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Nueva Conexión Premium Diseñada
para Operaciones de Altas Cargas
Varillas de Bombeo
Francisco Diaz Telli
José Pereiras
Matías Pereyra
Rita Toscano (SIM&TEC)
Jornadas Técnicas Comahue 2008
Argentina, Mayo 2008
24 May 2016
Agenda
• Escenario del diseño de la conexión API.
• Conexión Premium de Tenaris
• Resolviendo el Problema…
–
–
–
–
–
Análisis por Elementos Finitos (FEA)
Ensayos de Laboratorio a Plena Escala
Producción y controles de Calidad
Proceso de Make-up
Experiencias de Campo
• Conclusiones
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Objetivo del Proyecto
Desarrollo de una conexión especial capaz de trabajar bajo elevadas
cargas mejorando la vida a la fatiga de la varilla.
Principales aspectos de la Conexión Premium:
• Filete de rosca trapezoidal mecanizado.
• Rosca cónica con interferencia diametral y contacto flanco-flanco
• Baja pre-tensión de armado en el pin
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Escenario del diseño de rosca API
• El Bombeo Mecánico es el sistema de producción de crudo más
utilizado en el mundo (>600.000 pozos productores).
• Más del 30% de las fallas en el sistema se deben a fallas en la
conexión.
• Resistencia a la Fatiga del Pin < Cuerpo (Eficiencia < 100%).
• Necesidad de adoptar Grados de Alta Resistencia y conexiones
reforzadas.
• Limitación por el diámetro interno del tubing (Ej. 2 7/8”).
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Diseño Estándar API
Diversas limitaciones físicas:
•
Desajuste de la conexión (huelgo en la rosca).
•
Deformación en las roscas durante la operación y el make-up.
•
Distribución no-uniforme de la solicitación en el perfil de la rosca.
•
Operación de make-up (sobre torque o unión floja).
•
Rotura de la rosca (deformación de la rosca, alineamiento, etc.).
•
Corrosión.
Concentración de
Tensiones
Nos condujeron a desarrollar un nuevo
concepto en conexiones de varillas !
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Análisis por Elementos Finitos
Principal Objetivo: VIDA A LA FATIGA DE LA CONEXIÓN
Esta herramienta de diseño fue usada para seleccionar la
unión más apropiada previo a los ensayos.
Se analizaron varias alternativas de diseño y comparaciones
con la rosca API.
Alternativas de Diseño
Control de Producción y
evaluaciones por AEF
Ensayos de Laboratorio
No
Si
Ok?
Ensayo de
Campo
Material utilizado para la simulación y los ensayos: Varillas Grado D con cuplas UHS.
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Análisis por Elementos Finitos
Contacto en el Perfil de la Rosca
Conexión API
Conexión Premium
Huelgo
El huelgo permite “movimiento” entre los hilos de rosca cuando hay cargas de compresión o
golpes en la sarta de varillas.
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Análisis por Elementos Finitos
Distribución del Nivel Principal de Tensiones
(Solicitación al 100% Goodman)
Rosca API
Rosca Premium
Principal Stress #1
Principal Stress #1
Relative Principal Stresses
Tpi/Ty
(Ty = 59,77 kg/mm2)
La Conexión Premium muestra un importante beneficio en
la distribución de tensiones !
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Análisis por Elementos Finitos
Deformaciones Plásticas
(Solicitación al 100% Goodman)
Rosca API
Rosca Premium
Plastic Strain (%)
La Conexión Premium muestra una importante reducción en
las deformaciones de la unión
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Análisis por Elementos Finitos
Criterio de Daño por Fatiga para Solicitaciones
Multiaxiales
La fatiga multiaxial simple se refiere al caso en el que las principales
solicitaciones alternativas no cambian su dirección relativa a la parte en trabajo.
En este caso, se puede utilizar el método de Sines.
Donde:
T
 m
3
D
a
m 
S m1  S m 2  S m 3
3
[( S a1  S a 2 ) 2  ( Sa 2  Sa 3 ) 2  (Sa 3  Sa1 ) 2 ]1/ 2
a 
2
S ai 
S mi 
Si.máx  Si ,mín
2
Si.máx  Si ,mín
• D: indicador de fatiga. ( D >1)
• T: Tensión de rotura mínima.
• Sm i: Componente principal de solicitación.
• Si max: Componente máxima de la solicitación
principal.
• Si min: Componente mínima de la solicitación
principal.
(componente alternativa de la solicitación principal)
(componente principal de solicitación)
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Criterio de Daño por Fatiga para
Solicitaciones Multiaxiales
A
Conexión API
Conexión Premium
B
E
C
F
A
B
C
D
E
A
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Resolviendo el Problema
Mejoras del diseño:
• Menor tendencia al desajuste.
• Distribución uniforme de las tensiones en el perfil de
la rosca.
• Disminución de las deformaciones permanentes en la
rosca.
• Reducción significativa de las zonas críticas de
solicitación.
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Ensayos de Laboratorio a Plena Escala
Resultados de ensayos de fatiga axial de la
conexión
Trozoscon
de cuerpo
7/8” Grado
conGrado
Conexión
Premium Premium
de 3/4”
Trozo
de 1D1/8”
D y Conexión
(Cuplas
1” (Cuplas
UHS)
UHS).
de
7/8”
(Cuplas
UHS).
Probetasde
deEnsayo:
Ensayo:
Probeta
API 7/8”
Cmax (Ton)
Cmin (Ton)
% Goodman
Ciclos (MM)
22
Premium
7/8”
API 3/4”
Premium
3/4”
Premium 1”
1715
17.5
18
16
17
Cmax22(Ton) 16 15 16.515
23
25
27
28.5
Cmax (Ton)
5
5 5
Cmin
(Ton)
5
5
Cmin (Ton)
279.8
279.8
308
336
%
Goodman
300.7
300.7
194.6
203.4
212.3
221.2
230
% Goodman 223.5 247.8 262.3 280.5
2.96
4.87
1.271
10
Pesca
Pesca
Ciclos
(MM)
1.4
10
Ciclos
10
Falla en(MM) en Pin
en
Pin
Falla en Pin
22
23
24
300.7
318.7
336
cupla
Menos de 1.5
Millones de
ciclos
10 Millones de Ciclos
Menos de sin 10
Millones de Ciclos
fallas
5 Millones
sin
fallas sin falla
(hasta
%Goodman)
10280
Millones
de ciclos
de Ciclos (hasta 336 %Goodman)
(hasta 336 %Goodman)
A
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Ensayos de Laboratorio a Plena Escala
Resultados de ensayos de fatiga axial de la
conexión
Diagrama de Goodman para Grados D y de Alta Resistencia
120
110
100
90
Smax (Ksi)
80
60
Varillas 1” D CP
Varillas 7/8” D CP
Varillas 3/4” D CP
50
Min YS D Grade (Ksi)
40
S allowable D Grade (Ksi)
30
Min YS HS Grade (Ksi)
20
S allowable HS Grade (Ksi)
70
Smin (Ksi)
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Smin (Ksi)
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Control de Calidad y Fabricación
Control de perfil de rosca
Fue necesario desarrollar nuevos dispositivos para el control
de las roscas y adquirir tecnología de punta para la
fabricación
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Proceso de Make-up
El proceso de armado de la conexión se realiza por
desplazamiento circunferencial al igual que el de las varillas
convencionales pero tiene ciertas diferencias:
1- Las roscas deben engrasarse
2- El contacto entre los espejos debe hacerse con la llave
hidráulica y luego controlar el desplazamiento.
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Experiencia de Campo
Un pozo de ensayo opera con varillas Conexión Premium de 7/8”
Goodman Diagram HS & D Grade Rods
Grado
D
intercaladas
entre tramos de Alta Resistencia:
100
90
Smax (Ksi)
Profundidad de Bomba.:
80
Producción:
GPM:
70
2181 m (7155 ft)
76 m3/d (478 bpd)
7.81
7/8” GD CP
60
Diseño 137%
de la(FS
Sarta
de Bombeo:
0.9)
50
93 vb de Alta Resistencia x 1”
83% (FS 0.9)
94 vb Grado D PC x 7/8”
40
77 vb de Alta Resistencia x ¾”
30
20 Barras de Peso de 1½”
1” AR
83 % Goodman (SF 0.9)
137 % Goodman
(SF 0.9)
Min YS D grade(Ksi)
81 % Goodman
(SF 0.9)
S allowable D grade (Ksi)
S allowable UHS grade (Ksi)
20
Smin (Ksi)
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Fecha de Instalación: 23 de Septiembre
2005
(Ksi)
Sminde
El tramo Grado D con varillas Conexión Premium ha trabajado en condiciones de solicitación
Acumula
de indicando
golpes (ciclos)
trabajando
alser
137reemplazadas
% Goodman
de varillas>9
Altamillones
Resistencia,
que las últimas
podrían
por(SF
las 0.9).
primeras.
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Conexión Premium de Varillas
Conclusiones
• La Conexión Premium es 100% eficiente para Altas Cargas:
Resistencia de la Conexión > Resistencia del Cuerpo
• Mayor resistencia a la fatiga que el diseño de rosca API verificado en
ensayos de fatiga  Reducción de las áreas críticas de fatiga.
• La performance de la Conexión permite la utilización de Varillas Grado D
en pozos con elevadas cargas donde actualmente se requieren Varillas
de Alta Resistencia (aceros con TT y aleaciones especiales).
• La capacidad de carga de la Conexión Premium permite reducir el
diámetro de las varillas en el diseño de la sarta.
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Muchas Gracias!
Francisco Diaz Telli
[email protected]
José Pereiras
[email protected]
Matías Pereyra
[email protected]
Rita Toscano
[email protected]
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Anexos
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Varillas con Conexión Premium
Análisis por Elementos Finitos (FEA)
Simulaciones 3D
(Evaluación de pozos Desviados)
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Análisis por Elementos Finitos
Distribución del Nivel Principal de Tensiones
(Make-Up)
ROSCA API
Conexión Premium
Principal Stress #1
Principal Stress #1
Relative Principal Stresses
Tpi/Ty
(Ty = 59,77 kg/mm2)
La Conexión Premium muestra un beneficio drástico en la
distribución de tensiones !
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Análisis por Elementos Finitos
Deformaciones Plásticas
(Make-Up)
Rosca API
Conexión
Premium
Plastic Strain (%)
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Ensayos de Laboratorio a Plena Escala
Ensayos de fatiga axial
Capacidad:
 Carga axial Máxima: +/- 50 ton (110000 lbs).
 Carrera: 150 mm (5.9”).
 Control de cargas, desplazamiento y
deformaciones.
 Frecuencia: 60 Hz.
 Cuñas Neumáticas.
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Control de Calidad y Fabricación
Control de perfil de rosca
Calibre No Pasa
para hilos de rosca.
Calibre Pasa para
hilos de rosca
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Control de Calidad y Fabricación
Control de perfil de rosca
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Control de Calidad y Fabricación
Control de perfil de rosca
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Proceso de Make-up
Paso #1: Limpieza de las roscas
Se debe asegurar la ausencia completa de partículas sólidas.
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Proceso de Make-up
Paso #2: Engrasado de la Rosca
Se debe aplicar grasa estándar de tubing para evitar el
engrane de las roscas.
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Proceso de Make-up
Paso #3: Posición de Ajuste a
Mano (Hand-tight)
Debido a la interferencia
diametral, la conexión mantiene
un tiraje después del ajuste a
mano.
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Proceso de Make-up
Paso #4: Control de contacto
entre espejos (Pin/Box)
Se requiere la aplicación de la
llave de torque para hacer
contacto entre los espejos (se
utiliza un calibre de 0,05 mm).
Paso #5: Control del Desplazamiento Circunferencial
Después de asegurar el contacto de los espejos se dibuja
una línea vertical y se logra el desplazamiento deseado con
la llave de torque.
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Experiencia de Campo
Un pozo de ensayo opera con varillas Conexión Premium de 7/8”
Goodman Diagram HS & D Grade Rods
Grado
D
intercaladas
entre tramos de Alta Resistencia:
100
90
Smax (Ksi)
Profundidad de Bba.:
7155 ft (2181 m)
80
Diámetro
del Pistón de la bomba:
2”
Tubing:
2 7/8”
70
Producción:
478 bpd (76 m3/d)D PC Rods
60
Unidad de Bombeo:
M 912-365-168
137% (0.9 SF)
1” HS Rods
50
Carrera:
168”
83% (0.9 SF)
GPM:
7.81
40
Min YS D grade(Ksi)
Densidad del Crudo:
~10 °API
S allowable D grade (Ksi)
30
Diseño de la Sarta de Bombeo:
S allowable UHS grade (Ksi)
20
93 vb de Alta Resistencia x 1”
83 % Goodman
(SF 0.9)
Smin (Ksi)
94 vb Grado D PC x 7/8”
137 % Goodman
(SF 0.9)
10
77 vb de Alta Resistencia x ¾”
81 % Goodman (SF 0.9)
0
20 Barras
de
Peso de
1½” 50
90
80
70
60
40
30
20
10
0
Smin (Ksi)
Fecha
deGrado
Instalación:
23 deConexión
Septiembre
de 2005
El tramo
D con varillas
Premium
ha trabajado en condiciones de solicitación
de varillas>9
Altamillones
Resistencia,
que las últimas
podrían
por(SF
las 0.9).
Acumula
de indicando
golpes (ciclos)
trabajando
alser
137reemplazadas
% Goodman
primeras.
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