 6 99
  • 7. Tuberías Tuberías Tabla 1 Características geométricas y mecánicas de la tubería de perforación Diámetro Peso Clase Grado Tensión Torsión Resistencia nominal nominal *( lbf) (ft-lbf) al Colapso (pg) (lb/pie) (psi) 2 3/8 4.85 I E75 98000 4760 10500 II G105 151000 5810 11763 Premium X95 136000 6090 12155 3½ 13.30 I G105 452000 29520 13344 II S135 382000 22160 13721 Premium E75 153000 11090 8703 4 14.00 I X95 361000 29500 13721 II S135 404000 27740 15592 Premium G105 314000 25420 13866 4½ 20.00 I E75 412000 36900 12546 II S135 581000 44030 18058 Premium G105 452000 40160 16042 5 19.50 I X95 501000 52140 12039 II X95 395000 34460 9631 Premium S135 561000 58110 15636 5½ 24.70 I S135 895000 101830 17626 II G105 548000 52370 11096 Premium E75 391000 44320 9051 Figura 98 Comportamiento de esfuerzo triaxial en diseño de TR del pozo prueba 3 6 5/8 25.20 I E75 489000 70580 6542 * lbf = libras fuerza Tabla 2 Características geométricas y mecánicas de la tubería de revestimiento y tubería de producción Diámetro Peso Grado Diámetro Diámetro Resistencia Tensión nominal nominal Drift Interior al Colapso (1000 lbf) (pg) (lbf/ ft) (pg) (pg) (psi) 4½ 9.50 H-40 3.965 4.090 2760 111 11.60 K-55 3.875 4.052 4010 165 15.10 P-110 3.701 3.826 14350 485 5 11.50 J-55 4.435 4.560 3060 182 15.00 N-80 4.283 4.408 7250 350 24.10 P-110 3.875 4.000 19800 778 5½ 14.00 J-55 4.887 5.012 3120 222 17.00 K-55 4.767 4.892 4910 273 20.00 P-110 4.653 4.778 11100 641 6 5/8 20.00 H-40 5.924 6.049 2520 229 24.00 C-90 5.796 5.921 6140 624 24.00 P-110 5.796 5.921 6730 763 7 17.00 H-40 6.413 6.538 1420 196 23.00 L-80 6.241 6.366 3830 532 35.00 P-110 5.879 6.004 13020 1119 7 5/8 47.10 N-80 6.250 6.375 12040 1100 26.40 C-95 6.844 6.969 3710 714 29.70 P-110 6.750 6.875 5350 940 Figura 99 Comportamiento axial en diseño de TR para el pozo prueba 3 8 5/8 24.00 K-55 7.972 8.097 1370 381 36.00 L-80 7.700 7.825 4100 827 49.00 P-110 7.386 7.511 10750 1553 98 7
  • 8. Tuberías Tuberías 9 5/8 32.30 H-40 8.845 9.001 1370 365 36.00 K-55 8.765 8.921 2020 564 53.50 P-110 8.379 8.535 7950 1710 10 ¾ 32.75 H-40 10.036 10.192 840 367 51.00 C-90 9.694 9.850 3400 1310 65.70 P-110 9.404 9.560 7500 2088 11 ¾ 60.00 C-75 10.616 10.772 3070 1298 60.00 L-80 10.616 10.772 3180 1384 60.00 C-90 10.616 10.772 3180 1384 13 3/8 72.00 G-90 12.191 12.347 2780 1869 72.00 C-95 12.191 12.347 2820 1973 72.00 P-110 12.191 12.347 2890 2284 16 65.00 H-40 15.062 15.250 630 736 75.00 J-55 14.936 15.124 1020 1178 84.00 K-55 14.822 15.010 1410 1326 18 5/8 87.50 H-40 17.567 17.775 630 994 87.50 J-55 17.567 17.775 630 1367 87.50 K-55 17.567 17.775 630 1367 20 94.00 H-40 18.936 19.124 520 1077 94.00 J-55 18.936 19.124 520 1480 133.00 K-55 18.542 18.730 1490 2125 TAMSA es la compañía mexicana productora de tu- cuenta con el sistema EBT y consiste en el vaciado Figura 96 Diseño de TR por carga axial, pozo prueba 3 berías sin costura que satisface la demanda de excéntrico en el fondo de la olla. Así se ayuda a evi- tubulares para Petróleos Mexicanos. Todos sus pro- tar la oxidación del acero durante el vaciado, por lo cesos de fabricación están totalmente automatiza- que en la olla de fusión quedarán 20 toneladas de dos. Su programa de aseguramiento de calidad pro- acero con escoria, para obtener acero de alta cali- vee rastreabilidad completa desde el número de co- dad. En los hornos, la composición química se lada original, de tal manera, que un cliente puede monitorea por computadoras para ajustar automáti- obtener información actualizada de su pedido en camente la carga de ferroaleaciones. cualquier momento. El proceso que a continuación se describe es aplicado en esta compañía. En el horno de afinación, la computadora calcula la adición de ferroaleaciones y por medio de micropro- En 1987 esta empresa construyó una nueva acería, cesadores, se controla automáticamente la tempe- en la cual se producen 700,000 toneladas métricas ratura y otras variables. Al mismo tiempo, es inyec- de acero anualmente. Fabrica tubos sin costura de tado gas argón para homogeneizar la composición hasta 14 pulgadas de diámetro exterior en el química del acero. El tratamiento con calcio silicio laminador continuo. La acería cuenta con sistemas se utiliza para controlar la forma de las inclusiones. que permiten un alto control de los procesos de fu- Los elementos microaleantes son dosificados por la sión, afinación y colada continua de barras de sec- adición de alambre. Esto permite una gran preci- ción redonda. Produce acero limpio en una amplia sión en la composición química del acero; la cual es variedad de composiciones químicas. analizada a través del espectómetro. Durante la afi- nación del acero, la computadora calcula en función La producción de tubería se realiza mediante acero de los nuevos análisis, y proporciona la información de calidad por fusión de fierro esponja y chatarra para adicionar la cantidad de ferroaleaciones reque- seleccionada en un horno eléctrico de 170 tonela- ridas y obtener la composición química deseada. das por colada, capaz de fundir a un tiempo prome- dio de 105 minutos. El fierro esponja (casi fierro Durante el proceso de la colada continua, se evita Figura 97 Diseño de TR por estallamiento, pozo prueba 3 puro), resulta limpio con bajos contenidos de ele- que la olla del acero deseado tenga contacto con la mentos residuales en el acero. En este horno se atmósfera. Así se evitan la oxidación y la contami- 8 97
  • 9. Tuberías Tuberías nación en el momento del vaciado al distribuidor. El partículas magnéticas húmedas antes de maquinarse distribuidor ha sido diseñado con deflectores espe- las roscas, de acuerdo con las normas API. En el cuar- ciales para evitar turbulencias y la mezcla de la es- to de patrones y calibres, la calibración se programa coria con el acero. para verificar los instrumentos y calibradores de tra- bajo contra los patrones, así como todo el equipo de El laminador continuo a mandril retenido permite inspección, medición y prueba. obtener una precisión dimensional en la tubería que cumple con tolerancias extremadamente estrictas. Para la certificación de cada tubo fabricado dentro En laminación y en la línea de tratamiento térmico de las normas API se realiza un monitoreo de todas los hornos han sido equipados con computadoras las etapas del proceso de fabricación, con la ayuda que con los modelos de cálculo, controlan la de los laboratorios, que son: químico (acería), físi- rastreabilidad y el calentamiento. Para protección co (tensión), metalográfico (estructura del acero) y durante el embarque, manejo y transporte, los tu- prueba de colapso (valor real de colapso). También bos se barnizan y se les instalan sus protectores en TAMSA cuenta con la Norma Internacional ISO 9000. las roscas. En la figura 2 se muestra el proceso de fabricación. Durante el laminado a mandril retenido, se produ- A continuación se detallan los pasos del proceso de cen espesores de pared extremadamente uniformes, la fabricación de tubería sin costura. ésta es una variable ideal para tuberías resistentes al alto colapso, que es verificado a través de un equi- Materia prima: La materia prima usada en la fabri- po de rayos láser que proporciona mediciones rápi- cación de tubería es, básicamente, un 30% de fie- das y precisas. Así se obtiene un producto con tole- rro esponja (fierro natural) y un 70% chatarra. Figura 94 Factores de trabajo para TR en pozo prueba 3 rancias estrictas en el diámetro exterior y baja ovalidad. Acería: Es un proceso que consta de 3 etapas: fu- sión, afinación y vaciado. En la figura 3 se muestra Durante el tratamiento térmico de temple y revenido el flujo de proceso de la acería. se obtienen propiedades mecánicas óptimas en las tuberías resistentes al alto colapso. El temple por Fusión: La materia y ferroaleaciones se calientan inmersión se realiza tanto de modo interno como hasta alcanzar una temperatura cercana a los 1620°C. externo. Esto produce una completa transformación En ese punto, el acero se encuentra en estado líqui- martensítica a través de todo el espesor del cuerpo do, la inyección de argón se realiza por la parte in- del tubo. Durante el revenido se consiguen propie- ferior de la olla de fusión, con la finalidad de homo- dades mecánicas homogéneas y en el enderezado geneizar la composición química del acero. en caliente, se obtienen productos con bajos esfuer- zos residuales. Pruebas de laboratorio han demos- Afinación: Después de realizar el vaciado de la olla de trado que en tuberías con espesores delgados, su fusión a la olla de afinación, con precisión, se realiza resistencia al colapso excede los requerimientos del la afinación del acero mediante la adición de aleacio- API de aceros equivalentes, en aproximadamente nes Así se obtiene el grado de acero requerido. un 30 por ciento. Vaciado: Posteriormente, el acero de la olla de afi- Después del tratamiento térmico, se prueba en lí- nación es llevado y vaciado al distribuidor para ob- nea la dureza de la tubería. El equipo de inspección tener la colada continua. electromagnético verifica cada tubo a través de cua- tro funciones, buscando posibles defectos longitu- Colada continua: El distribuidor de la colada continua dinales y transversales, así como el espesor y gra- ha sido diseñado con deflectores especiales que evi- do de acero. tan la turbulencia, con el propósito de obtener barras de sección redonda, que finalmente son cortadas en Todos los productos tubulares se verifican con el paso secciones de longitud conocida, dependiendo del diá- Figura 95 Diseño de TR al colapso, pozo prueba 3 del mandril (drift) y se prueban hidráulicamente. Tam- metro de la tubería que se fabricará. Esta sección de bién se cuenta con equipo de verificación de ultraso- acero es comúnmente llamada “tocho”. En la figura 4 nido. Los extremos se inspeccionan por el método de se muestran las barras redondas. 96 9
  • 10. Tuberías Tuberías Ejemplo de Diseño de Tubería de Revestimiento. Fuga en el tubing Pérdida de circulación Datos: Jalón de 10000lbf Vel. De Introducción: 3 ft/s Pozo: Prueba 1 Domo salino a 2133-2286, Gs=19.22ppg Diámetro de TR: 9 5/8" Profundidad: 3962.4 m Desviación el pozo: Costa afuera: 137 m de tirante de agua H Inc Azim Estado mecánico: 0.0 0.00 0.00 18 5/8" Conductor Casing 0-609.6 762.0 0.00 0.00 13 3/8" Superficial Casing 0-1645.9 1447.8 45.00 0.00 9 5/8" Producción Casing 0.0-2956.6 3962.4 45.00 0.00 7" Producción Liner 2804-3962.4 Diseño: Factores de diseño: Cima base Diám Peso Grado Axial:1.6 (m) (m) (pg) (lb/p) Estallamiento:1.25 0.0 944.9 9 5/8" 47.00 N-80 Colapso:1.1 944.9 2468.9 9 5/8" 53.50 N-80 Triaxial:1.25Geopresiones 2468.9 2956.6 9 5/8" 58.40 P-110 Eventos de carga: Soporte: Figura 2 Proceso de fabricación de una tubería atmósfera y se procede al perforado. Se obtiene un esbozo cilíndrico. Este proceso es fundamental en la fabri- cación de tuberías sin costura y es lla- mado “Proceso Mannessmann”. Este esbozo se envía al mandril que con- tiene un lubricante (bórax), el cual es introducido al laminador continuo, que pasa a través de siete jaulas y calibradores. Ahí es donde se hace el tubo. Se obtienen longitudes de hasta 30 metros, con diámetro inte- Horno eléctrico de fusión Horno de afinación Vaciado de acero rior y exterior precisos, cumplien- Figura 3 Flujo del proceso de acería do con las tolerancias permitidas API. A la salida del calibrador, el diá- metro y la ovalidad son verificados Laminado: El tocho entra al horno giratorio, que con- por medio de rayo láser y posteriormente el tubo tiene nueve zonas de calentamiento, donde se al- es enviado a las cortadoras para dar el rango so- canzan temperaturas de 1200°C en forma gradual. licitado. Por último, se envía al piso de enfriamien- Al salir del horno, se envía al desescamador para to. En la figura 5 se muestra el proceso de lamina- Figura 93 Trayectoria del pozo prueba 3 Figura 92 Geopresiones del pozo prueba 3 eliminar la oxidación que sufre al contacto con la do continuo a mandril retenido. 10 95
  • 11. Tuberías Tuberías Factor de Trabajo Normalizado 4. Aplicar el concepto de carga máxima. Vaciado con boquilla refractaria 0 2 4 6 8 10 Control automático de velocidad 0 · Determinar los diferenciales de presión en cada y nivel en distribuidor y molde caso de carga Control computarizado en enfriamiento Fd=1.6 · Definir los puntos máximos de carga 500 Laboratorio Baumann · Presión de estallamiento Barras redondas 215, 270, 310 y 1000 · Presión de colapso 371 mm · Carga axial Profundidad ( m ) 1500 · Triaxial · Afectar las cargas máximas por los factores de 2000 diseño 2500 5. Selección de tuberías. 3000 · Delimitar materiales por efectos ambien- tales(H2S,CO2), aplicando NACE. 3500 · Determinar grado y peso de tuberías para cum- 7 pases, 15100Kw, 11 motores de C.D. plir las cargas máximas Laminador extractor de 4 pases. 4000 Controlado por MPR, conectados al sistema computarizado de regulación. · Optimizar longitud y costo de las secciones Figura 4 Máquina de colada continua de barras redondas 2 desescamadores en línea. Figura 90Factores de trabajo en sarta del pozo prueba 2 6. Evaluar las tuberías seleccionadas. Desoxidación interior del perforado. Uniformidad del espesor. Tratamiento térmico: Existen tres tipos de tratamien- Baja excentricidad. · Determinar factores de trabajos normalizados tos térmicos: temple, revenido y normalizado. El tra- TP 3 ½” · Verificar : factores normalizados > 1 tamiento térmico de temple y revenido es utilizado Figura 5 Laminado continuo a mandril retenido. Tipo para tuberías de acero C75, L80, N80, TRC95, P110, M.P.M. (Multitand Pipe Mill) 7. Selección de juntas TAC 110, Q125 y TAC140. Prueba de Inspección electromagnética. Se hace con · Aplicar guía rápida de selección de juntas para de- Temple: El tubo es llevado a un horno. Ahí se au- el equipo AMALOG IV, donde se detectan defectos menta gradualmente la temperatura hasta 860°C, longitudinales y transversales, internos y externos. limitar el número de juntas esto modifica la estructura molecular del acero a Asimismo, se mide el espesor de la pared del cuerpo HW 3 ½” · Determinar la capacidad de resistencia triaxial de una austenita. Posteriormente, el tubo se sumerge del tubo y se compara el grado de acero. cada tipo de junta súbitamente en agua a temperatura de 40°C, alte- · Determinar factores de trabajo normalizados rando la estructura molecular a una martensita, la Posteriormente se cortan los extremos del tubo y cual es dura y poco dúctil. En la figura 6 se muestra se les maquinan los biseles. Para eliminar la rebaba · Verificar: Factor normalizado > 1 el tratamiento térmico de temple. se sopletea el interior del tubo y se introduce el · Seleccionar la junta considerando su costo calibrador (mandril o drift) a todo lo largo del tubo. Revenido: La tubería es introducida a un horno que DC 4 ¾” 3 8. Revisión final del diseño aumenta gradualmente su temperatura hasta 550°C. Inspección electromagnética método de vía húme- 2 El calor convierte la estructura molecular en una da: Debido a que en los extremos la tubería llevará · Determinar condiciones de carga dinámicas martensita revenida, que es dura y dúctil. Posterior- la mayor carga, ambos extremos del tubo son ins- agc 1 · Determinar el efecto de cambios axiales en las mente es recalibrado y enderezado en caliente. Se peccionados por el método de partículas magnéti- obtiene un producto con bajos esfuerzos residuales. cas para determinar posibles defectos longitudinales tuberías(pandeo, térmico) En la figura 7 se muestra el horno de revenido. y transversales. · Verificar: factores de trabajo normalizados > 1 agc Normalizado: Es usado para los otros grados de tu- Roscado: Se realiza de acuerdo con las normas 9. Preparación del reporte final bería como: H40, J55, K55, etc. En este tratamiento del API, las cuales son verificadas con calibres es- Dob.C Est 4 ¾” x 6” el tubo es calentado sin llegar a la austenización de trictos. · Diseño de centradores la estructura molecular del acero. Barrena 6 “ · Revisión de la corrida Prueba hidrostática: El tubo se sumerge en una · Diseño del anclaje de TR Acabado del tubo: Se realiza bajo la siguiente se- tina que contiene fluido y se colocan elastómeros · Llenar formato preestablecido cuencia: en ambos extremos del tubo, donde se aplica una Figura 91 Esquema de sarta del pozo prueba 2 · Anexar soportes del diseño 94 11
  • 12. Tuberías Tuberías Diseño de Sarta de Perforación Carga axial ( kg ) -50000 0 50000 100000 150000 200000 0 500 1000 Profundidad ( m ) Horno de Revenido 1500 Horno de Austenización 62 toneladas por hora 62 toneladas por hora 22 zonas de calentamiento 2000 9 zonas de calentamiento 3 zonas de homogeneización 3 zonas de homogeneización vigas móviles de 55 espacios 2500 Flotada vigas móviles de 45 espacios pirometros ircon con registro 3000 Aire 60 quemadores a gas natural precisión de temperatura horno +/- 5°C S-135 sistema de computación y regulación computarizados 3500 microestructura uniforme de martensita revenida G-105 4000 Figura 7 Horno de revenido X-95 Control final y embarque: Finalmente, el tubo se CUARTA ETAPA pesa y se mide. Así se tiene toda la información com- INTERVALO DE 2800 a 3500 m. pleta de rastreabilidad del tubo, para ser estarcido, DENSIDAD DE LODO = 2.15 gr/cc. estampado, barnizado y embarcado. TRAM. SECC DIAM LONG GRADO P.AJUST P.AIRE P.FLOT P.ACUM APRIETE RESIST.TENS. pg m kg/m kg kg kg pie/lbs ton En el estarcido se indican los datos del tubo como: 3 1 4 3/4 35 DC 73,8 2584 1844 1844 54000 el diámetro exterior, peso unitario, mandril, lon- 3 2 4 3/4 5,0 ESTAB 73,8 369 263 2107 54000 gitud, pruebas de inspección, manufacturado, nú- 27 3 3.5 243 HW 40,0 9720 6934 9041 21800 238 4 3 1/2 922 T P S135 21,9 20154 14377 23418 12600 161 mero de colada, orden de producción y número 18 4 4 1/2 162 T P G105 28,1 4551 3247 26665 16546 149 de tubo. 102 4 5 2138 T P X95 31,9 68208 48658 75323 19919 156 TOTAL 3505 105586 75323 75323 En la figura 8 se muestra el flujo del proceso de aca- Tina de temple por Inmersión bado del tubo (proceso de pesado, medición, Templado externo e interno estarcido y estampado). PESO SARTA EN EL AIRE = 105586 Kg Máxima longitud del tubo 14.5m PESO SARTA EN EL LODO = 75323 Kg MARGEN PARA JALAR = 81 ton 99% de transformación martensítica El control final es la última inspección detallada del Dureza homogénea a través del espesor tubo, este control puede ser: Control de presión y temperatura de agua Figura 89 Comportamiento axial, pozo prueba 2 × Inspección electromagnética (EMI); consiste en Figura 6 Tratamiento de temple medición longitudinal, rayos gama, inspección transversal y comparador de grado de acero. presión interna del 80% de su capacidad durante × Prueba ultrasónica (UT); consiste en espesor de cinco segundos, de acuerdo con la norma del pared y detección de posibles defectos longitu- API 5CT. dinales, transversales y oblicuos. 12 93