Qué constituye una tubería de perforación y por qué es importante el material
Una tubería de perforación es un tubo de paredes gruesas que transmite rotación y torsión desde la superficie a la broca y transporta fluido de perforación a lo largo de la sarta. Están involucrados dos componentes distintos. El cuerpo de la tubería soporta la carga de tracción y la presión interna, y las juntas de herramientas son los extremos roscados más pesados que transmiten el torque y eliminan el desgaste de las operaciones de cierre y desconexión. La selección del material tiene que satisfacer ambos, y los dos suelen estar hechos de aceros diferentes.
El cuerpo de la tubería está cubierto por API 5DP, que especifica las condiciones técnicas de entrega de la tubería de perforación como producto terminado, mientras que las juntas de herramientas están roscadas y calibradas según API Spec 7-2 y comúnmente se producen en grados de aleación de cromo-molibdeno, como los tipos modificados 4137M y 4140/4145H. La selección de collares de perforación y materiales pesados sigue la misma lógica de alta resistencia más tenacidad.
Los requisitos de conducción son capacidad de tracción en profundidad, resistencia a la fatiga en la sarta en rotación, desgaste interno por lodo abrasivo, desgaste externo contra la carcasa y resistencia a la corrosión contra fluidos de formación que contienen cloruros, dióxido de carbono o sulfuro de hidrógeno.
Comparación de materiales de tuberías de perforación
| Material | Principales ventajas | Principales limitaciones | Deber típico |
|---|---|---|---|
| Acero al carbono según API 5DP | Bajo costo, alta resistencia, fácil de mecanizar y reparar. | Mala resistencia a la corrosión y al desgaste; Se oxida y puede fallar por fatiga o lavado. | Pozos convencionales de petróleo, gas y agua. |
| Acero aleado | Mejor resistencia al desgaste y a la corrosión que el acero al carbono simple; mayor fuerza | Mayor costo; Necesita tratamiento térmico controlado y, a veces, precalentamiento para la soldadura de reparación. | Pozos geotérmicos, pozos de agua, pozos petroleros exigentes. |
| Acero inoxidable | Buena resistencia a la corrosión, conserva la tenacidad a baja temperatura. | Mayor costo de las opciones metálicas; menor límite elástico que los grados de aleación templados y revenidos | Trabajos en alta mar, perforación con alto contenido de cloro y en aguas subterráneas poco profundas |
| Acero para herramientas de alta velocidad | Muy alta dureza y resistencia al desgaste. | Alto costo; necesita mayor velocidad de rotación y potencia motriz | Formaciones rocosas muy duras |
| Carburo cementado | Alta resistencia y excepcional resistencia al desgaste. | Caro y frágil; sensible al impacto | Depósitos de rocas duras y minerales. |
| aleación de aluminio | Ligero, fácil de mecanizar, buena resistencia a la corrosión. | Menor capacidad de carga y resistencia a la flexión. | Suelo blando, aluviones, zonas de alta precipitación |
| material compuesto | Ligero, alta resistencia específica, resistente a la corrosión, larga vida útil. | Alto costo; manipulación e inspección especializada | Pozos muy profundos y de peso crítico |
Grados, resistencia y requisitos estándar
Los grados de tubería de perforación API 5DP se denominan E-75, X-95, G-105 y S-135. El número en el grado indica el límite elástico mínimo del cuerpo de la tubería en miles de libras por pulgada cuadrada, por lo que E-75 requiere un límite elástico mínimo de 75 ksi, que es aproximadamente 517 MPa, y S-135 requiere 135 ksi, o aproximadamente 931 MPa. El límite elástico se expresa como un rango con un máximo específico, de modo que la sarta pueda diseñarse con un margen predecible y la tubería conserve su ductilidad.
La norma también define la condición de recalcado en cada extremo, ya sea recalcado externo, recalcado interno o recalcado externo intermedio, junto con las series de espesor de pared, la tolerancia del diámetro interior y el requisito de alargamiento. Las pruebas de tracción del cuerpo de la tubería, la verificación de la dureza y el examen no destructivo de longitud completa son parte de los requisitos de entrega. Debido a que la sarta terminada es tan fuerte como su conexión roscada más débil, la forma, la dureza y el calibre de la rosca de la junta de herramienta siguen la especificación separada de la junta de herramienta en lugar del grado del cuerpo de la tubería.
Cómo seleccionar el material
Comience con el caso de carga.La profundidad, el peso del lodo y la severidad del dogleg establecen el límite elástico requerido; Luego se elige el grado para que la cuerda trabaje por debajo de un porcentaje definido de rendimiento en tensión.
Haga coincidir la junta de la herramienta con el cuerpo de la tubería.Las dimensiones internas y externas de la junta de la herramienta, el tipo de rosca y el par de apriete deben adaptarse al grado del cuerpo de la tubería y al equipo de manipulación en el sitio.
Verifique la química del pozo.Los cloruros, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno impulsan la decisión hacia grados resistentes a la corrosión y, cuando hay sulfuro de hidrógeno presente, el límite de dureza y las condiciones de tratamiento térmico están restringidos.
Considere el desgaste a lo largo de la vida.En pozos desviados y formaciones abrasivas, el endurecimiento de la junta de herramienta o una sarta de aleación resistente al desgaste reduce la frecuencia de reemplazo incluso aunque el precio unitario sea más alto.
Condiciones de manipulación de pesas.En sitios remotos y en alta mar, el peso de la opción de aluminio o compuesto puede compensar su precio más alto mediante cargas de manipulación más bajas.
Inspección y puntos de falla comunes
La tubería de perforación se inspecciona como un consumible con una vida útil definida. El programa habitual cubre la medición del espesor de la pared en el descentramiento, examen ultrasónico o electromagnético del cuerpo, inspección con partículas magnéticas o tintes penetrantes de las roscas y el hombro de la junta de la herramienta, medición de roscas, comprobaciones de dureza y medición del diámetro exterior de la junta de la herramienta para que la junta se retire de servicio antes de que la pared se desgaste.
La mayoría de las fallas del servicio comienzan en uno de cuatro lugares: la transición alterada interna, donde se encuentran la concentración de tensiones y la corrosión; la raíz de la rosca de la junta de la herramienta, donde se inician las grietas por fatiga; la zona de deslizamiento, donde las marcas de manipulación se convierten en iniciadores de grietas; y cualquier posición de desgaste externo o picaduras de corrosión. Los registros de rotación acumulada, resultados de inspecciones y reparaciones son los que permiten retirar una cuerda basándose en la evidencia y no en la apariencia.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es el material de tubería de perforación más común?
Acero al carbono y aleado templado y revenido según API 5DP, con grados E-75, X-95, G-105 y S-135 que cubren la mayoría de las perforaciones de petróleo, gas, agua y geotermia. Los grados de aleación y las opciones resistentes a la corrosión se seleccionan para una química de pozo agresiva o condiciones de desgaste exigentes.
P: ¿Qué significa el número de calificación en E-75 o S-135?
Es el límite elástico mínimo del cuerpo de la tubería expresado en miles de libras por pulgada cuadrada. E-75 corresponde a aproximadamente 517 MPa y S-135 a aproximadamente 931 MPa, cada uno especificado como un rango con un máximo y un mínimo.
P: ¿El cuerpo de la tubería y la junta de la herramienta están hechos del mismo acero?
Generalmente no. El cuerpo de la tubería sigue API 5DP, mientras que las juntas de herramientas están hechas de grados de aleación de cromo-molibdeno de mayor dureza y están roscadas y calibradas según API Spec 7-2, por lo que las dos especificaciones se piden e inspeccionan por separado.
P: ¿Cuándo se debe seleccionar un grado resistente a la corrosión en lugar de acero al carbono?
Cuando los fluidos del pozo contienen cloruros, dióxido de carbono o sulfuro de hidrógeno, o cuando la sarta se utiliza en alta mar. En esos casos, el mayor costo inicial de las tuberías de acero inoxidable o de aleación normalmente se recupera mediante costos reducidos de inspección, reparación y reemplazo.
P: ¿Por qué falla la tubería de perforación incluso cuando la calidad del material es correcta?
Porque el fallo suele deberse a la fatiga o al desgaste y no a una simple falta de resistencia. Las grietas se inician en los factores que aumentan la tensión, como la transición recalcada, las raíces de las roscas, las marcas de deslizamiento y las picaduras de corrosión, todo lo cual se detecta mediante un programa de inspección programado en lugar de mediante la selección de grados.
P: ¿Cómo se inspecciona la tubería de perforación en servicio?
Mediante una combinación de medición del espesor de la pared, examen del cuerpo ultrasónico o electromagnético, inspección con partículas magnéticas o tintes penetrantes de roscas y hombros, medición de roscas, pruebas de dureza y medición del diámetro de las juntas de herramientas, todo registrado en comparación con el historial de la tubería.
