Estructura de la tubería de perforación y especificaciones comunes

La tubería de perforación es el componente principal de la sarta de perforación en la ingeniería de perforación. Generalmente, está hecha de tubería de acero sin costura y consta de dos partes clave: el cuerpo de la tubería de perforación y la junta de la tubería de perforación. La tubería de perforación es la parte más numerosa y larga del sistema de la sarta de perforación, y se utiliza principalmente para transmitir potencia, circular fluido de perforación y soportar el peso de la sarta. Su diseño estructural y la selección de especificaciones varían según el escenario de aplicación (como la perforación petrolera o la exploración geológica) e influyen directamente en la seguridad y la eficiencia de las operaciones de perforación.

Estructura de la tubería de perforación:

Una tubería de perforación completa consta de tres partes principales: el cuerpo de la tubería, la unión de la herramienta y el área soldada.

1. Cuerpo de la tubería

Generalmente hecho de acero aleado de alta resistencia. Se caracteriza por su espesor de pared relativamente delgado, lo que busca reducir el peso total y garantizar la resistencia. Además, posee cierta elasticidad para adaptarse a la flexión del pozo.

Función: Es la principal estructura portante para transmitir torque y transportar fluido de perforación.

2. Juntas de Herramienta

Fabricadas con un acero de aleación de mayor calidad que el cuerpo de la tubería, se someten a un tratamiento térmico especial, lo que les confiere mayor resistencia, dureza y resistencia al desgaste. Se caracterizan por un diámetro exterior y un espesor de pared significativamente mayores que el cuerpo de la tubería, lo que les permite soportar grandes tensiones y desgastes en la conexión. Ambos extremos están mecanizados con roscas (externas e internas).

Funciones:
Conexión: Conecta tuberías de perforación individuales a una sarta de perforación de miles de metros de longitud.
Soporte de Carga: Soporta la mayor parte de las cargas de tracción, compresión y torsión.
Resistencia al Desgaste: La junta suele estar recubierta con una tira antidesgaste para resistir el desgaste por fricción contra el pozo.

Clasificación de las juntas de tubería de perforación: Juntas planas internas, de pozo completo, regulares, rosca digital (NC), especiales, etc.

3. Zona de Soldadura

Es el área donde la unión de tubería se suelda a tope al cuerpo de la tubería mediante soldadura por fricción.

Requisitos: La resistencia de la zona de soldadura no debe ser inferior a la resistencia del propio cuerpo de la tubería. Este es uno de los aspectos tecnológicos más críticos de todo el proceso de tubería de perforación.

Métodos de Conexión de Tuberías de Perforación:
Existen dos métodos principales para conectar el cuerpo de la tubería de perforación y el conector: uno es la conexión de rosca fina, donde ambos extremos del cuerpo de la tubería se mecanizan con roscas macho finas que se conectan a la rosca hembra fina en un extremo del conector. Este tipo de tubería de perforación se denomina tubería de perforación de rosca fina. El otro método consiste en soldar a tope el cuerpo de la tubería y el conector mediante soldadura por fricción. Este tipo de tubería de perforación se denomina tubería de perforación soldada por fricción.

Cabe destacar que las conexiones de tuberías de perforación utilizan principalmente métodos de rosca fina y soldadura por fricción, siendo las tuberías de perforación soldadas por fricción las más utilizadas actualmente. Las tuberías de perforación de rosca fina se han descontinuado en gran medida, y la mayoría de las tuberías de perforación que se producen a nivel mundial actualmente son tuberías de perforación soldadas por fricción.

La soldadura por fricción de las tuberías de perforación implica soldar a tope el cuerpo de la tubería y el conector mediante calor y presión por fricción. Este método de soldadura ofrece ventajas como una alta resistencia de conexión y un proceso estable, y actualmente es el método de conexión más utilizado en la producción de tuberías de perforación. Durante la soldadura por fricción, los parámetros de soldadura deben controlarse estrictamente para garantizar la calidad de la soldadura.

Para mejorar aún más la estabilidad de la conexión entre el cuerpo de la tubería y el conector, los extremos de la tubería suelen engrosarse. Los métodos de engrosamiento más comunes incluyen el engrosamiento interno, el engrosamiento externo y el engrosamiento interno y externo. 

Especificaciones comunes de las tuberías de perforación:

Las especificaciones de las tuberías de perforación se definen principalmente por las normas API 5DP. Los parámetros principales incluyen el diámetro exterior, el peso (espesor de pared) y el grado de acero.

1. Diámetros exteriores comunes
Las tuberías de perforación tienen un rango de diámetros exteriores comúnmente utilizados, típicamente de 2-7/8 pulgadas a 6-5/8 pulgadas (73,0 mm a 168,3 mm).

Específicamente:
2-7/8": Diámetro exterior nominal de 73,0 mm, ideal para pozos someros y reacondicionamiento de pozos (mantenimiento, tratamiento y modificación de pozos existentes para prolongar su vida útil).
4-1/2": Diámetro exterior nominal de 114,3 mm, muy versátil, utilizado en pozos de profundidad media a profunda.
5": Diámetro exterior nominal de 127,0 mm, el tamaño más utilizado a nivel mundial, utilizado en pozos profundos.
5-1/2": Diámetro exterior nominal de 139,7 mm, ideal para pozos profundos y ultraprofundos.

2. Peso nominal
El peso nominal representa el espesor de pared de la tubería de perforación. Existen múltiples opciones para el mismo diámetro exterior, expresadas en libras por pie (lb/ft).

Ejemplo: Tubería de perforación de 5 pulgadas
Peso estándar: 19.50 lb/ft
Peso de peso pesado: 25.60 lb/ft

Criterios de selección: Las paredes más gruesas resultan en mayor peso por unidad de área, mayor resistencia a la tracción y a la torsión, pero un diámetro interior menor.

3. Grado de acero
El grado de acero representa el límite elástico del material de la tubería de perforación. El número representa el límite elástico mínimo. Aumentar el grado de acero es una forma eficaz de mejorar la resistencia de la tubería de perforación.

El grado de acero de la tubería de perforación, es decir, el grado del acero, se clasifica según su límite elástico mínimo. En la norma API, los grados de acero para tuberías de perforación se dividen en cuatro tipos: E75, X95, G105 y S135. Los grados X, G y S pertenecen a la categoría de alta resistencia. Un grado de acero más alto significa un mayor límite elástico del material de la tubería, lo que resulta en una mejor resistencia a la tracción y a la torsión de la tubería de perforación. En el diseño de resistencia de las sartas de perforación, generalmente se recomienda aumentar la resistencia de la sarta aumentando la calidad del acero, en lugar de simplemente aumentar el espesor de la pared.

Diferencias en los escenarios de aplicación:

Las operaciones comunes de perforación petrolera y la exploración geológica tienen requisitos muy diferentes para las tuberías de perforación, principalmente en términos de carga, profundidad del pozo y tamaño del equipo.

1) Tubería de perforación para perforación petrolera

La tubería de perforación petrolera está diseñada para lograr una perforación profunda eficiente y segura en condiciones adversas. Requiere alta resistencia, alto torque y canales anchos. Su entorno de trabajo se centra principalmente en pozos profundos y ultraprofundos, con alto torque y cargas de gancho elevadas. Debe ser capaz de transmitir un alto torque, soportar grandes fuerzas de tracción y suministrar fluido de perforación a alta presión.

Especificaciones comunes:
Especificaciones principales: 3-1/2 pulgadas, 4 pulgadas, 4-1/2 pulgadas, 5 pulgadas.
Especificaciones para pozos ultraprofundos: 5-1/2 pulgadas, 5-7/8 pulgadas.
Grados principales de acero: G-105, S-135.

La tubería de perforación de 5 pulgadas es el tamaño más utilizado en la perforación de pozos profundos terrestres a nivel mundial. El grado de acero S-135 (límite elástico mínimo de 135,000 psi) es estándar para pozos modernos profundos y ultraprofundos, proporcionando una resistencia a la tracción y a la torsión extremadamente alta. Para pozos muy profundos, se utiliza incluso el grado de acero V-150.

Características del diseño estructural:
Juntas de herramienta engrosadas: El diámetro exterior de la junta es mucho mayor que el cuerpo de la tubería, formando una estructura en forma de "mancuerna" para garantizar la resistencia de la conexión.
Bandas resistentes a la abrasión: Se rocía material resistente a la abrasión sobre la superficie de la junta para resistir la fricción con el pozo.
Recubrimiento interno: La tubería de perforación de alta calidad cuenta con un recubrimiento anticorrosivo y antifricción en la pared interna para proteger el cuerpo de la tubería y mejorar el flujo del fluido de perforación.

Cómo elegir?

Pozos Profundos/Ultraprofundos: 5" S-135 o 5-1/2" S-135.
Pozos Medianos-Profundos: 4-1/2" G-105 o 5" G-105.
Pozos Direccionales/Horizontales: Se prefiere acero de alta calidad y roscas especiales de alto rendimiento para que las tuberías de perforación soporten mayor fricción y torque.

2) Tuberías de Perforación para Exploración Geológica

La función principal de las tuberías de perforación para exploración geológica es obtener muestras de núcleos del subsuelo no contaminadas; por lo tanto, su diseño se centra en la extracción de núcleos. Requieren una construcción ligera, alta portabilidad y la capacidad de cumplir con los requisitos de extracción de núcleos. Su entorno de trabajo se compone principalmente de pozos de poca profundidad a mediana profundidad con torque y fuerzas de tracción relativamente bajas. Deben garantizar tasas de recuperación de núcleos, soportar operaciones de viaje frecuentes y adaptarse a terrenos complejos.

Especificaciones Comunes: 

Las especificaciones de las tuberías de perforación para exploración geológica difieren de las de las tuberías de perforación petrolera; generalmente se expresan como diámetro exterior * diámetro interior o un código.

AQ (diámetro exterior aprox. 48 mm, diámetro del núcleo aprox. 27 mm): Se utiliza en pozos poco profundos y formaciones complejas.
BQ (diámetro exterior aprox. 60 mm, diámetro del núcleo aprox. 36 mm): Ampliamente utilizado.
NQ (diámetro exterior aprox. 75 mm, diámetro del núcleo aprox. 47 mm): Especificación estándar, que equilibra la resistencia y el tamaño del núcleo.
HQ (diámetro exterior aprox. 96 mm, diámetro del núcleo aprox. 63 mm): Para pozos más profundos o proyectos que requieren núcleos de gran diámetro.
PQ (diámetro exterior aprox. 122 mm, diámetro del núcleo aprox. 85 mm): Para exploración de pozos profundos.

Materiales y proceso de fabricación:
Materiales: Generalmente fabricados con acero aleado de alta resistencia, pero con menor resistencia y espesor de pared que los tubos de perforación petrolera.

Tipo de conexión: Las conexiones roscadas son ampliamente utilizadas, pero también son comunes los diseños de "extracción de núcleos con cable" para reducir el peso y mejorar la eficiencia. Esto significa que la tubería de perforación actúa como un tubo de doble pared, con un canal interior para desplegar y recuperar el núcleo. Los núcleos se pueden recuperar sin levantar toda la sarta de perforación, lo que resulta en una eficiencia extremadamente alta.

Cómo elegir?

Exploración de minerales sólidos: Las series NQ y HQ son las más utilizadas, proporcionando núcleos de alta calidad y del tamaño adecuado.
Exploración geológica hidrogeológica/de ingeniería: Las series BQ, NQ o AQ, más pequeñas, satisfacen las necesidades de muestreo y registro superficial.
Exploración de minerales profundos: Las series HQ y PQ cumplen con los requisitos de profundidad y tamaño de núcleo.

Longitud y clasificación de la tubería de perforación:

Según las normas del Instituto Americano del Petróleo (API), las longitudes de las tuberías de perforación se clasifican en tres categorías: R1, R2 y R3, cada una correspondiente a un rango de longitud diferente.

R1: Alcance de 5,49 m a 6,71 m (18-22 pies), ahora poco utilizado, solo se encuentra en plataformas de perforación antiguas o en aplicaciones específicas limitadas.
R2: Alcance de 8,23 m a 9,14 m (27-30 pies), el más común y convencional.
R3: Alcance de 11,58 m a 13,72 m (38-45 pies), utilizado para aplicaciones que requieren alta eficiencia de perforación, reduciendo las conexiones de fondo de pozo, pero con mayores requisitos de transporte y operación.

Nota: Dentro de R2, aproximadamente 9,5 m (cerca de 31 pies) es la longitud de tubería de perforación individual más común en el campo.

Leer más: API SPEC 7-1 Tubería de perforación o Diferencias entre tubería de revestimiento y tubería de perforación