Diseño de carcasa

Para diseñar una cadena de carcasa, se debe tener conocimiento de:

• Propósito del pozo
• Sección transversal geológica
• Tamaños de carcasa y brocas disponibles
• Prácticas de cementación y perforación
• Rendimiento de la plataforma
• Normas de seguridad y ambientales

Para llegar a la solución óptima, el ingeniero de diseño debe considerar la carcasa como parte de un sistema de perforación completo. A continuación se presenta una breve descripción de los elementos involucrados en el proceso de diseño.

Objetivo de diseño

El ingeniero responsable de desarrollar el plan de pozo y el diseño de la carcasa se enfrenta a una serie de tareas que se pueden caracterizar brevemente.

• Garantizar la integridad mecánica del pozo proporcionando una base de diseño que tenga en cuenta todas las cargas anticipadas que se pueden encontrar durante la vida útil del pozo.
• Diseñe cuerdas para minimizar los costos del pozo durante la vida útil del pozo.
• Proporcionar documentación clara de la base de diseño al personal operativo en el sitio del pozo. Esto ayudará a evitar que se exceda la envolvente de diseño mediante la aplicación de cargas no consideradas en el diseño original.

Si bien la intención es proporcionar una construcción de pozos confiable a un costo mínimo, a veces se producen fallas. La mayoría de las fallas documentadas ocurren porque la tubería estuvo expuesta a cargas para las que no fue diseñada. Estos fallos se denominan fallos «fuera de diseño». Los fallos «en el diseño» son bastante raros. Esto implica que las prácticas de diseño de la carcasa son en su mayoría conservadoras. Muchas fallas ocurren en las conexiones. Esto implica que las prácticas de maquillaje de campo no son adecuadas o que la base de diseño de conexión no es consistente con la base de diseño de cuerpo de tubería.

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método de Diseño

El proceso de diseño se puede dividir en dos fases distintas.

Diseño preliminar

Normalmente, las mayores oportunidades para ahorrar dinero están presentes al realizar esta tarea. Esta fase de diseño incluye:

• Recopilación e interpretación de datos
• Determinación de la profundidad de la zapata de la carcasa y el número de cuerdas
• Selección de tamaños de agujero y carcasa
• Diseño de peso de barro
• Diseño direccional

La calidad de los datos recopilados tendrá un gran impacto en la elección adecuada de tamaños de carcasa profundidad de la zapata y si el objetivo de diseño de la carcasa se cumple con éxito.

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Diseño detallado

La fase de diseño detallado incluye la selección de pesos y grados de tubería para cada cadena de carcasa. El proceso de selección consiste en comparar las clasificaciones de tuberías con las cargas de diseño y aplicar estándares mínimos de seguridad aceptables (es decir, factores de diseño). Un diseño rentable cumple con todos los criterios de diseño con la tubería disponible más barata.

Información requerida

Los elementos que se enumeran a continuación son una lista de verificación, que se proporciona para ayudar a los planificadores de pozos/diseñadores de carcasas en el diseño preliminar y detallado.

• Propiedades de formación: presión de poros; presión de fractura de formación; resistencia a la formación( falla del pozo); perfil de temperatura; ubicación de zonas de extracción de sal y esquisto; ubicación de zonas permeables; estabilidad química/esquisto sensible (tipo de lodo y tiempo de exposición); zonas de pérdida de circulación, gas poco profundo; ubicación de arenas de agua dulce; y presencia de H2S y/o CO2.
• Datos direccionales: ubicación de la superficie, objetivos geológicos y datos de interferencia de pozos.
• Requisitos de diámetro mínimo: tamaño mínimo del orificio requerido para cumplir con los objetivos de perforación y producción; diámetro exterior de la herramienta de registro (OD); tamaño(s) de la tubería; requisitos de empacadora y equipos relacionados; válvula de seguridad subterránea (pozo marino); y requisitos de finalización.
• Datos de producción: densidad del fluido del empacador; composición del fluido producido; y cargas en el peor de los casos que podrían ocurrir durante las operaciones de finalización, producción y reacondicionamiento.
• Otros: inventario disponible, requisitos reglamentarios y limitaciones del equipo de perforación.

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Método de diseño preliminar

• El propósito del diseño preliminar es establecer:
• Carcasa y tamaños de brocas correspondientes
• Profundidades de ajuste de carcasa
• El número de cuerdas de carcasa

El programa de carcasa (plan de pozo) se obtiene como resultado del diseño preliminar. El diseño del programa de carcasa se realiza en tres pasos principales:

• Se prepara el programa de lodo
• Se determinan los tamaños de carcasa y los tamaños de brocas correspondientes
• Se encuentran las profundidades de ajuste de las cuerdas de carcasa individuales

Programa de lodo

El parámetro más importante del programa de lodo utilizado en el diseño de carcasa es el » peso de lodo.»El programa mud completo se determina a partir de:

• Presión de poros
• Resistencia a la formación (fractura y estabilidad del pozo)
• Litología
• Limpieza de agujeros y capacidad de transporte de esquejes
• Posibles daños en la formación, problemas de estabilidad y velocidad de perforación
• Requisito de evaluación de la formación
• Requisitos ambientales y reglamentarios

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Diámetros de orificio y tubería

Los diámetros de orificio y carcasa se basan en los requisitos que se discuten a continuación.

Producción

Los requisitos del equipo de producción incluyen:

• Tubo
• Válvula de seguridad subterránea
• Bomba sumergible y mandril de elevación de gas tamaño
• Requisitos de finalización (por ejemplo, embalaje de grava)
• Sopesar los beneficios de un mayor rendimiento de tubería de tubería más grande contra el mayor costo de una carcasa más grande durante la vida útil del pozo

Evaluación

Los requisitos de evaluación incluyen la interpretación del registro y los diámetros de las herramientas.

Perforación

Los requisitos de perforación incluyen:

• Un diámetro mínimo de la broca para un control direccional adecuado y un rendimiento de perforación
• Equipo disponible de fondo de pozo
• Especificaciones de la plataforma
• Equipo disponible de prevención de explosiones (BOP)

Estos requisitos afectan normalmente al diámetro final del orificio o de la carcasa. Debido a esto, los tamaños de carcasa deben determinarse desde el interior hacia el exterior a partir de la parte inferior del orificio. La secuencia de diseño es, por lo general, la siguiente:

• Se selecciona el tamaño adecuado de la tubería, en función del rendimiento de entrada y entrada del depósito
• Se determina el tamaño de la carcasa de producción requerida, teniendo en cuenta los requisitos de finalización
• Se selecciona el diámetro de la broca para perforar la sección de producción del orificio, considerando las estipulaciones de perforación y cementación
• Se determina La carcasa más pequeña a través de la cual pasará la broca
• El proceso se repite

Grandes ahorros de costos son posibles al volverse más agresivos (usando espacios libres más pequeños) durante esto parte de la fase de diseño preliminar. Esta ha sido una de las principales motivaciones en el aumento de la popularidad de la perforación de agujero delgado. Los tamaños típicos de carcasa y brocas de roca se muestran en la Tabla 1.

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  Tabla 1 – Tamaños De Brocas De Uso Común Que Pasarán A Través De Carcasa API

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  Tabla 1 Continua – Tamaños De Brocas De Uso Común Que Pasarán A Través De Carcasa API

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Profundidad de la zapata de la carcasa y número de cuerdas

Tras la selección de tamaños de broca y carcasa, se debe determinar la profundidad de ajuste de las cuerdas de carcasa individuales. En las operaciones de perforación rotativa convencionales, las profundidades de fraguado están determinadas principalmente por el peso del lodo y el gradiente de fractura, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1, que a veces se llama un plan de pozo. El peso de lodo equivalente (EMW) es la presión dividida por la profundidad vertical verdadera y convertida en unidades de lbm/gal. EMW equivale al peso real del lodo cuando la columna de fluido es uniforme y estática. Las líneas de gradiente de poros y fracturas deben dibujarse en un gráfico de profundidad de pozo vs. EMW. Estas son las líneas sólidas de la Fig. 1. Se introducen márgenes de seguridad y se dibujan líneas discontinuas que establecen los rangos de diseño. El desplazamiento de la presión de poros y el gradiente de fractura predichos representa nominalmente la tolerancia de patada y el aumento de la densidad de circulación equivalente (ECD) durante la perforación. Hay dos formas posibles de estimar las profundidades de ajuste a partir de esta figura.

• 

  Fig. 1-Profundidad de ajuste de la carcasa-diseño ascendente.

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Diseño ascendente

Este es el método estándar para la selección de asientos de carcasa. Desde el punto A de la Fig. 1 (el peso de lodo más alto requerido a la profundidad total), dibuja una línea vertical hacia arriba hasta el punto B. A protector de 7 5/8 pulg. la cuerda de la carcasa debe ajustarse a 12,000 pies, correspondiente al punto B, para permitir una perforación segura en la sección AB. Para determinar la profundidad de ajuste de la siguiente carcasa, dibuje una línea horizontal BC y luego una línea vertical CD. De esta manera, el punto D se determina para el ajuste de 9 5/8 pulg. carcasa a 9.500 pies. El procedimiento se repite para otras cuerdas de tripa, generalmente hasta que se alcanza una profundidad de tripa de superficie especificada.

Diseño de arriba hacia abajo

A partir de la profundidad de configuración del 16 pulgadas. la carcasa de la superficie (aquí se supone que está a 2,000 pies), dibuja una línea vertical desde la línea punteada de gradiente de fractura, Punto A, hasta la línea discontinua de presión de poros, Punto B. Esto establece el punto de ajuste de las 11¾ pulgadas. carcasa a unos 9.800 pies. Dibuje una línea horizontal desde el Punto B hasta la intersección con la línea de gradiente de frac punteada en el Punto C; luego, dibuje una línea vertical hasta el Punto D en la intersección de la curva de presión de poros. Esto establece el 9 5/8 pulg. profundidad de ajuste de la carcasa. Este proceso se repite hasta que se alcanza el orificio inferior.

Hay varias cosas que observar sobre estos dos métodos. En primer lugar, no necesariamente dan las mismas profundidades de ajuste. Segundo, no necesariamente dan el mismo número de cadenas. En el diseño de arriba hacia abajo, la presión del agujero inferior se pierde por una pequeña cantidad que requiere un corto de 7 pulgadas. sección de revestimiento. Este pequeño error se puede corregir restableciendo la profundidad de la carcasa de la superficie. El método de arriba hacia abajo se parece más a la perforación de un pozo, en el que se coloca la carcasa cuando es necesario para proteger la zapata de la carcasa anterior. Este análisis puede ayudar a anticipar la necesidad de cuerdas adicionales, dado que las curvas de presión de poros y gradiente de fractura tienen cierta incertidumbre asociada con ellas.

En la práctica, una serie de requisitos reglamentarios pueden afectar al diseño de la profundidad del zapato. Estos factores se discuten a continuación.

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Estabilidad del orificio

Esto puede ser una función del peso del lodo, la desviación y el estrés en la pared del pozo, o puede ser de naturaleza química. A menudo, los problemas de estabilidad de agujeros exhiben un comportamiento dependiente del tiempo (lo que hace que la selección de calzado sea una función de la tasa de penetración). También se debe tener en cuenta el comportamiento de flujo de plástico de las zonas salinas.

Adherencia diferencial

La probabilidad de atascarse diferencialmente aumenta junto con:

• Un aumento en la presión diferencial entre el pozo y la formación
• Un aumento en la permeabilidad de la formación
• Un aumento en la pérdida de fluido del fluido de perforación (es decir, torta de barro más gruesa)

Aislamiento Zonal. Las arenas de agua dulce poco profundas deben aislarse para evitar la contaminación. Las zonas de circulación perdida deben aislarse antes de penetrar una formación de presión más alta.

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Problemas de perforación direccional

Una cuerda de revestimiento a menudo se ejecuta después de que se ha perforado una sección de construcción en ángulo. Esto evita problemas de apertura por llave en la parte curva del pozo debido al aumento de la fuerza normal entre la pared y el tubo de perforación.

Incertidumbre en las propiedades de formación previstas

Los pozos de exploración a menudo requieren cuerdas adicionales para compensar la incertidumbre en las predicciones de presión de poros y gradiente de fractura.

Otro enfoque que se podría utilizar para determinar las profundidades de ajuste de la carcasa se basa en la formación de gráficos y las presiones de fractura frente a la profundidad del agujero, en lugar de gradientes, como se muestra en la Fig. 2 y Fig. 1. Este procedimiento, sin embargo, normalmente produce muchas cuerdas, y se considera muy conservador.

• 

  Fig. 2-Profundidad de ajuste de la carcasa-diseño de arriba hacia abajo.

El problema de elegir las profundidades de ajuste de la carcasa es más complicado en los pozos exploratorios debido a la escasez de información sobre geología, presiones de poros y presiones de fractura. En tal situación, hay que hacer una serie de suposiciones. Comúnmente, el gradiente de presión de formación se toma como 0.54 psi / ft para profundidades de orificios inferiores a 8,000 pies y se toma como 0.65 psi/ft para profundidades superiores a 8,000 pies. Los gradientes de sobrecarga generalmente se toman como 0,8 psi / pie a poca profundidad y como 1,0 psi / pie para mayores profundidades.

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Profundidades de TOC

Las profundidades de la parte superior de cemento (TOC) para cada cuerda de revestimiento deben seleccionarse en la fase de diseño preliminar, porque esta selección influirá en las distribuciones de carga axial y los perfiles de presión externos utilizados durante la fase de diseño detallado. Las profundidades de TOC se basan típicamente en:

• Aislamiento zonal
• Requisitos reglamentarios
• Profundidades de zapata anteriores
• Fuerza de formación
• Pandeo
• Acumulación de presión anular(en pozos submarinos)

Los cálculos de pandeo no se realizan hasta la fase de diseño detallado. Por lo tanto, la profundidad del TOC puede ajustarse, como resultado del análisis de pandeo, para ayudar a reducir el pandeo en algunos casos.

Plan direccional

A efectos del diseño de la carcasa, el establecimiento de un plan direccional consiste en determinar la trayectoria del pozo desde la superficie hasta los objetivos geológicos. El plan direccional influye en todos los aspectos del diseño de la carcasa, incluidos:

• Selección de peso de lodo y química de lodo para estabilidad de orificios
• Selección de asiento de zapata
• Perfiles de carga axial de la carcasa
• Desgaste de la carcasa
• Tensiones de flexión
• Pandeo

Se basa en factores que incluyen:

• Objetivos geológicos
• Ubicación de la superficie
• Interferencia de otros pozos
• Consideraciones de par y arrastre
• Consideraciones de desgaste de la carcasa
• Conjunto de pozo inferior
• Rendimiento de la broca en el entorno geológico local

Para tener en cuenta la variación de las tasas de construcción, caída y giro planificadas, que ocurren debido a los BHAS utilizados y las prácticas operativas empleadas, a menudo se superponen doglegs más altos sobre el pozo. Esto aumenta el esfuerzo de flexión calculado en la fase de diseño detallado.

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Método de diseño detallado

Casos de carga

Para seleccionar los pesos, calidades y conexiones adecuados durante la fase de diseño detallado utilizando un buen criterio de ingeniería, deben establecerse criterios de diseño. Estos criterios consisten normalmente en casos de carga y sus factores de diseño correspondientes que se comparan con las clasificaciones de tuberías. Los casos de carga suelen clasificarse en categorías que incluyen:

• Cargas de explosión
• Cargas de perforación
• Cargas de producción
• Cargas de colapso
• Cargas axiales
• Cargas de funcionamiento y cementación
• Cargas de servicio

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Factores de diseño (DF)

………………..(1)

donde

DF = factor de diseño (el factor de seguridad mínimo aceptable), y

SF = factor de seguridad.

De ello se deduce que

………………..(2)

Por lo tanto, al multiplicar la carga por el DF, se puede hacer una comparación directa con la clasificación de la tubería. Siempre que la clasificación sea mayor o igual a la carga modificada (que llamaremos carga de diseño), se han cumplido los criterios de diseño.

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Otras consideraciones

Después de realizar un diseño basado en consideraciones de estallido, colapso y axiales, se logra un diseño inicial. Antes de que se alcance un diseño final, se deben abordar los problemas de diseño (selección de la conexión, desgaste y corrosión). Además, también se pueden incluir otras consideraciones en el diseño. Estas consideraciones son tensiones triaxiales debido a la carga combinada (por ejemplo, efectos térmicos y de globo), a menudo se llama «análisis de vida útil», otros efectos de temperatura y pandeo.

Cargas en cuerdas de carcasa y tubos

Para evaluar un diseño de carcasa dado, es necesario un conjunto de cargas. Las cargas de la carcasa son el resultado de:

• Funcionamiento de la carcasa
• Cementación de la carcasa
• Operaciones de perforación posteriores
• Operaciones de producción y reacondicionamiento de pozos

Las cargas de carcasa son principalmente cargas de presión, cargas mecánicas y cargas térmicas. Las cargas de presión son producidas por fluidos dentro de la carcasa, cemento y fluidos fuera de la carcasa, presiones impuestas en la superficie por las operaciones de perforación y reacondicionamiento, y presiones impuestas por la formación durante la perforación y la producción.

Las cargas mecánicas están asociadas con:

• Peso de suspensión de la carcasa
• Cargas de choque durante el funcionamiento
• Cargas de empacadora durante la producción y los reacondicionamientos
• Cargas de suspensión

Los cambios de temperatura y las cargas de expansión térmica resultantes se inducen en la carcasa mediante la perforación, la producción y los reacondicionamientos, y estas cargas pueden causar cargas de pandeo (tensión de flexión) en intervalos no cementados.

Las cargas de la carcasa que se utilizan normalmente en el diseño preliminar de la carcasa son:

• Cargas de presión externas
• Cargas de presión Internas
• Cargas mecánicas
• Cargas térmicas y Efectos de temperatura

Sin embargo, cada empresa operativa generalmente tiene su propio conjunto especial de cargas de diseño para la carcasa, según su experiencia. Si está diseñando una cadena de carcasa para una empresa en particular, esta información de carga debe obtenerse de ellos. Debido a que hay tantas cargas posibles que deben evaluarse, la mayoría de los diseños de carcasa de hoy en día se realizan con programas de computadora que generan los conjuntos de carga apropiados (a menudo personalizados para un operador en particular), evalúan los resultados y, a veces, pueden determinar un diseño de costo mínimo automáticamente.

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Artículos destacados en OnePetro

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Libros destacados

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Otros documentos destacados

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Diseño de carcasa Lista de WorldCat

Ver también

Carcasa y tubería

Diseño de carcasa basado en riesgos

PEH: Diseño de carcasa