Projeto de tubulação

Design de tubos

No capítulo anterior, o procedimento de seleção do diâmetro da tubulação foi baseado na análise do desempenho do poço. Nesta seção, o procedimento para selecionar propriedades do material da tubulação é apresentado. A seleção de material é realizada considerando diferentes forças que atuam sobre a tubagem durante as operações de produção e de trabalho e, em seguida, um método gráfico é usado para apresentar a carga da tubulação contra propriedades do material.

1.1 Forças na tubulação

Durante a vida do poço, a tubulação é submetida a várias forças das operações de produção e trabalho que incluem:

* produção de hidrocarbonetos,

* matança do poço,

* squeeze cementing,

* fraturação hidráulica, etc.

As atividades resultam em mudança de temperatura e pressão dentro da tubulação e do anel de tubulação, o que pode causar uma alteração no comprimento da tubulação (encurtamento ou alongamento).

A mudança de comprimento geralmente leva a aumentar a compressão ou tensão no tubo e em situações extremas, desencaixando o empacotador ou a falha da tubulação (Hammerlindl, 1977 e Lubinski et al., 1962).

De acordo com os autores, a mudança de pressão dentro e fora da afinação e da temperatura pode ter vários efeitos na tubulação:

* efeito de pistão (de acordo com a Lei de Hooke),

* encurvamento helicoidal,

* balonismo e

* efeito térmico.

EFEITO DE LEI DO HOOKE

Mudanças na pressão dentro e fora da tubagem podem causar o movimento da tubulação devido ao efeito do pistão. De acordo com a lei de Hooke, a mudança no comprimento da tubulação causada por este efeito pode ser calculada usando a Equação 4.1.

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Onde está a mudança de força devido à mudança de pressão dentro () e externo () tubulação e pode ser expresso como:

Onde, (veja a Fig. 4.2)

DL1 = mudança de comprimento devido ao efeito da Lei de Hooke, polegada,

L = comprimento da tubulação, polegada,

F = força que atua na parte inferior da tubulação, lb.,

E = módulo de elasticidade,

Como = área transversal da tubulação, inch2,

Ai = área com base no diâmetro interno da tubulação, polegada2 e

Ao = área com base no diâmetro externo da tubulação, inch2,

Ap = área com base no diâmetro do selo do empacotador, inch2,

= mudança na pressão dentro do anel no empacotador (Final - Inicial), psi e

= mudança de pressão no interior do tubo no empacotador (final - inicial), psi.

Notas: DL, DF, DPi ou DPo indicam alteração das condições iniciais de configuração do empacotador. É assumido Pi = Po quando empacotador é inicialmente configurado.

HALICAL BUCKLING

A diferença de pressão no interior da tubulação e do anel de tubulação do invólucro atua na área da seção transversal do furo do empacotador na vedação da tubulação e leva a uma diminuição no comprimento da tubulação devido ao encurvamento. Este efeito é conhecido como encurvamento helicoidal. Quando a tubagem é restrita ao movimento, é desenvolvida uma carga de tração. Este efeito é aumentado com o aumento da pressão interna da tubulação.

Exemplo de pedidos concluídos

A mudança de comprimento causada pelo encurvamento helicoidal pode ser calculada pela Equação 4.3.

onde

Força causando flambagem: Ff = Ap (Pi - Po)

Se Ff (uma força fictícia) é zero ou negativo, não há encadeamento.

Comprimento da tubulação encurralada: n = Ff/w

Onde,

DL2 = mudança de comprimento devido a flambagem, polegada,

r = distância radial entre tubagem e invólucro, polegada,

w = ws + wi - wo,

ws = peso da tubagem, lb/incn,

wi = peso de fluido contido no interior da tubulação, lb/in. (densidade multiplicada por área com base na ID da tubulação),

wo = peso do líquido anular deslocado pelo volume de tubulação em massa, lb/in. (densidade multiplicada por área com OD de tubagem),

= diâmetro externo da tubulação, polegada e

= diâmetro interior da tubulação, polegada.

O flambagem pode ser evitado aplicando a pressão anular da superfície.

BALLOONING EFFECT'S

A pressão radial dentro da tubulação faz com que o tubo aumente ou diminua de comprimento. Quando a pressão dentro da tubagem é maior em comparação com a pressão dentro do anel de tubulação, ele tende a inflar a tubulação, reduzindo assim a tubulação. Se a pressão dentro do anel da tubulação for maior que a pressão dentro da tubulação, então o comprimento da tubulação é aumentado. Este efeito é conhecido como balão e a mudança de comprimento causada por esse efeito é dada pela Equação 4.4.

Lista de seções

Onde,

DL3 = mudança de comprimento devido a balonagem, em.

m = razão de Poisson (0,3 para aço)

R = tubulação OD/ID da tubulação

Dri = mudança na densidade do fluido dentro do tubo, lb/in3

Dro = mudança na densidade do fluido fora do tubo, lb/in3

Dpi = mudança na pressão da superfície dentro do tubo, psi

Dpo = mudança na pressão da superfície fora do tubo, psi

d = queda de pressão na tubulação devido ao fluxo, psi/in. (geralmente considerado como d = 0)

EFEITO TÉRMICO

Devido ao gradiente geotérmico da Terra, a temperatura dos fluidos produzidos pode ser suficientemente alta para alterar o comprimento da tubulação. O efeito é contrário (diminuição do comprimento) quando um fluido frio é injetado dentro da tubulação. É ideal para alterar a temperatura média da corda. A mudança de comprimento devido à temperatura pode ser calculada usando a Equação 4.5.

Onde,

DL4 = mudança de comprimento, em.

L = comprimento da corda da tubulação, em.

C = coeficiente de expansão de aço por oF

DT = mudança de temperatura, oF

PACKER SETTING FORCE

A configuração do empacotador requer forças que podem levar à mudança no comprimento da tubulação.

Esta alteração de comprimento pode ser calculada usando a Equação 4.6., que é derivada com base nas Equações 4.1 e 4.3.

A força no empacotador não deve exceder os valores críticos, pelo que pode causar danos permanentes à tubulação. O peso inicial no empacotador pode causar desligar e verificar se essa situação pode existir, pode-se usar a Equação 4.7.

Onde, F = força de configuração.

A tubagem pode sofrer danos permanentes se a tensão na tubagem exceder a resistência ao escoamento do material da tubulação. Por conseguinte, é aconselhável determinar os estresses de tubulação seguros para uma determinada produção ou operação de workover. O estresse seguro da tubulação pode ser calculado usando as seguintes Equações (Allen e Roberts, 1989):

Os valores críticos podem ser calculados usando as Equações 4.8 e 4.9.

Onde,

Si = estresse na parede interna da tubagem

Então = estresse na parede externa da tubulação

Para empacotador de movimento livre:

Quando o empacotador exerce alguma força na tubulação, um termo adicional Ff deve ser adicionado ao Fa e o signo nas Equações 4.8 e 4.9 varia de forma a maximizar as tensões.

Exemplo 4.1: Um exemplo de cálculo de Movimento de Tubulação:

As seguintes operações devem ser realizadas em um bem preenchido com 9.000 pés de 2-7/8 OD (2.441 ID), tubulação de 6.5 lb/ft. A tubagem é selada com um empacotador que permite o movimento livre. O invólucro do empacotador é de 3,25 . A caixa é de 32 lb/ft, 7 OD (6.049 ID). Calcule o movimento total da tubulação (nota: a notação é usada para polegadas).

<table cellpadding ="" "0" cellspacing ="" "0">

Condições

Produção

Frac

Cimento

Fluido inicial

12 lb/gal de lama

13 lb/gal de água salgada

óleo de 8,5 lb/gal

Fluido final

Tubulação

óleo de 10 lb/gal

11 lb/gal frac fluido

15 lb/gal cimento

Annulus

12 lb/gal de lama

13 lb/gal de água salgada

óleo de 8,5 lb/gal

Pressão final

Tubulação

1500 psi

3500 psi

5000 psi

Annulus

0

1000 psi

1000 psi

Mudança de temperatura

+ 25oF

-55oF

-25oF

SOLUÇÃO

Produção:

efeito da lei de Hooke

nas condições inferiores do furo

DPi = Pressão final no interior da tubulação - Pressão inicial dentro do tubo

DPo = Pressão final dentro do anel - pressão inicial dentro do anel

Usando a Eq. (4.2)

Usando a Eq. (4.1)

Efeito de fivela helicoidal

Usando a Eq. (4.3)

Efeito de balão

Usando a Eq. (4.4)

Efeito de temperatura

Usando a Eq. (4.5)

Movimento total da tubulação

(Tubulação alonga)

Fracturação:

efeito da lei de Hooke

nas condições inferiores do furo

DPi = Pressão final no interior da tubulação - Pressão inicial dentro do tubo

DPo = Pressão final dentro do anel - pressão inicial dentro do anel

Usando a Eq. (4.2)

Usando a Eq. (4.1)

Efeito de fivela helicoidal

Usando a Eq. (4.3)

Efeito de balão

Usando a Eq. (4.4)

Efeito de temperatura

Usando a Eq. (4.5)

Movimento total da tubulação

(Tubulação encurta)

Cimento:

efeito da lei de Hooke

nas condições inferiores do furo

DPi = Pressão final no interior da tubulação - Pressão inicial dentro do tubo

DPo = Pressão final dentro do anel - pressão inicial dentro do anel

Usando a Eq. (4.2)

Usando a Eq. (4.1)

Efeito de fivela helicoidal

Usando a Eq. (4.3)

Efeito de balão

Usando a Eq. (4.4)

Efeito de temperatura

Usando a Eq. (4.5)

Movimento de tubagem total

(Tubulação encurta)

1.2 Seleção de material de tubulação

A seleção da tubulação deve ser baseada ou não na tubulação pode suportar várias forças que são causadas devido a variações de temperatura e pressão. A API tem tubulação especificada com base na classificação de aço. As notas mais comuns são: H40, J55, K55, C75, L80, N80, C95, P105 e P110. O número que segue a carta indica a força máxima de produção do material em milhares de psi. A falha da tubagem pode ser atribuída às condições de carregamento. Existem três modos de falha na tubulação que incluem:

* estourar (pressão devido ao fluido dentro do tubo),

* colapso (pressão devido ao fluido fora do tubo) e

* tensão (devido ao peso da tubulação e tensão se for restringida do movimento).

O desenho gráfico da tubagem pode ser conseguido através da criação de uma trama de profundidade versus pressão. Este projeto é realizado calculando as pressões dentro da tubulação e do anel de tubulação na extremidade inferior e na cabeça da tubulação. As pressões diferenciais máximas no orifício de superfície e inferior são examinadas usando o enredo. Esta condição máxima geralmente ocorre durante a estimulação.

Quando a pressão anular máxima permitida é mantida durante a estimulação, pode ser conseguida uma quantidade considerável de redução na carga da tubagem. A carga de pressão de ruptura (diferença entre a pressão dentro da tubulação e o anel) é principalmente experimentada em maior magnitude próxima à superfície, mas pode não ser sempre sempre verdadeira. As linhas de carga de estouro são traçadas seguido de traçar linhas de carga de colapso.

As cargas de colapso são calculadas com a suposição de que um vazamento lento no orifício inferior despressurizou a tubulação. Este cenário às vezes é expereinced após o tratamento de fraturamento quando os operadores começam o kickoff antes de sangrar a pressão anular.

Se os dados para condições de teste de pressão (geralmente a carga mais crítica) estiverem disponíveis, ele deve ser incluído no gráfico.

Juntamente com as cargas de colapso e explosão, a resistência à explosão e ao colapso para diferentes tipos de tubulação (disponíveis) são plotadas. Ao observar o enredo, podemos determinar qual classe de tubulação a ser selecionada que pode suportar as cargas calculadas.

Um exemplo de seleção de tubulação com base no design gráfico é apresentado abaixo.

Exemplo 4.2: design de tubulação gráfica

Com base nos dados fornecidos abaixo, selecione um cordão de tubulação que satisfaça explosão, colapso e tensão com fatores de segurança de 1.1, 1.0 e 1.8 respectivamente.

Dados de planejamento:

D = 9000 ft de profundidade verdadeira,

f = 2.875 polegadas, OD da tubulação,

CIBHP = 6280psi, pressão de furo embutida fechada,

FBP = 12550psi, pressão de degradação da formação,

FPP = 9100psi, pressão de propagação de fratura,

Gpf = 0,4 psi/ft gradiente de fluido do empacotador,

Gf = gradiente de fluido de fraturação de 48 psi/ft,

g = 0,75 gravidade do gás no reservatório,

Pann = 1000 psi, pressão de anel máxima permitida,

SFB = 1.1, Fator de segurança, condição de explosão,

SFC = 1.0, Fator de segurança, Condição de colapso,

SFT = 1.8, Fator de segurança, carga de tração,

Avaliação de explosão e colapso das tubulações disponíveis:

B_L80 = 9395 psi,

C_L80 = 9920 psi,

B_J55 = 6453 psi,

C_J55 = 6826 psi,

B_H40 = 4693 psi e

C_H40 = 4960psi.

Solução:

Passo 1: Calcule a proporção da pressão da base na superfície.

Tabela de referência 4.1 no manual, determine a proporção de superfície e BHP na gravidade do gás do reservatório dado,

Com uma gravidade do gás = 0.8 e Profundidade 9000 pés, a proporção é 0.779

Com uma gravidade do gás = 0.7 e Profundidade 9000 ft, a proporção é 0.804

Na gravidade do gás 0,75 a razão da pressão da superfície para BHP é

Tabela 4.1 - Razão da pressão superficial e BHP em poços de gás para uma gama de gravidade do gás.

<table cellpadding ="" "0" cellspacing ="" "0">

Profundidade do furo

Gravidade do gás

(ft)

(m)

0,60

0,65

0,70

0,80

1000

305

0.979

0.978

0.976

0.973

2000

610

0.959

0.956

0.953

0.946

3000

915

0.939

0.935

0,93

0.92

4000

1219

0.92

0.914

0.907

0.895

5000

1524

0.901

0.893

0.885

0,87

6000

1830

0.883

0.873

0.854

0.847

7000

2133

0.864

0.854

0.844

0.823

8000

2438

0.847

0.835

0.823

0.801

9000

2743

0.829

0.816

0.804

0.779

10000

3048

0.812

0.798

0.764

0.758

11000

3353

0.795

0,78

0,766

0,737

12000

3660

0.779

0.763

0.747

0,717

13000

3962

0.763

0.746

0.729

0.697

14000

4267

0.747

0.729

0,712

0.678

15000

4572

0.732

0.713

0.695

0.659

16000

4876

0,717

0.697

0,67

0.641

17000

5181

0.702

0.682

0.652

0.624

18000

5486

0.687

0.656

0.645

0.607

19000

5791

0.673

0.652

0.631

0,59

20000

6097

0.659

0.637

0.615

0,574

Passo 2: Calcule as pressões pertinentes para diferentes condições de operação.

a) Pressões dentro do anel de tubulação-tubulação

Assumindo durante a produção e morte do poço, o líquido do empacotador está presente dentro do anel da tubulação do invólucro.

Para produzir situação:

Pressão dentro do anel na superfície = gradiente do fluido do empacotador * Profundidade

Pkill_prod_surface = = 0,4 * 0 = 0 psi

Pressão dentro do anel no orifício inferior = gradiente do fluido do empacotador * Profundidade

Pkill_prod = Gpf * D = 0,4 * 9000 = 3600 psi

Para estimulação:

Pressão dentro do anel em superfície = Pstim_surf = 1000 psi

Pressão dentro do anel no fundo final = gradiente do líquido do empacotador * Profundidade + (Max

Pressão admissível dentro do anel)

Pstim_bh = Gpf * D + Pann = 0,4 * 9000 + 1000 = 4600 psi

b) Pressões dentro da tubulação

No furo inferior, pressão = CIBHP

Na superfície, pressão = CITHP (fechado na pressão da cabeça da tubulação)

CITHP = relação * CIBHP

CITHP = 0,792 * 6280 = 4973 psi

SITUAÇÃO DE MATANÇA:

Quando um poço é morto, a pressão do furo inferior é dada como a soma de CIBHP e a pressão de anel máxima permitida.

No furo inferior, pressão no interior da tubulação durante a situação de morte (BHIP) = CIBHP + Pann

BHIP = 6280 +1000 = 7280psi

A pressão da cabeça da tubulação durante a situação de morte é calculada pela multiplicação do BHIP com a gravidade do gás.

Na pressão da matança da cabeça da tubulação (THIP) = relação * BHIP = 0,792 * 7280 = 5765 psi

SITUAÇÃO DE DISCAPACIDAD DE FORMAÇÃO:

Durante a estimulação, a pressão do fundo é a pressão de ruptura da formação e pode ser calculada pela densidade do líquido de fratura. Neste problema, a pressão de quebra é especificada.

No fundo, pressão no interior da tubulação durante a quebra da formação (BHFBP) = FBP

BHFBP = 12550 psi

A pressão da cabeça da tubulação pode ser calculada subtraindo a cabeça hidrostática gerada pelo fluido de fraturamento da pressão do fundo.

Na cabeça da tubulação, pressão (THFBP) = FBP -Gf * D

= 12550- 0,48 * 9000 = 8230psi

PROPAGAÇÃO DE FRACTURA

Durante a estimulação (propagação), experimentamos alguma queda de pressão devido ao atrito. Com base nas taxas de bombeamento e nas propriedades dos adereços, podemos determinar a queda na pressão. Assumindo uma queda de pressão de 0,35 psi/ft (geralmente calculada através das propriedades do fluido de fraturação e da taxa de bombeamento), a pressão da base na propagação da fratura (BHFP) pode ser calculada como:

DPfr = 0,35 psi/ft

No fundo, BHFP = FPP

BHFP = 9100 psi

Na cabeça da tubulação, a pressão dentro da tubulação pode ser calculada como:

Pressão de propagação da fratura da cabeça da tubulação (THFP) = BHFP + DPfr * D - Gf * D

= 9100 + 0,35 * 9000 -0,48 * 9000 = 7930 psi

Etapa 3: Calcule a carga de explosão para diferentes condições de operação:

Definindo as cargas de estouro:

Burst Pressão de carga = pressão no interior da tubulação - pressão no anel de tubulação

Carga de explosão na cabeça da tubulação para produzir condições:

BL _surface_prod = CITHP - Pkill_prod_surface = 4973 - 0 = 4973 psi

Carga de explosão no fundo para condições de produção:

BL _bh_prod = CIBHP - Pkill_prod = 6280-3600 = 2680 psi

Carga de explosão na cabeça da tubulação para operação de matar:

BL _surface_kill = THIP - Pkill_prod_surface = 5765 -0 = 5765 psi

Burst Load no fundo para operação de matar:

BL _bh_kill = BHIP - Pkill_prod = 7280-3600 = 3680 psi

Carga de explosão na cabeça da tubulação para a quebra da formação:

BL _surface_fbp = THFBP - Pstim_surf = 8230 -1000 = 7230 psi

Burst Load no bottomhole para repartição da formação:

BL _bh_fbp = BHFBP - Pstim_bh = 12550 -4600 = 7950 psi

Carga de explosão na cabeça da tubulação para propagação da fratura:

BL _surface_fbp = THFP - Pstim_surf = 7930 -1000 = 6930 psi

Burst Load no fundo da propagação da fratura:

BL _bh_fbp = BHFP - Pstim_bh = 9100 -4600 = 4500 psi

Etapa 4: Cálculo da carga de colapso

Definindo as cargas de colapso:

Pressão de carga de colapso = pressão na pressão do anel de tubulação-dentro do tubo

Para traçar as condições críticas de carga de colapso (CLL) normalmente, assumimos que um vazamento lento na tubulação mudou a pressão dentro do anel de tubulação-tubulação para CITHP e essa tubulação está vazia e despressurizada.

Etapa 5: trace as linhas de carga.

Trace a carga de explosão e coloque linhas de carga para várias operações de conclusão, raio e linhas de resistência de colapso para as classes de tubulação disponíveis. O gráfico obtido é ilustrado na Fig. 4.4.

Pode ser observado a partir da parcela que a situação de degradação da formação tem as pressões de estouro máximas. A linha máxima de pressão de ruptura e a linha de colapso são plotadas com as classificações disponíveis da tubulação. A trama resultante parecerá a Fig. 4.5.

Em seguida, inspecionando o gráfico, podemos chegar a uma conclusão de que o grau L-80 é o melhor grau disponível que pode suportar as pressões de colapso e explosão durante várias operações. Mas em outras situações, temos uma opção para selecionar várias notas na tubulação que são guiadas pelas condições de carregamento estimadas.

Estimativa da carga de tração:

A maioria das falhas de tubulação são causadas devido a vazamento de acoplamento e falha. A falha no acoplamento pode ser atribuída ao design inadequado para a tensão da tubulação.

Esta carga é um dos significantes e causa a maioria das falhas em comparação com as falhas devido às pressões de estouro e colapso.

Um fator de segurança mais alto é usado ao projetar tubulação. O design pode ser iniciado considerando apenas o peso da tubulação no empacotador. Algumas empresas até ignoram os efeitos da flutuabilidade enquanto calculam o peso para ter um design melhor.

Então, idealmente, um projeto de tubulação para tensão é realizado calculando o peso da tubulação no ar. Em seguida, o peso flutuante da tubulação é calculado usando as densidades de aço e lama. Selecionando um grau de caixa que pode lidar com a carga de tração gerada devido ao peso da tubulação. Um exemplo abaixo ilustra o design da tubulação para tensão.

Exemplo 4.3

Design de tensão

Peso da tubulação: 7,2 lb/ft

Comprimento da tubulação: 12,500 ft

Líquido do embalador: 0,38 psi/ft = 54,72 lb/ft3

Densidade de aço: 490 lb/ft3

Win_air = 7,2 x 12,500 = 90,000 lb

Wbuoyant = = 0,89 x 73,600 = 80,100 lb

Especificações de juntas

J55

L80

EUE

HYD CS

EUE

HYD A95

força de articulação API (Klb)

fator de design

capacidade de design (Klb)

99.7

1.8

55.4

100

1.8

55.6

135.9

1.8

75.5

150

1.8

83.3

Considerações sobre o design da tensão da tubulação

1. Requer tubulação L80 na superfície

2. Requer capacidade de força articular de HYD A95 ou equivalente

Perguntas de revisão

1. Quando o flambagem da tubulação acima de um empacotador provavelmente ocorreria?

2. Um poço de petróleo de 10.000 pés e alta taxa é completado com uma tubulação de 15,5 lb/ft de 5 ½ (espessura da parede 0,275). Sob condições de produção, o gradiente de temperatura de fluxo é de 0,40 F/100 pés e, em condições estáticas, o gradiente geotérmico é de 1,8oF/100 pés a partir de uma temperatura média da superfície de 40oF. Quando o poço é morto com um grande volume de água do mar de 40oF, a temperatura do furo inferior cai para 70oF. Se livre para mover, que movimento de tubulação pode ser esperado da condição de pouso para a produção quente e para as condições de injeção a frio? Se um empacotador hidráulico fosse usado e ajustado em tensão de 30.000 lb, qual seria o carregamento de tensão no empacotador depois de matar o poço? (Ignorar pistão, efeitos de balão e de flambagem).

3. Um poço de 7000 pés que deve ser produzido com um alvo de 15.000 STB/D usando uma tubulação de 5½ encontrando 170 pés de formação de óleo com uma pressão de 3000 psi. Qual a classificação da cabeça de poço deve ser usada? Se um único grau e O tubo de peso deve ser usado, qual é a string mais barata que provavelmente pode ser executada, assumindo que

Grau

Peso

(lb/ft)

Colapso de força

(psi)

Força de explosão

(psi)

Força Tensional

(1000 lb)

Comparação de custos

J-55

C-75

N-80

15.5

17.0

17.0

17.0

20.0

4040

4910

6070

6280

8830

4810

5320

7250

7740

8990

300

329

423

446

524

Mais baratos

Mais caro

Moderadamente caro

REFERENCES

1. Allen, TO e Roberts, AP, Well Completion Design - Operações de Produção - 1, 3ª edição, 1989, pp 182-187.

1. Hammerlindl, DT, Movimento, Forças e Estresse Associadas a Cordas de Tubulação Combinadas Seladas com Packers, JPT, fevereiro de 1977.

2. Lubinski, A, Althouse, WS, Logan, TL, Buckling de Tubulação Sealed in Packers, JPT, junho de 1962.

3. Bem concluir o design e as práticas PE 301-IHRDC E amp; P Manual Series, Boston, MA 02116, EUA.