DISEÑO DE UNA SARTA DE PERFORACIÓN POR TENSIÓN Y POR ESFUERZO BIAXIAL I

El término “diseño” significa definir o establecer las especificaciones particulares para realizar una obra o producto, es decir, definir las dimensiones específicas de los insumos que se ocupan en la creación o construcción para lograr el objetivo. Por otro lado, el término “sartas de tuberías”, se hace extensivo para las tuberías de perforación, de revestimiento y producción. 

Por lo tanto, el término “diseño de sartas de tuberías” debe entenderse como un proceso para determinar las especificaciones que deben tener los materiales utilizados como sartas de tuberías (tubos y conexiones), con la premisa de seleccionar la (s) que más convenga (n) a partir de especificaciones preestablecidas, para una aplicación en particular en un pozo. En el ámbito de la Ingeniería de Perforación, el término “diseño de tuberías” generalmente es aplicado, como sinónimo de “diseño de sartas de tuberías”. Con base en éstos conceptos y de acuerdo a sus componentes, el diseño de una sarta de perforación” se puede dividir en las siguientes partes: 

· Diseño de tuberías. 

· Diseño de aparejo de fondo y longitud de lastrabarrenas. 

· Selección de la barrena para perforar.

c. Torsión

La cantidad de esfuerzo por torsión que resiste una tubería bajo tensión debe calcularse en cada cambio de grado, diámetro y peso de tubería. El valor mínimo que resulte en cualquiera de los puntos analizados será la condición de frontera en operaciones reales de campo. 

En el caso de herramientas que se operan con torsión como es el de algunas herramientas de percusión, el valor de torsión obtenido por diseño deberá ser superior a la torsión necesaria, de lo contrario deberá cambiarse el diseño de la sarta. 

Se debe de tomar en cuenta, al trabajar con las tuberías, que a medida que aumente la tensión el esfuerzo de torsión disminuye.

b. Colapso IV

2. Con el valor de r se entra a la Elipse de Esfuerzos sobre el eje de tensión encontrando un punto. Se baja una vertical hasta intersectar la curva, obteniendo el por ciento de resistencias al colapso (Z) que tiene la tubería cuando se tiene sometida a una cierta tensión. Este valor encontrado se multiplica por al valor del colapso dado en tablas y se obtiene el valor al colapso en el punto deseado (Rcbt) 

3. Este valor se compara con la presión que ejerce el fluido en ese punto. Si es menor, la tubería de trabajo no es recomendable por presión externa. Por lo tanto, se tendrá que acudir al siguiente grado de tubería y volver a hacer el diseño por colapso. Hasta que los valores de presión sean cercanos o iguales, nuestra sarta estará en condiciones favorables por colapso.

b. Colapso III

El procedimiento para calcular el colapso por tensión es el siguiente: 1. Contando con el peso en los extremos de cada una de las secciones diseñadas, se procede a calcular la constante adimensional (r) en los extremos de cada sección, definida con la siguiente expresión
.

Donde:

r = Constante adimensional

Tensión aplicada = Tensión originada por el peso de la tubería en el aire. En Kg.

Mop = Margen para tensionar, en Kg.

At = Área transversal del tubo, en pg2

Kb = Factor de flotación

___

PCP = Punto de cedencia promedio, en lb/pg2 (Tabla 6.2)

El punto de cedencia promedio (PCP) , es la media aritmética de la mínima y máxima resistencia cedente, para cada calidad de acero, como se aprecia en la siguiente tabla:

b. Colapso II

Cuando un tubo está sometido a una presión exterior uniforme, el metal está sujeto a esfuerzos de compresión, al aumentar la presión en condiciones de equilibrio, se contraerá uniformemente como cualquier cuerpo elástico, hasta una presión crítica donde el tubo es inestable y ocurre la falla plástica o colapso. El diseño de colapso por tensión consiste en determinar la reducción en la capacidad de la tubería para resistir presión externa como resultado de la tensión aplicada. Esto debe efectuarse en los extremos de cada sección de tubería diseñada previamente por tensión, de acuerdo a las siguientes deducciones: 

· Al tensionar una tubería se incrementa la capacidad a la presión interna. 

· Al tensionar una tubería, disminuye la capacidad de resistencia al colapso.

· Al comprimir una tubería, disminuye la capacidad de resistencia a la presión interna. 

· Al comprimir una tubería, aumenta la capacidad de resistencia al colapso. 

Con estos conceptos fue elaborada la gráfica de Elipse de esfuerzos biaxiales. (Gráfica 6.1)

b. Colapso - Gráfica I

Figura 6.4 Esfuerzos al colapso

b. Colapso

Este esfuerzo se debe principalmente al afecto de la presión exterior que ejerce la columna hidrostática de los fluidos de perforación o de control en los pozos. La magnitud de la presión depende de la densidad del fluido.
El colapso o aplastamiento también puede ocurrir al aplicar una presión externa que sumada con la presión hidrostática, incrementa la presión externa. El valor de la presión exterior aumenta en función de la profundidad y su valor máximo estará en el extremo inferior de la sarta de tubería, como se aprecia en la figura 6.4.