ESFUERZOS DE LA TUBERÍA DE REVESTIMIENTO DURANTE LA INTRODUCCIÓN, CEMENTACIÓN Y POSTERIOR A LA CEMENTACIÓN

Esfuerzo de la tubería de revestimiento durante la introducción, cementación y posterior a la cementación 

Durante las operaciones de perforación, las tuberías empleadas se someten a esfuerzos como son el pandeo, cambios en la presión interna, efectos térmicos, etcétera; los cuales pueden incidir negativamente, ocasionando que los costos y tiempos de operación se incrementen más de lo planeado. Por lo anterior, se describen brevemente algunos de ellos.

Revisión por corrosión. - II

Figura 7.6 Aplicación de la Norma NACE con la influencia de CO2 en tuberías especiales

Revisión por corrosión. - I

Ante la problemática de las tuberías por el efecto corrosivo de contaminantes como el H2S y el C02 es requerible que las tuberías seleccionadas dentro del proceso de diseño se revisen por la acción de dichos contaminantes. El criterio de selección que debemos aplicar y que está vigente es el recomendado por la NACE. Bajo este criterio se determina qué grado de tubería es más recomendable ante la acción o carga corrosiva del H2S, a las diferentes condiciones de presión y temperatura. La figura 7.5 representa un diagrama de flujo de la recomendación emitida por la norma NACE MR-0175-99. Es una forma más clara de entender y aplicar la norma. 

Esta consideración debería aplicarse dentro del mismo proceso de selección de tuberías puesto que se revisa la carga por presión y la acción de temperatura sobre los tubulares. Ante el ataque simultáneo de gases de H2S y C02 se recomiendan aceros denominados “especiales”, dada la naturaleza anticorrosiva para lo cual fueron diseñados. La fabricación de las tuberías especiales cuenta con aleaciones que evitan la propagación de la corrosión en la superficie metálica. Generalmente se les conoce como CRA (Corrosión Resistant Alloys). Estas tuberías tienen un costo por demás elevado y su manejo debe ser cuidadosamente revisado Las tuberías denominadas cromadas (13% cromo y níquel) son de este tipo especial de acero, y existen en el mercado Internacional (compañías japonesas como NKK y Sumitomo), y en el nacional (Compañías PRINVER y HIDRYL). 

Un procedimiento de selección de este tipo de tuberías de acuerdo a las condiciones de presión y temperatura y C02 presentes en un pozo puede ser aplicado siguiendo el diagrama de flujo mostrado en la figura 7.6. A pesar de lo costoso de este tipo de tubería (aproximadamente de 3 a 8 veces el costo de una tubería convencional), su aplicabilidad es cada vez más propicia por efecto de las grandes cantidades de sulfhídrico y CO2 que se produce en algunos campos del territorio nacional.

Figura 7.5 Diagrama de flujo de la recomendación emitida por la norma NACE MR-0175-99

Selección de juntas.

Los métodos de selección mencionados, se fundamentan en la selección de tuberías. Relegan a un segundo plano de revisión la selección de las juntas. Dada la naturaleza más heterogénea de las juntas y prácticamente por la imposibilidad actual de contar con una basta información de las especificaciones de las mismas, el proceso de selección de juntas se traduce básicamente en dos aspectos: revisión por carga axial, y revisión por costo. Es decir, se establece el grado de carga axial actuante en las tuberías, y después se selecciona la junta cuya magnitud de resistencia a la carga axial resulte la más económica Esta práctica es común hoy en día. Sin embargo, partiendo de la selección de juntas, debemos establecer un análisis mecánico para evaluar el desempeño de una junta para definir su selección en un diseño tubular. Este tipo de análisis se realiza mediante métodos denominados FEA (Finit element analisys) que son complicados de aplicar para fines prácticos, pero que en la actualidad son el único medio para medir el desempeño mecánico de una junta cuando esta sujeta a diferentes situaciones de carga. Una alternativa por demás incipiente para iniciar el proceso de selección de juntas se muestra en la figura 7.4 en la cual se presenta un diagrama de flujo para elegir, de acuerdo a la nueva nomenclatura en uso de juntas, el tipo de junta más recomendable.

Figura 7.4 Procedimiento de la selección de juntas

Métodos de selección - II

Métodos gráficos.- Los métodos de aplicación práctica nacen de la representación gráfica de los dos factores de peso: resistencia y carga. Desde la aplicación del método de Youngstone se ha combinado la selección de las tuberías con métodos y procedimientos gráficos. El método gráfico por excelencia es el denominado “Carga Máxima”, que como ya se dijo, se usa para evaluar las cargas actuantes en una tubería. Es sin embargo, un método que propuso el seguimiento a la representación gráfica de la relación carga-resistencia como el único medio para seleccionar los materiales. Actualmente, el método de selección más práctico y en uso es precisamente un método gráfico, cuyas bases son la selección de las tuberías en base a la representación simultánea de las cargas Inician por presión y eligen las tuberías en forma intuitiva para revisar las cargas axiales. Una vez realizado lo anterior, se procede a mejorar la calidad del diseño, modificando la profundidad de colocación o seleccionando o modificando otro tubular. Lo anterior obedece a un procedimiento interactivo que hace necesario el uso de un programa de computadora. Las gráficas 7.2 y 7.3 muestran un ensayo del diseño de tuberías de revestimiento de un pozo. Diferentes variantes en modo y forma de seleccionar los tubulares están presentes en los diferentes programas de cómputo que existen comercialmente. Sin embargo, las bases son observar en todo momento la relación resistencia-carga. Por un lado, existen programas que cuentan con una basta base de datos en la que mantienen la mayor parte de las especificaciones tubulares, sobre todo para tuberías API. Esto sirve para el Ingeniero de Perforación al evitar la aplicación de las formulaciones API para determinar la capacidad de resistencia tubular. Mientras que otros, permiten la actualización de las especificaciones tubulares para dar libertad de utilizar las especificaciones de tuberías propietarias.

Métodos de selección - I

El objetivo principal del proceso de diseño de tuberías es seleccionar los elementos tubulares que permitan garantizar la seguridad e integridad del pozo. Por lo tanto, es necesario acudir a un método que, permita elegir aquellas tuberías y juntas que cumplan con el objetivo. Podemos clasificar en dos métodos los procedimientos de selección: los analíticos y los gráficos. 

Métodos analíticos.- Los métodos analíticos han sobrevivido y están presentes en un sin número de formas y alternativas de propuestas de selección. Los hay desde esquemas simples de selección basados en aspectos geométricos, hasta como en métodos de programación no-lineal de gran altura. Este tipo de métodos han estado presentes y evolucionados como un intento por automatizar la selección de los materiales. Sin embargo, debido a la situación práctica de operación de las tuberías, se han relegado desde un punto de vista de ingeniería, sin ver las bondades que traen consigo. Como por ejemplo, el caso de un método de selección basado en programación no-lineal, que trae implícita la minimización de los costos asociados al proceso de selección de materiales. O también, es el caso de un método para la selección de tuberías combinado con el costo mínimo y basado en la teoría de combinaciones. Actualmente, existen métodos con programación no-lineal, combinando la selección mediante la revisión del criterio de falla del modelo triaxial y API, en el cual, se delimitan las condiciones de falla de una tubería. Es decir, se dictamina inicialmente cuál es el criterio de falla a seguir, para aplicar la técnica no-lineal de optimización. Y como estos existen muchos casos más.

Definición del factor de seguridad para cada una de las condiciones de falla presentes en los tubulares:

A continuación se presenta la definición del factor de seguridad para cada una de las condiciones de falla presentes en los tubulares: Los factores de diseño que regularmente se utilizan actualmente en Petróleos Mexicanos son los siguientes: 

Factor de diseño al colapso: 1.15 

Factor de diseño al entallamiento: 1.1 

Factor de diseño a la tensión: 1.6 

Factor de diseño triaxial: 1.25 

La línea marcada como criterio de falla en la gráfica 7.1 representa el límite de resistencia de los tubulares. Por lo que, toda línea o punto que quede representada a la izquierda de la línea unitaria, significará que la tubería esta sujeta a cargas excesivas, interpretándose entonces como una condición de falla. Mientras que las líneas de los factores de trabajo normalizado que queden representados a la derecha de la línea unitaria, significará que la tubería o tuberías están por encima de la carga impuesta. Este tipo de gráficas son las de mayor valor interpretativo en el proceso de diseño, puesto que refleja el estado de desempeño de las tuberías en toda la extensión de uso de las mismas.

Gráfica 7.1 Comportamiento de factores de trabajo