De qué está hecha la tubería de perforación?

La tubería de perforación es un tubo de acero con un extremo roscado. Como componente principal de la sarta de perforación, generalmente se fabrica con tubería de acero sin costura. Según las normas API 5DP, su espesor de pared suele estar entre 9 y 11 mm. El cuerpo de la tubería y las juntas se unen mediante un proceso de soldadura por fricción, conocido como soldadura a tope.

Este componente crítico desempeña una doble función en la perforación petrolera: por un lado, transmite el torque, garantizando la estabilidad y la eficiencia durante la perforación; por otro, transporta el fluido de perforación, proporcionando lubricación y refrigeración esenciales para las operaciones de fondo de pozo. A medida que la tubería de perforación se profundiza, los pozos se expanden. Por lo tanto, la tubería de perforación desempeña un papel crucial en la perforación petrolera. La tubería de perforación se puede utilizar múltiples veces durante el proceso de extracción y refinación de petróleo y gas.

Estructura de la tubería de perforación:
La estructura de la tubería de perforación se puede resumir en dos componentes principales: el cuerpo de la tubería de perforación y la junta de la tubería de perforación. El cuerpo de la tubería de perforación, como cuerpo principal de la tubería de perforación, proporciona soporte y transmisión principales. La unión desempeña un papel fundamental en la conexión de múltiples piezas de tubería de perforación para formar una sarta de perforación continua. Estructuralmente, estos componentes se unen mediante un meticuloso proceso artesanal, lo que garantiza la estabilidad y la eficiencia de la tubería de perforación durante la perforación. Con la aplicación generalizada de la tecnología de soldadura a tope por fricción, la fabricación moderna de tuberías de perforación ha alcanzado nuevas cotas.

De qué materiales están hechas las tuberías de perforación?

Las tuberías de perforación se fabrican principalmente de acero aleado de alta calidad, que ofrece alta resistencia, alta resistencia al desgaste y excelente tenacidad, capaz de soportar la presión extrema y el desgaste que se experimentan durante la perforación. Dependiendo del entorno operativo y los requisitos específicos, las tuberías de perforación también pueden fabricarse con materiales como acero de alta resistencia o acero inoxidable. Las tuberías de perforación petrolera modernas no están fabricadas con un solo material, sino que utilizan estructuras compuestas y materiales especializados optimizados para los requisitos funcionales de las diferentes piezas.

1. Cuerpo de la tubería de perforación: acero de baja aleación y alta resistencia

El cuerpo de la tubería de perforación está fabricado casi en su totalidad con acero de baja aleación y alta resistencia. Este no es un acero común, sino un material de ingeniería que se somete a una formulación especial y un proceso de tratamiento térmico.

Grados de acero comunes (según las normas API 5DP, el número representa el límite elástico mínimo en miles de psi):

E-75: Mínima resistencia, utilizado en pozos someros o secciones no críticas. 

X-95 y G-105: Resistencia media, ampliamente utilizado.

S-135: La opción principal para tuberías de perforación estándar de alta resistencia, aptas para pozos profundos y ultraprofundos.
V-150 y Z-180: Resistencia ultraalta, utilizadas en condiciones operativas extremas (como pozos ultraprofundos y pozos de alcance extendido), pero más susceptibles al agrietamiento.

Los grados X, G y S se clasifican como grados de acero de alta resistencia. Cuanto mayor sea el grado de acero, mayor será la resistencia de la tubería de perforación a la tensión, la torsión y el colapso externo. Al diseñar la resistencia del tren de perforación, generalmente se recomienda aumentar el grado de acero en lugar de simplemente aumentar el espesor de la pared.

Requisitos de las propiedades del material:

Alta resistencia: Soporta cargas significativas de tracción, torsión y compresión.
Alta tenacidad: Previene la fractura frágil bajo cargas de impacto o concentraciones de tensión.
Buena resistencia a la fatiga: Resiste las tensiones alternas generadas por la flexión y la rotación en el pozo. Cierto grado de dureza: Resiste el desgaste y la corrosión, pero la dureza no debe ser demasiado alta (especialmente en entornos de sulfuro de hidrógeno, donde la dureza debe controlarse para prevenir el agrietamiento por tensión del sulfuro).

2. Uniones de herramientas - Acero de aleación de alta resistencia

Las uniones de herramientas en ambos extremos de la tubería de perforación están sujetas al desgaste más severo y a las tensiones más complejas. Por lo tanto, sus materiales son más resistentes, duros y resistentes al desgaste que el cuerpo de la tubería.

Material: Se utilizan aceros de aleación de cromo-molibdeno, como AISI 4140H/4130H, que se someten a un tratamiento térmico de temple y revenido. Características:
Ultraalta resistencia: El límite elástico suele ser mucho mayor que el del cuerpo de la tubería para soportar el considerable par de apriete y los momentos de flexión.
Alta dureza superficial: La superficie exterior de la unión suele alcanzar una dureza de HRC 58-62, lo que la hace extremadamente resistente al desgaste y a la fricción con la tubería de revestimiento y la pared del pozo.
Núcleo de alta tenacidad: El núcleo interior mantiene una buena tenacidad para soportar cargas de impacto y prevenir fracturas.

3. Zona de soldadura por fricción - Conexión de materiales

El cuerpo de la tubería de perforación y la unión de la herramienta se unen mediante soldadura por fricción. Este es un proceso físico, no el uso de un tercer material.
Proceso: El cuerpo de la tubería y el conector se presionan entre sí mediante rotación a alta velocidad. El calor de fricción en las superficies de contacto las hace alcanzar un estado termoplástico, que posteriormente se enfría bajo presión para formar una fuerte unión metálica.
Tratamiento post-soldadura: La zona de soldadura se normaliza para eliminar la tensión residual, refinar el tamaño del grano y garantizar una transición fluida en las propiedades mecánicas (en particular, la tenacidad y la resistencia a la fatiga) para evitar que se convierta en un punto débil.

Materiales para Condiciones Especiales de Operación:

Para entornos extremos, se utilizan materiales de mayor calidad:

1. Tubería de Perforación Resistente al Azufre
Requisito: En pozos de petróleo y gas que contienen sulfuro de hidrógeno, el H₂S puede causar agrietamiento inducido por hidrógeno y agrietamiento por corrosión bajo tensión por sulfuro en acero ordinario.
Material: Se utilizan grados de acero con tratamiento especial (como los grados API SM y SS). La clave está en controlar estrictamente la dureza y la composición química para mejorar la resistencia al azufre.

2. Tubería de Perforación de Aleación Resistente a la Corrosión
Requisito: Para uso en entornos altamente corrosivos con altas cantidades de CO₂, cloruros o temperaturas y presiones extremas. Materiales: Se utilizan aleaciones costosas pero altamente resistentes a la corrosión, como el acero inoxidable y las aleaciones a base de níquel. Aplicación: Generalmente se utiliza solo en secciones de pozos con corrosión severa, ya que su costo puede ser diez veces mayor que el de las tuberías de perforación de acero convencionales.

Proceso de fabricación de tuberías de perforación:

Las tuberías de perforación petrolera se fabrican generalmente con tubería de acero sin costura, principalmente para evitar puntos de concentración de tensiones y posibles defectos que no se pueden evitar por completo en las tuberías soldadas. Esto se debe a las condiciones de servicio extremadamente exigentes y a los estrictos requisitos de seguridad de las tuberías de perforación petrolera.

Ventajas de rendimiento de las tuberías de perforación sin costura:

1. Soporta tensiones multidireccionales complejas

La tubería de perforación está sometida simultáneamente a una gran tensión, compresión, torsión y presión interna en el fondo del pozo, lo que resulta en un estado de tensión extremadamente complejo.

2. Resistencia a la fatiga extremadamente alta

La tubería de acero sin costura ofrece líneas de flujo de metal continuas y uniformes, y propiedades mecánicas isótropas, lo que proporciona la máxima resistencia a la iniciación y propagación de grietas por fatiga. La costura de soldadura de las tuberías soldadas es el punto más débil en cuanto a resistencia a la fatiga y rara vez cumple con los requisitos de resistencia a la fatiga extremadamente altos de las tuberías de perforación.

3. Evite el riesgo de defectos de soldadura
Cualquier proceso de soldadura puede producir defectos diminutos como poros, inclusiones de escoria o falta de fusión. Estos defectos se observan como grietas microscópicas al microscopio. Bajo los efectos combinados de las tensiones extremadamente altas y el entorno corrosivo de la tubería de perforación, estos pequeños defectos pueden expandirse rápidamente, provocando fracturas frágiles repentinas y graves accidentes en el fondo del pozo. Las tuberías de acero sin costura eliminan fundamentalmente los riesgos asociados con los defectos de soldadura.

4. Garantice una resistencia y tenacidad uniformes
La tubería de perforación requiere una consistencia extremadamente alta en resistencia, tenacidad y dureza en toda su longitud.

Introducción al rendimiento del material de la tubería de perforación:

Como componente crítico en las operaciones de perforación, la selección de los materiales de la tubería de perforación es crucial. Actualmente, los materiales comunes para tuberías de perforación en el mercado incluyen acero aleado de alta calidad, acero de alta resistencia y acero inoxidable. Cada material tiene sus propias características únicas y es adecuado para diferentes escenarios de perforación.

1. Acero aleado de alta calidad: El acero aleado de alta calidad es uno de los materiales más utilizados para la tubería de perforación. Al añadir cantidades adecuadas de elementos de aleación como cromo, níquel y molibdeno al acero, se mejora significativamente su resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad. Esto permite que las tuberías de perforación de acero aleado de alta calidad tengan un rendimiento excepcional en entornos de perforación hostiles, como alta presión y alto desgaste.

2. Acero de alta resistencia: El acero de alta resistencia es un tipo de acero con una resistencia extremadamente alta y una excelente tenacidad. En comparación con el acero aleado de alta calidad, el acero de alta resistencia ofrece una resistencia superior y es adecuado para aplicaciones de perforación que requieren una resistencia extremadamente alta en las tuberías de perforación. Sin embargo, el acero de alta resistencia puede ser ligeramente menos resistente al desgaste que el acero aleado de alta calidad, por lo que se requieren consideraciones exhaustivas al utilizarlo.

3. Acero inoxidable: Las tuberías de perforación de acero inoxidable se utilizan principalmente en entornos de perforación altamente corrosivos. El acero inoxidable ofrece una excelente resistencia a la corrosión y puede mantener un rendimiento estable en medios corrosivos como ácidos y álcalis. Si bien las tuberías de perforación de acero inoxidable pueden no ser tan fuertes ni resistentes al desgaste como los dos materiales anteriores, aun así ofrecen ventajas irremplazables en entornos específicos.

Criterios para la selección del material de la tubería de perforación:
Al seleccionar el material de la tubería de perforación, es importante considerar factores como los requisitos específicos del proyecto de perforación, el entorno operativo y el costo. Por ejemplo, en perforaciones en aguas profundas o en entornos de alta temperatura y alta presión, se prefiere una tubería de perforación de acero aleado de alta calidad, de alta resistencia y resistencia al desgaste. En entornos altamente corrosivos, la tubería de perforación de acero inoxidable es más adecuada. Además, el costo es un factor clave en la selección del material de la tubería de perforación. El precio de los diferentes materiales de tubería de perforación varía, por lo que se debe tomar una decisión razonable según el presupuesto del proyecto y las necesidades reales.

Soldadura a tope de las uniones de la tubería de perforación a los cuerpos de la tubería:
Para mejorar la resistencia de la conexión entre el cuerpo de la tubería y las uniones, se suelen engrosar ambos extremos del cuerpo de la tubería. Los métodos comunes de engrosamiento incluyen engrosamiento interno, engrosamiento externo y engrosamiento interno y externo.

Conclusión:

Una tubería de perforación petrolera típica es una estructura compuesta por un cuerpo de tubería de acero de alta resistencia y una unión de acero aleado más resistente, soldada por fricción. La selección del material es crucial para garantizar un funcionamiento confiable en entornos de pozo extremadamente hostiles.

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