Cómo determinar el tamaño del revestimiento en función de la profundidad y la presión del pozo?

Cómo determinar el grado de acero de la tubería de revestimiento y el espesor de pared según la profundidad del pozo y la presión de formación?

Como fabricantes de tuberías de revestimiento para pozos petroleros, solemos guiar a nuestros clientes a través de un proceso de ingeniería sistemático. En pocas palabras, no se trata de una simple tabla de consulta, sino de un riguroso proceso de diseño basado en cálculos de datos y especificaciones estándar. Determinar el grado de acero de la tubería de revestimiento y el espesor de pared es esencialmente un proceso de "análisis de carga → adaptación de la resistencia → optimización económica".

Selección común de grados de acero de tubería de revestimiento para diferentes condiciones de pozos petroleros:

Tubería de revestimiento poco profunda (conducto/superficie): Generalmente controlada por la resistencia a la compresión y la tensión, a menudo utilizando grados de acero inferiores (como J55/K55), que ofrecen suficiente resistencia, el menor costo y buena soldabilidad.
Revestimiento técnico profundo y de producción: Generalmente, se rige por la resistencia a la presión interna (especialmente en pozos de gas) y la resistencia a la tracción, y se suelen utilizar aceros de mayor calidad (como N80/L80/P110).

Entorno con contenido de azufre: Seleccione directamente entre aceros resistentes al azufre como L80, C90 y T95 y calcule el espesor de pared.

A continuación, explicaremos en detalle cómo determinar el grado de acero y el espesor de pared del revestimiento:

1) Recopilación de datos básicos

1. Estructura de la profundidad del pozo: La profundidad de cada capa del revestimiento y las dimensiones correspondientes del pozo.
2. Perfil de presión de formación: Presión de poro y presión de fractura en toda la sección del pozo (desde la superficie hasta la capa objetivo). Esto determina los límites de presión externa e interna que el revestimiento debe soportar.
3. Densidad del fluido de perforación: La densidad planificada del fluido de perforación para las diferentes secciones del pozo.
4. Información geológica y de fluidos: Presencia de depósitos de sal (que generan una presión de extrusión externa anormal), sulfuro de hidrógeno/dióxido de carbono (que determina el tipo de acero), temperatura (que afecta la resistencia del acero).

2) Calcule la carga sobre la tubería de revestimiento

Con base en los datos, calcule las peores condiciones que la tubería de revestimiento podría encontrar en el fondo del pozo.

1. Carga de extrusión externa
Fuente: Presión externa de la formación y presión de la columna de fluido de perforación.
Condición operativa más peligrosa: Cavitación interna de la tubería de revestimiento (por ejemplo, durante la producción o después de la cementación, cuando el nivel de fluido anular desciende). En este momento, la presión externa es máxima y la interna mínima.
Cálculo: Tome la presión externa máxima que la parte inferior de esta sección de la tubería de revestimiento puede soportar como la presión de extrusión externa de diseño.

2. Resistencia a la carga de presión interna
Fuente: Presión interna del fluido durante la arremetida del pozo, las pruebas de cierre y las operaciones de fracturación.
Condición operativa más peligrosa: Cabezal de pozo cerrado, con fluido de formación (gas) llenando la tubería de revestimiento.
Cálculo: Considere la presión interna máxima que la parte superior de esta sección de la tubería de revestimiento puede soportar como presión interna de diseño.

3. Resistencia a la carga de tracción
Fuente: El peso suspendido de la propia sarta de revestimiento.
Cálculo: Considere el peso total de la sarta de revestimiento en el aire bajo la flotabilidad del fluido de perforación.

3) Aplicación de factores de seguridad para determinar la resistencia mínima requerida

De acuerdo con las normas y especificaciones de la industria, establezca factores de seguridad para cada una de las tres cargas principales, aumentando la carga de diseño para garantizar una seguridad absoluta.

Factor de seguridad de resistencia a la extrusión: típicamente 1,0 - 1,125
Factor de seguridad de resistencia a la presión interna: típicamente 1,0 - 1,1
Factor de seguridad de resistencia a la tracción: típicamente 1,6 - 2,0

Fórmula de cálculo de resistencia: Requisito de resistencia de diseño = Carga calculada × Factor de seguridad

4) Normas y selección de la tubería de revestimiento

Los ingenieros utilizarán fórmulas y datos de la norma API TR 5C3 o software especializado de diseño de tuberías de revestimiento.

Para un diámetro exterior de tubería de revestimiento determinado, en la "Tabla de rendimiento de la tubería de revestimiento", busque todas las combinaciones de grados de acero y espesores de pared cuya resistencia a la extrusión, resistencia a la presión interna y resistencia a la tracción sean mayores o iguales que el "Requisito de resistencia de diseño" calculado en el paso tres.

En este punto, tendremos varias combinaciones factibles. Por ejemplo, para una tubería de revestimiento de aceite de 9-5/8”, son posibles las siguientes combinaciones:
Combinación A: N80, espesor de pared 47.0 lb/ft
Combinación B: P110, espesor de pared 40.0 lb/ft
Combinación C: P110, espesor de pared 47.0 lb/ft (mayor margen de resistencia)

5) Optimización económica y decisión final

Compare los costos de múltiples combinaciones que cumplan con los requisitos de resistencia y seleccione la solución óptima.
Principio: Compare la solución de "acero de baja calidad + pared gruesa" con la solución de "acero de alta calidad + pared delgada". Costo total de la solución.

Consideraciones:
Precio unitario: La tubería de revestimiento de acero de mayor calidad es más cara, pero la de paredes más delgadas es más ligera.
Peso total: El espesor de pared afecta directamente el consumo de acero y el precio total.
Diámetro interior: La tubería de revestimiento de paredes más delgadas tiene un diámetro interior mayor, lo cual es beneficioso para operaciones posteriores.
Disponibilidad: Especificaciones comunes Están disponibles más rápido.

Ejemplo: Un pozo de 3000 metros de profundidad requiere un revestimiento de producción diseñado para soportar una presión interna de 70 MPa.
Opción 1: Acero de grado N80, que requiere un espesor de pared mayor (p. ej., 11,99 mm).
Opción 2: Acero de grado P110, que requiere solo un espesor de pared menor (p. ej., 10,03 mm).
Aunque el acero P110 tiene un precio unitario más alto, la reducción del espesor de pared y el peso pueden resultar en un menor costo total de adquisición y un mayor diámetro interior. La opción 2 suele ser la mejor opción.

Selección del grado de acero y espesor de pared para diferentes tipos de revestimiento:

1. Selección del grado de acero para las camisas guía
El revestimiento conductor se utiliza para establecer una boca de pozo y aislar las capas superficiales blandas.
Diámetros exteriores comunes: 30 pulgadas, 36 pulgadas (comúnmente usado en alta mar), 20 pulgadas (para formaciones terrestres más duras).
Características: Diámetro mayor, pared más gruesa, requisitos de grado de acero más bajos (comúnmente J/K-55 o de mayor resistencia), instalación frecuente mediante el método de hinca.

2. Selección del grado de acero para el revestimiento de superficie

La función principal del revestimiento de superficie es aislar las capas poco profundas y sueltas, así como las capas de agua dulce, y proporcionar una base estable para la instalación de preventores de reventones (BOP). Se encuentra relativamente a poca profundidad, y la presión externa de la formación y su propia fuerza de tracción son relativamente bajas. El revestimiento de superficie tiene el mayor diámetro (p. ej., 20 pulgadas, 13-3/8 pulgadas). El uso de grados de acero económicos puede reducir significativamente el costo del material por pozo, de acuerdo con el principio de economía de ingeniería.

Diámetros exteriores comunes: 20 pulgadas, 13-3/8 pulgadas (el más utilizado a nivel mundial), 16 pulgadas.
Grado de acero común: J-55. K-55 (pilar, mejor costo). El N-80 se utiliza cuando se encuentran formaciones poco profundas y de alta presión.
Común Pesos: Tomando 13-3/8″ como ejemplo, los pesos comunes son 61,00 lb/pie, 68,00 lb/pie, 72,00 lb/pie, etc.

3. Selección del grado de acero para revestimiento intermedio

El revestimiento intermedio se utiliza para aislar formaciones complejas que se encuentran durante la perforación (como zonas de alta presión, zonas de pérdida de circulación y depósitos de sal), creando las condiciones para la perforación en formaciones productoras más importantes que se encuentran debajo. Constituye una barrera de seguridad temporal, pero crucial. Su grado de acero se determina principalmente por la presión y las propiedades del fluido de la formación aislada, lo que enfatiza la resistencia a la presión y la seguridad durante la perforación.

Existe una amplia gama de diámetros exteriores disponibles, dependiendo del tamaño del revestimiento superior y la profundidad de diseño del pozo:
Revestimiento técnico de primera capa: Comúnmente 9-5/8 pulgadas, 10-3/4 pulgadas.
Revestimiento técnico de segunda capa: Comúnmente 7 pulgadas, 7-5/8 pulgadas.
Grados de acero comunes: N-80 (más común), P-110 (para secciones profundas de alta presión), L-80 (para formaciones con contenido de azufre).

Selección flexible del espesor de pared: Requiere un cálculo riguroso basado en la profundidad y presión específicas del pozo; Hay varios pesos disponibles para el mismo diámetro exterior.

4. Selección del grado de acero para el revestimiento de producción

Como "revestimiento final" de un pozo de petróleo y gas, el revestimiento de producción proporciona acceso durante todo su ciclo de vida (potencialmente décadas) y soporta diversas presiones durante los períodos de producción, mejora y cierre. Es una barrera permanente y exigente. Su grado de acero se determina principalmente por la presión de la formación, las propiedades del fluido y la presión de la operación de mejora, priorizando la integridad, el sellado y la resistencia a la corrosión durante la producción a largo plazo.

Diámetros exteriores comunes: 7 pulgadas, 5-1/2 pulgadas (como tubo de escape o para pozos menos profundos), 4-1/2 pulgadas.

Grados de acero comunes: 

Pozos convencionales/de alta presión: P-110 (fuerte resistencia a la presión interna, la opción preferida para el revestimiento de producción de pozos profundos).

Media-profundidad Pozos: N-80.
Pozos de petróleo y gas con azufre: L-80 (requisito obligatorio).

Características del espesor de pared: Para soportar operaciones de alta presión, como la fracturación, se suele optar por una combinación de acero de mayor calidad y mayor espesor de pared.

Leer más: Tabla de tamaños de tuberías de revestimiento de perforación o Tubería de revestimiento vs. Tubería de perforación