4. que es el pandeo

Tenaris 1 miércoles, 11 de noviembre de 2015

Que es el Pandeo?

Tenaris has produced this report for general information only, and the information in this report is not intended to constitute professional or any other type of advice and is provided on an “as is” basis. No warranty is given. Tenaris has not independently verified any information –if any- provided to Tenaris in connection with, or for the purpose of, the information contained hereunder. The use of the information is at user’s own risk and Tenaris does not assume any responsibility or liability of any kind for any loss, damage or injury resulting from, or in connection with any information provided hereunder or the use thereof. Tenaris products and services are subject to the Company’s standard terms and conditions or otherwise to the terms resulting from the respective contracts of sale, services or license, as the case may be. Unless specifically agreed under such contract of sale, services or license, if Tenaris is required to provide any warranty or assume any liability in connection with the information provided hereunder, any such warranty or liability shall be subject to the execution of a separate written agreement between petitioner and Tenaris. This report is confidential and no part of this report may be reproduced or disclosed in any form or by any means whatsoever, without prior permission from Tenaris. For more complete information please contact a Tenaris representative or visit our website at www.tenaris.com. ©Tenaris 2012. All rights reserved.


Contenido

Que es el Pandeo?

Como afecta el desgaste a la tubería?


Que es el pandeo?

El Pandeo es una falla en la Estabilidad de la Tubería

Consecuencias: Dificultad para correr herramientas por el interior de la tubería Mayor desgaste por contacto con la barra de sondeo Falla por superación del límite de fluencia del material

Neutro Estable Inestable


Como se genera…

Que es el pandeo?

a = ½(h + r) Neutro

a > ½(h + r) Estable

a < ½(h + r) Inestable

Factores que incrementan el pandeo de la columna:

Incremento de la presión interna

Cambios en la temperatura

Incremento de la fuerza compresiva

Presencia de “cavernas” en el pozo

Operaciones pueden ayudar a evitar el pandeo de la columna

Aplicar una fuerza extra de tensión cuando se “cuelga” el Casing

Incrementar anillo de cemento

Mantener la presión interna en la tubería mientras fragua el cemento


Que es el pandeo?

m

TVD

Tubería libremente colgada al momento

de la instalación

Pi Po

Hc

Ti

Tubería fija al momento

de la instalación

Pi+P Po+P

Hc

Ti+T

Condiciones luego de haber fijado la tubería

Pi+ P Po+ P

Hc

Ti+T

Condiciones luego de haber fijado la tubería

• Columnas se tornan inestables debido a las condiciones de servicio en el pozo.

• Como consecuencia de esta inestabilidad se producen fallas.

• La pérdida de estabilidad ocurre en porciones no cementadas de la tubería.


Que es el pandeo?

El problema del “buckling” no se considera en los diseños convencionales. En los diseños triaxiales es pertinente evaluar la fuerza efectiva de “buckling” así como la estabilidad y el punto neutro de la columna.

Pandeo clásico en pozos verticales:

Feff = Ft + Fp

Feff = Fuerza efectiva de pandeo

Ft = Fuerza axial en el punto de interés

Fp = Efecto adicional debido a presión (fuerza

ficticia)

Fuerza efectiva [Feff]

-Fb

Fb

(+)

(-)

Punto neutro


FEFF = Ft + AoPo - AiPi 0 Pandeo

Ao = Area correspondiente al diámetro externo del tubo

Po = Presión externa

Ai = Area correspondiente al diámetro interno del tubo

Pi = Presión interna

FEFF = 0 Punto neutro

EFFF

IEP

8

TUBOC

TOOLTUBOTOOL

IDr

ODIDPL

2

111cos

C

C

r

rPDL

2

222

4

4

5730100

'/

Paso de la hélice de

una tubería en Pandeo

Longitud máxima de una herramienta

en una tubería en Pandeo

Bending generado en en una tubería en

Pandeo

Pandeo: ecuaciones fundamentales


Como mencionado, el Pandeo en tubulares sometidos a presión (externa e interna) se

puede evaluar mediante la siguiente expresión:

Feff = Ft + AoPo – AiPi

En este caso, una evaluación conservativa de los resultados nos indica que:

Feff = Ft + AoPo - AiPi < 0 Pandeo

Se deduce que un incremento en el valor de la Presión interna influye de dos formas:

a) Incrementa el valor de “Ft” por efecto del “Ballooning”

b) Incrementa el valor del término “AiPi” lo cual tiende a incrementar la tendencia al

Pandeo.

Ft = Fuerza axial en la Sección de interés

Ao = Area derivada del Øext del tubo; Ai = Area derivada del Øint del tubo

Po = Presión externa; Pi = Presión interna



El otro parámetro fundamental que interviene en “Ft” es la temperatura. Cambios en la

temperatura modifican la tensión en el Casing según la dilatación o contracción térmica del

tubo.

La expresión para contabilizar el efecto térmico es:

Ftemp = -.t.E.T.Ap = 207.T.Ap

Esto nos indica que, por cada F que se incremente en el tubo, la tensión térmica crece 207

psi, lo cual representa por sí mismo la magnitud del fenómeno térmico.

Ftemp = Cambio en la carga axial

T = Cambio en Temperatura, F

Ap = Area transversal, in2



La otra manera de evaluar la tendencia al Pandeo es mediante el análisis de la Fuerza

efectiva de Pandeo (Feff) y la Fuerza crítica de Pandeo (Fcrit). En este caso, habrá

inestabilidad del tubo si Feff < Fcrit.

La Fcrit se puede calcular como:

con el Peso Efectivo del tubo de acero (w), calculado como:

Feff > Fcrit en toda la sección s/cemento No hay pandeo

Feff > Fcrit (superficie) y Feff < Fcrit (fondo) Pandeo parcial

Feff < Fcrit (en toda la sección s/cemento) Pandeo total

Feff = 0 Punto neutro para Pandeo

3

1253 wIEFcrit .

ooiipst AAA

Expresión de Lubinsky:

E = Módulo de Elasticidad, psi

I = Momento de Inercia, pulg4

w = peso efectivo del tubo, lb/in



Pandeo: caso práctico


Tubería intermedia 9 5/8” de 1000 m.

Cemento 15.6 ppg @

850 m

Zapato 9 5/8” @

1002 m

Cemento 13.0 ppg @

300 m

Casing 9 5/8” 36#

K55 STC Lodo Tramo 12 ¼”

8.5 ppg

Lodo Tramo 8 1/2”

9.8 ppg

2600

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 m

253 m

1002 m

1700 m

13 3/8" K55 54.5# STC

9 5/8" K55 36# LTC

7" K55/N80 23/26# LTC

0

5" K55/N80/P110 15/18# ABSTL/XL2400

2615 m



Profundidad Temperatura Estática Temperatura.

Perforando

0 m 16 °C (60.8 °F) 30 °C (86 °F)

300 m 24 °C (75.2 °F) 36 °C (96.8 °F)

1000 m 43 °C (109.4 °F) 50 °C (122 °F)

Presiones para el “Caso

Base” (Estático)

Presiones durante la

Perforación Profundidad

Interna (psi) Externa (psi) Interna (psi) Externa (psi)

0 m 0 0 0 0

300 m 435 435 501 435

1000 m 1449 2052 1670 2052


Gradientes


Fcolg = -Feff = -Ft - AoPo + AiPi

AoPo = 72.76 pulg2 x 0.05195 x 8.5 ppg x L = 32.13 x L

AiPi = 62.51 pulg2 x 0.05195 x 9.8 ppg x L = 31.82 x L

“L” distancia desde superficie a sección de interés, en nuestros caso es el TOC.

Ft = Peso en aire + Flotación + “Ballooning” + Esfuerzos térmicos

Peso en aire: 3281’ x 36# - 36# x L

Flotación: -58800 lb

Ballooning: 2476 lb

Esfuerzo térmico: - 50000 lbs

Ft = 118116 lb - 36 x L - 58800 + 2476 - 50000 = 11792 lb – 36 x L

Fcolg = -FEFF = -11792 + 35.7 x L (984’), por lo cual F colg ~ 23400 lbs



La Fuerza crítica de Pandeo vale:

Resolviendo la ecuación se obtiene Fcrit = -10535 lb, con lo cual:

Feff = - 23400 lbs < Fcrit = - 10535 lbs Pandeo.

De esta forma, para lograr que Feff > Fcrit y evitar la inestabilidad se deberá aplicar una

fuerza mínima de colgado de 23400 – 10535 ≈ 12900 lbs.

Se observa entonces que el método de garantizar Feff mayor a 0 es mucho más

conservativo que la evaluación de la Fcrit (Lubinski) ya que, en el primer caso se estima

una fuerza de 24500 lbs, mientras que en el segundo una fuerza de aproximadamente

13000 lb.

3

1253 EIwFcrit .


I = 110.37 pulg4

E = 30x106 psi

Weff = 2.87 lbf/pulg


Debido a la dificultad para lograr “levantar” los 700 m del anillo de cemento, el cálculo de

sensibilidad se realizó para 3 valores de “L” en el Tope de Cemento:

Peso de la tubería en aire (lbs)

Tope de Cemento

(m)

Flotación (lbs)

"Ballooning" (lbs)

Efecto Térmico

(lbs) Conservativo Exacto

300 58800 51000 24500 14000

450 50500 49400 32000 25500

600 42100 47100 39000 33000

Fuerza de colgado (lbs)

118100 2500



Tubing 2 3/ 8” x 0.188” @ 10,000 ft

Presión Interna = 5100 psi

Presión Externa = 1100 psi

Carga Axial = 7000 lbs

Problema

Feff = Ft + (Pe x Ao – Pi x Ai)

Ai = 4 x (2.375 - (2 x .188))2 = 3.318 pulg2

Ao = 4 x (2.375)2 = 4.430 pulg2

Feff = Ft + (Pe x Ao – Pi x Ai)

Feff = 7000 + (1100 x 4.430 – 5100 x 3.318)

Feff = 7000 + (4873 – 16004)

Feff = -4131 lbs

La carga axial es de 7000 lbs, pero la fuerza efectiva es de -4131 lbs, es decir, el

Tubing puede llegar a Pandear.


Un Casing 9 5/8” 47# 110 BTC (Intermedio) se

instala a 12800 ft (3901 m) en un pozo de 14” con

fluido de 12 ppg, y se cementa con un anillo de 3000

ft (914,4 m) densidad 16 ppg.

El cemento es desplazado con fluido 12 ppg.

Determinar si la tubería entra en Pandeo cuando se

perfora hasta 17500 ft (5334 m) con lodo de 16 ppg y

se incrementa la temperatura de la sección no

cementada un promedio de 50 F.

@ 12800’

TOC 9800’

TD Final @ 17500’

Pozo 14”

9 5/8” 47#

Mud 12 ppg

Drilling Mud: 16 ppg

Problema


OD = 9,625 pulg.; ID = 8,682 pulg.

I = 142 pulg4 = /64 x (9,625 4 – 8,682 4 )

Ai = 59,2 pulg2

Ao = 72,8 pulg2

As = 13,6 pulg2

C = 2,2 pulg = (14 – 9,625)/2 (Huelgo diametral)

Fuerza de Flotación = Ao x Pe – Ai x Pi

Ff = [72,8 (16 x 3000 + 12 x 9800) – 59,2 (12 x 12800)] x 0,0519 Ff = 154,000 lbs

Fa @ zapato = -154,000 lbs = Fwt – Ff = 0 – 154,000

Fa @ 9800 ft = -13,000 lbs = (3000 x 47) – 154,000

Fa @ Superficie = 448,000 lbs = (12800 x 47) – 154,000

Fa @ -154000 lbs

Fa @ -13000 lbs

Fa @ 448000 lbs

Problema

11 de noviembre de 2015


Calcular la Fuerza Efectiva:

Feff = Faxial + (Pe x Ao – Pi x Ai)

Feff [zapato] = -154,000 + 154000 = 0 lbs

Feff [TOC] = -13,000 + [6013( 72.8) – 6103( 59.2)] = 70,000 lbs

Feff [superficie] = 448,000 + 0 = 448,000 lbs

Dado que Feff es siempre (+) No Pandeo.

Drilling:

Fluido en el interior incrementa a 16 ppg

Temperatura incrementa 50 F

Problema

Feff @ 0 lbs

Feff @ 70000 lbs

Feff @ 448000 lbs


Fuerza por Ballooning y esfuerzo térmico:

Fball = 2 [Pi x Ai - Po x Ao] Fball = 36100 lbs

Ftemp = -207 (As) T Ftemp = - 141,000 lbs

Faxial [TOC] = Fbase + Fball + Ftemp

Faxial [TOC] = - 13000 + 36100 + (- 141000)

Faxial [TOC] = - 91,900 lbs

Faxial [Superficie] = 448,000 + 36100 + (- 141000) Faxial [Superficie] = 342,100 lbs

Feff (Drilling) = Faxial + (Pe x Ao – Pi x Ai)

Feff [TOC] = -91,900 + [(9800 x 12 x 0,0519) x 72,8 - (9800 x 16 x 0,0519) x (59.2)]

Feff [TOC] = - 91900 + 444300 – 481800 Feff [TOC] = - 129,400 lbs Pandeo

Que solución proponemos?

Problema

Feff @ -129400 lbs!!


Por lo general, la influencia de la pérdida de inestabilidad en el tubo afecta la integridad

en dos formas predominantes:

1. Desgaste de las paredes del Casing por contacto con el Sondeo

2. Rotura en las conexiones debido a cargas alternativas.

La magnitud de estos problemas va a depender de:

• Tiempo de contacto entre Sondeo y Casing

• Relación OD/wt del Casing

• Velocidad de Rotación

• Tortuosidad del Pozo

• Tipo de Conexión

• Tipo de Lodo

• Tipo de harbanding

Efecto del desgaste


Efecto del desgaste

Drill Pipe

Tensión

Area de desgaste

Casing

Area de desgaste

Tensión

• Es factible mientras se perfora a través de una Pata de

Perro o bien en una sección no vertical del Casing.

• Depende de:

– Fuerza normal (Tensión en la Sarta)

– Deslizamiento (RPM - ROP)

– Lubricidad

– Tipo de material

– Tipo de Hardbanding

• Las cuplas y las conexiones son las áreas mas

propensas.


Tooljoint OD d o, TJ 6.750 in

Tooljoint pitch p 30 ft

Rotary speed w 150 rpm

Rate of penetration ROP 10 ft/hr

Length of hole section to be drilled L h 4400 ft

Casing OD COD 9.625 in

Casing ID CID 8.681 in

Grade of casing 3

Mud type 1

Do you want to calculate Normal (Capstan) Force? 1

0

Input dogleg severity DLS 4 o/100 ft

Input axial tension causing normal force in curved hole F ax 90000 lbf

Input coefficient of friction (steel to steel) m 0.200

Wear Volume per Unit Length (wear area) V/L 0.123 in3/in

Depth of Wear Groove 0.025 in

Original Casing Wall Thickness t 0.472 in

Percent loss due to Wear 5.23%

Remaining Wall Thickness t new 0.447 in

Input

Output

Water

P-110

Yes

• El desgaste se puede estimar mediante un

modelo simple. Es una ESTIMACION.

• El modelo se basa en un trabajo de

Dawson & White (1985). El cual, a su vez,

se basa en un trabajo previo de Archard

(1953).

• Referencia:

– Archard, J. F., 1953, “Contact and

Rubbing of Flat Surfaces,” Journal of

Applied Physics, Vol. 24, pp. 981-988.

– White, J. P. and Dawson, R., 1985,

“Casing Wear: Laboratory

Measurements and Field Predictions,”

SPE Paper 14325, 60th Annual

Technical Conference and Exhibition,

Las Vegas, Sep.. 22-25.

Efecto del desgaste


Efecto del desgaste

La resistencia a la presión interna varía inversamente con OD/wt, es decir, un

desgaste del 10% significa que estamos en un 90% de la resistencia original.

Esta afirmación se deriva de una de las expresiones matemáticas más utilizadas

IPyAPI = [2 y (kwall) t / OD] [expresión 10, pág. 28, ISO 10400].

– Tubo de diámetro exterior especificado = OD [pulg]

– y = tensión de fluencia mínima especificada [psi]

– kwall = factor para tener en cuenta la tolerancia de fabricación. Por ejemplo,

para un margen de tolerancia de menos 12,5%, kwall 0,875

– IPyAPI = presión interna de fluencia del tubo [psi]

– t = espesor de pared de la tubería [pulg]

Presión interna


En un diseño estándart de API

– Estimamos la profundidad del desgaste “hg”

– Calculamos el espesor remanente

– Calculamos OD/wt’

– Utilizamos la ecuación de API correspondiente

Kuriyama, et. al. presentaron un

trabajo con un Modelo mas cercano

a la realidad estimando la

reducción en la resistencia al

colapso debido a desgaste.

Colapso

a) Problema de desgaste b) Enfoque estándar (API) para diseño c) Análisis según Kuriyama

Efecto del desgaste


Efecto del desgaste

De acuerdo a Kuriyama, la resistencia al colapso se comporta de manera similar que la resistencia a la

presión interna.

Se tiene el mismo % de reducción en la Presión de Colapso que el % de desgaste.

No es el mismo que tomar este porcentaje de reducción de pared en la ecuación de colapso de API.

Este enfoque es demasiado conservador.

Sin conclusiones todavía sobre los grados Alto Colapso.

Ejemplo: 9 5/8” 53.50 ppf L80, con 10% de desgaste

Fórmula Original API para Colapso: 6,620 psi

Fórmula API con pared reducida: 5,230 psi

Reducción de presión de colapso -10%: 5,968 psi

Colapso


1. La falla por desgaste (o fatiga) puede ocurrir en pozos con importantes secciones de

tubos sin cementar y el Pandeo es, por lo general, el principal causante.

2. Existe un método conservativo de evaluar tendencia al “Buckling” y poder, en

consecuencia, realizar un “colgado” conveniente de la tubería.

3. Si el Pandeo es permanente, habrá deformación plástica en la tubería.

4. La literatura reporta varios casos de rotura en uniones de secciones con pandeo,

todos ellos en Rosca API 8-rd (tuberías con una importante relación OD/wt).

5. Las fallas se producen generalmente en la sección no cementada de la tubería.

6. La interacción entre la columna de perforación y el Casing no necesariamente deberá

ser elevada para producir la falla, de todas formas conjuntos de fondo mas “pesados”

transmiten mas carga al Casing.

Conclusiones

4. que es el pandeo

Documents

of the information

if tenaris

cemento tenaris

or license

and the information

tenaris products and

or for the purpose of

the execution of