Nueva Conexión Premium Diseñada para Operaciones de Altas Cargas 18 September 201818 September 2018 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 18 September 2018

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 18.09.18

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 18.09.18

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”). 18.09.18

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 ! 18.09.18

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 Ok? Ensayo de Campo No Si Material utilizado para la simulación y los ensayos: Varillas Grado D con cuplas UHS. 6 18.09.18

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. 18.09.18

Análisis por Elementos Finitos Distribución del Nivel Principal de Tensiones (Solicitación al 100% Goodman) Rosca API Principal Stress #1 Rosca Premium 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 ! A 8 18.09.18

(Solicitación al 100% Goodman) Análisis por Elementos Finitos Deformaciones Plásticas (Solicitación al 100% Goodman) Rosca API Rosca Premium La Conexión Premium muestra una importante reducción en las deformaciones de la unión Plastic Strain (%) A 9 18.09.18

Análisis por Elementos Finitos Criterio de Daño por Fatiga para Solicitaciones Multiaxiales 18 September 201818 September 2018 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: 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) A 18.09.18 10

Criterio de Daño por Fatiga para Solicitaciones Multiaxiales 18 September 201818 September 2018 A B C E F Conexión API A B C E D Conexión Premium A 18.09.18 11

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. 18.09.18

Ensayos de Laboratorio a Plena Escala Resultados de ensayos de fatiga axial de la conexión Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premium de 7/8” (Cuplas UHS). Probetas de Ensayo: Trozos de 7/8” Grado D con Conexión Premium de 3/4” (Cuplas UHS) Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premium de 1” (Cuplas UHS). API 7/8” Premium 7/8” Cmax (Ton) 22 16 16.5 17 17.5 18 23 24 Cmin (Ton) 5 % Goodman 300.7 194.6 203.4 212.3 221.2 230 318.7 336 Ciclos (MM) 1.4 Falla en Pin 1.271 Falla en cupla 10 API 3/4” Premium 3/4” Cmax (Ton) 15 16 17 Cmin (Ton) 5 % Goodman 279.8 308 336 Ciclos (MM) 2.96 Pesca en Pin 4.87 10 Premium 1” Cmax (Ton) 23 25 27 28.5 Cmin (Ton) 5 % Goodman 223.5 247.8 262.3 280.5 Ciclos (MM) 10 Menos de 5 Millones de Ciclos 10 Millones de Ciclos sin fallas (hasta 280 %Goodman) 10 Millones de Ciclos sin fallas (hasta 336 %Goodman) Menos de 1.5 Millones de ciclos 10 Millones de ciclos sin falla (hasta 336 %Goodman) A 18.09.18

Ensayos de Laboratorio a Plena Escala Resultados de ensayos de fatiga axial de la conexión Varillas 7/8” D CP Varillas 3/4” D CP Varillas 1” D CP 18.09.18

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 A 18.09.18

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. A 18.09.18

Experiencia de Campo Un pozo de ensayo opera con varillas Conexión Premium de 7/8” Grado D intercaladas entre tramos de Alta Resistencia: Profundidad de Bomba.: 2181 m (7155 ft) Producción: 76 m3/d (478 bpd) GPM: 7.81 Diseño de la Sarta de Bombeo: 93 vb de Alta Resistencia x 1” 83 % Goodman (SF 0.9) 94 vb Grado D PC x 7/8” 137 % Goodman (SF 0.9) 77 vb de Alta Resistencia x ¾” 81 % Goodman (SF 0.9) 20 Barras de Peso de 1½” Fecha de Instalación: 23 de Septiembre de 2005 7/8” GD CP 137% (FS 0.9) 1” AR 83% (FS 0.9) Acumula >9 millones de golpes (ciclos) trabajando al 137 % Goodman (SF 0.9). El tramo Grado D con varillas Conexión Premium ha trabajado en condiciones de solicitación de varillas Alta Resistencia, indicando que las últimas podrían ser reemplazadas por las primeras. A 18.09.18

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. 18.09.18

Muchas Gracias! Francisco Diaz Telli fdtelli@tenaris.com José Pereiras jpereiras@siderca.com Matías Pereyra mpereyra@siderca.com Rita Toscano rtoscano@simytec.com 18.09.18

Anexos 18.09.18

(Evaluación de pozos Desviados) Varillas con Conexión Premium Análisis por Elementos Finitos (FEA) Simulaciones 3D (Evaluación de pozos Desviados) 18.09.18

Relative Principal Stresses Análisis por Elementos Finitos Distribución del Nivel Principal de Tensiones (Make-Up) Conexión Premium Principal Stress #1 ROSCA API 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 ! 18.09.18

Análisis por Elementos Finitos Deformaciones Plásticas (Make-Up) Rosca API Conexión Premium Plastic Strain (%) 18.09.18

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. 18.09.18

Calibre No Pasa para hilos de rosca. Control de Calidad y Fabricación Control de perfil de rosca Calibre No Pasa para hilos de rosca. Calibre Pasa para hilos de rosca 18.09.18

Control de Calidad y Fabricación Control de perfil de rosca 18.09.18

Control de Calidad y Fabricación Control de perfil de rosca 18.09.18

Proceso de Make-up Paso #1: Limpieza de las roscas Se debe asegurar la ausencia completa de partículas sólidas. 18.09.18

Proceso de Make-up Paso #2: Engrasado de la Rosca Se debe aplicar grasa estándar de tubing para evitar el engrane de las roscas. 18.09.18

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. 18.09.18

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. 18.09.18

Experiencia de Campo Un pozo de ensayo opera con varillas Conexión Premium de 7/8” Grado D intercaladas entre tramos de Alta Resistencia: Profundidad de Bba.: 7155 ft (2181 m) Diámetro del Pistón de la bomba: 2” Tubing: 2 7/8” Producción: 478 bpd (76 m3/d) Unidad de Bombeo: M 912-365-168 Carrera: 168” GPM: 7.81 Densidad del Crudo: ~10 °API Diseño de la Sarta de Bombeo: 93 vb de Alta Resistencia x 1” 83 % Goodman (SF 0.9) 94 vb Grado D PC x 7/8” 137 % Goodman (SF 0.9) 77 vb de Alta Resistencia x ¾” 81 % Goodman (SF 0.9) 20 Barras de Peso de 1½” Fecha de Instalación: 23 de Septiembre de 2005 D PC Rods 137% (0.9 SF) 1” HS Rods 83% (0.9 SF) El tramo Grado D con varillas Conexión Premium ha trabajado en condiciones de solicitación de varillas Alta Resistencia, indicando que las últimas podrían ser reemplazadas por las primeras. Acumula >9 millones de golpes (ciclos) trabajando al 137 % Goodman (SF 0.9). 18.09.18