Análisis de Esfuerzos en Revestimientos Petroleros según API 5CT

API 5CT (Norma del Instituto Americano del Petróleo) es una norma internacionalmente aceptada para la fabricación y el uso de revestimientos petroleros. Esta norma especifica los materiales, las dimensiones, las propiedades mecánicas (como la resistencia a la tracción, el límite elástico, la resistencia al colapso, etc.) y los requisitos de esfuerzo. Los revestimientos petroleros estarán sometidos a diversas tensiones en el subsuelo, entre las que se incluyen:

Principales tipos de esfuerzos en revestimientos petroleros:

(1) Esfuerzo Axial
Fuente: Peso muerto del revestimiento, carga de suspensión en boca de pozo, esfuerzo térmico causado por cambios de temperatura, presión del fluido, etc.

(2) Esfuerzo Radial
Fuente: Presión interna y externa del pozo (como la presión de formación y la presión de inyección de agua).

(3) Esfuerzo Circunferencial (Anillo)
Fuente: La diferencia de presión interna y externa somete el revestimiento a una fuerza circunferencial, un indicador clave de su resistencia al colapso.

(4) Esfuerzo Cortante
Fuente: flexión del pozo, excentricidad de la tubería de revestimiento, carga de formación no uniforme, etc.

(5) Esfuerzo Combinado

Esfuerzo equivalente de Von Mises (utilizado para evaluar la resistencia de la tubería de revestimiento):

Requisitos de API 5CT para el esfuerzo de la tubería de revestimiento:

API 5CT especifica el límite elástico mínimo y la resistencia a la tracción de la tubería de revestimiento de diferentes grados de acero, por ejemplo:

Steel Grade	Minimum Yield Strength (psi)	Minimum Tensile Strength (psi)
H40	40,000	60,000
J55	55,000	75,000
K55	55,000	95,000
N80	80,000	100,000
P110	110,000	125,000
Q125	125,000	135,000

Modos de falla por tensión en la tubería de revestimiento petrolera:

Falla por tracción: la tensión axial excede la resistencia a la tracción, lo que resulta en una fractura.
Falla por extrusión: la presión externa excede la resistencia a la compresión, lo que resulta en la deformación o colapso de la tubería de revestimiento.
Falla por explosión: la presión interna excede la resistencia a la presión interna, lo que resulta en la ruptura de la tubería de revestimiento.
Falla por fatiga: las tensiones alternas (como la inyección de agua o la acidificación) provocan la propagación de grietas.
Falla por corrosión: los medios corrosivos como el H₂S y el CO₂ reducen la resistencia de la tubería de revestimiento.

Cómo optimizar el diseño de la tubería de revestimiento petrolera bajo tensión?

Seleccionar racionalmente el grado de acero (como P110 para pozos profundos y Q125 para pozos ultraprofundos).
Optimizar el espesor de la pared (un mayor espesor de pared puede mejorar la resistencia a la compresión).
Utilizar tubería de revestimiento compuesta (como aleación de titanio o aleación resistente a la corrosión).
Optimizar la calidad de la cementación (reducir la carga no uniforme).
Análisis de elementos finitos (FEA): simular estados de tensión complejos en el fondo del pozo.

Conclusión: 

El análisis de tensiones de tuberías de revestimiento de petróleo API 5CT incluye tensiones axiales, radiales, circunferenciales y compuestas. Es necesario calcular parámetros clave como la resistencia a la tracción, la resistencia al colapso y la resistencia a la presión interna, en combinación con las normas API, para garantizar el servicio seguro de las tuberías de revestimiento subterráneas. El grado de acero, el espesor de pared, el entorno de corrosión y las condiciones de carga deben considerarse exhaustivamente durante el diseño para evitar riesgos de falla.

Read more: Oil Tubing VS. Casing Pipe or Seamless Casing VS. ERW Casing