Qué es una tubería de perforación? Cuál es su función?
Una
tubería de perforación es un tubo de acero con una cola roscada que se utiliza para conectar el equipo de superficie de la plataforma de perforación con el equipo de perforación y molienda o dispositivo de fondo en el fondo del pozo. La tubería de perforación es el componente principal de la sarta de perforación en las operaciones de perforación de petróleo y gas. Se utiliza principalmente para transmitir potencia (par y tensión) y transportar fluido de perforación, además de conectar la plataforma de perforación de superficie con las herramientas de perforación de fondo (como portamechas, brocas, etc.). Las tuberías de perforación se dividen en tres categorías: tuberías de perforación cuadradas, tuberías de perforación y tuberías de perforación con peso.
Principales funciones de las tuberías de perforación:
1. Transmisión de potencia: El par de rotación y la presión axial de la plataforma de perforación de superficie se transmiten a la broca para lograr el triturado de la formación.
2. Canal de fluido de perforación: Como canal para la circulación del lodo, enfría la broca y transporta los recortes de perforación de regreso a la superficie.
3. Extensión de la profundidad del pozo: Al alargar la combinación de tuberías de perforación, la profundidad del pozo se incrementa gradualmente.
La función de la tubería de perforación es transportar el lodo de perforación a la broca y elevar, bajar o girar el dispositivo de fondo junto con la broca. Las tuberías de perforación deben ser capaces de soportar altas presiones internas y externas, torsión, flexión y vibración. Las tuberías de perforación pueden utilizarse en múltiples ocasiones durante la extracción y refinación de petróleo y gas.
Los componentes comunes de una sarta de perforación son: broca, portamechas, tubería de perforación, estabilizador, junta especial y tubería de perforación cuadrada.
Estructura básica de la tubería de perforación:
Cuerpo del tubo:
Generalmente está hecho de tubería de acero sin costura, con un espesor de pared de 9 a 11 mm, y sus dos extremos están engrosados (engrosamiento interno, engrosamiento externo o engrosamiento interno y externo) para aumentar su resistencia.
Apariencia: Tubería hueca de acero de pared gruesa, con juntas de herramienta engrosadas (Tool Joint) en ambos extremos, conectadas a la sarta de perforación mediante roscas.
Unión:
Se divide en juntas roscadas macho y hembra, que se unen al cuerpo de la tubería mediante soldadura por fricción o conexión roscada, y son responsables de transmitir el torque, la carga de tracción y sellar el fluido de perforación.
Unión macho (Pasador): Con roscas externas, se inserta en la junta hembra de la siguiente tubería de perforación.
Unión hembra (Caja): Con roscas internas, se utiliza para conectar la junta macho.
Calidad y tamaño del acero de la tubería de perforación:
Material: Acero aleado de alta resistencia, grados E-75, X-95, G-105, S-135 según las normas API. A mayor calidad del acero, mayor límite elástico. Debe tener buena resistencia a la tracción, la torsión y la fatiga.
Tamaño:
El tamaño de la tubería de perforación se determina principalmente por el diámetro exterior (DE), el diámetro interior (DI) y el peso por pie, y sigue el estándar API 5DP.
Los tamaños comunes incluyen 2⅜", 2⅞", 3½", 4½", 5", 5½", 6⅝", etc. (estándar API).
Longitud: Una sola tubería de perforación suele tener de 9 a 12 metros (30 a 40 pies) y puede alcanzar varios miles de metros después de conectar varias tuberías.
Espesor de pared: Más delgado que los portamechas, pero más grueso que las tuberías de acero comunes para soportar alta presión y cargas complejas.
Parámetros clave del tamaño de la tubería de perforación:
(1) Diámetro exterior (DE)
Rango: Generalmente de 2⅜" a 6⅝" (60,3 mm a 168,3 mm); los tamaños mayores deben personalizarse.
Fundamentos de selección: Tamaño del pozo, capacidad de la plataforma de perforación, requisitos de desplazamiento del fluido de perforación.
(2) Diámetro interior (DI)
Influencia: Determina el caudal del fluido de perforación y la velocidad de retorno anular. Cuanto menor sea el diámetro interior, mayor será la Caudal (pero la caída de presión aumenta).
DI = DE−2 × espesor de pared
Dimensiones de tipos especiales de tubería de perforación:
(1) Tubería de perforación pesada
Diámetro exterior: igual que la tubería de perforación convencional (como 3½", 4½", 5").
Peso unitario: 20 %-50 % mayor que la tubería de perforación convencional.
Uso: Reemplaza parte del portamechas para reducir el riesgo de atascamiento de la broca. Se utiliza a menudo en la sección de transición de pozos direccionales.
(2) Tubo de perforación de pozos estrechos
Diámetro exterior: inferior a 2⅜" (como 1⅞", 2⅛"), utilizado para pozos pequeños o desvíos.
Desafíos: baja resistencia a la torsión, se requiere acero de alta calidad (como S-135).
Tipos de tubería de perforación:
Las tuberías de perforación se dividen en tres categorías: tubería cuadrada, tubería de perforación y tubería de perforación con contrapeso. El orden de conexión es: tubería cuadrada (1 pieza) + tubería de perforación (n piezas, según la profundidad del pozo) + tubería de perforación con contrapeso (n piezas, según el diseño del conjunto de la herramienta de perforación).
1. Tubería de perforación cuadrada
La tubería cuadrada se ubica en la parte superior de la sarta de perforación y es de dos tipos: cuadrada y hexagonal.
Función:
1. Durante la perforación, la tubería cuadrada coopera con el buje y el buje de la plataforma giratoria para transmitir el par de rotación del terreno a la tubería de perforación, impulsando la sarta de perforación y la broca para su rotación.
2. Soporta todo el peso de la sarta de perforación. ③ Canal para la circulación del fluido de perforación.
Estructura:
La varilla de perforación cuadrada consta de juntas superior e inferior y un cuerpo de tubería. El cuerpo de la tubería tiene dos estructuras: cuadrada o hexagonal (generalmente cuadradas en la perforación petrolera); la junta superior es una rosca hembra a izquierda (rosca inversa) que se conecta al grifo. Durante la rotación, la rosca hembra a izquierda evita la rosca inversa; la junta inferior es una rosca macho a derecha que se conecta a la varilla de perforación. Durante el trabajo, el extremo superior de la varilla de perforación cuadrada siempre está por encima de la superficie de la plataforma giratoria, y la parte inferior está por debajo de ella.
2. Varilla de perforación
Función:
La varilla de perforación es el componente básico de la sarta de perforación. Su función principal es transmitir torque y transportar el fluido de perforación, y se basa en la rotación gradual de la varilla. El alargamiento permite que el pozo sea cada vez más profundo. Por lo tanto, la tubería de perforación ocupa un lugar muy importante en la perforación petrolera.
Estructura:
La estructura de la tubería de perforación está hecha de tubería de acero sin costura, y el espesor de pared generalmente es... 9-11 mm; consta de dos partes: el cuerpo de la tubería de perforación y la unión de la tubería. El cuerpo de la tubería y la unión se sueldan mediante soldadura por fricción.
3. Tubería de perforación pesada
La
tubería de perforación con peso es similar a la tubería de perforación petrolera y también consiste en una columna hueca de acero con una longitud de aproximadamente 10 metros. Sin embargo, el peso de una sola varilla es mayor que el de una tubería de perforación petrolera, y el espesor de la pared es de 2 a 3 veces mayor que el de una tubería de perforación. La tubería de perforación con peso se conecta entre la tubería de perforación y el portamechas para evitar daños por fatiga debido a cambios en la sección transversal de la sarta de perforación. También puede reemplazar parte del portamechas, pero su suspensión. La elevación es sencilla, la operación de perforación es conveniente y se puede ahorrar tiempo de perforación.
Clasificación por propósito especial:
1. Tubería de perforación con peso
El espesor de la pared es mayor que el de una tubería de perforación convencional y el peso está cerca del portamechas. Se utiliza para reemplazar parte del portamechas y reducir el riesgo de atascamiento de la broca.
Se utiliza comúnmente en la sección de transición de perforación direccional. Pozos y pozos horizontales.
2. Tubería de perforación antiazufre
Utilice materiales especiales (como SS-75, SS-95) para prevenir la corrosión por sulfuro de hidrógeno (H₂S).
Se utiliza en yacimientos de petróleo y gas con contenido de azufre.
3. Tubería de perforación de alta tenacidad
Optimice el proceso de tratamiento térmico para mejorar la resistencia al impacto, ideal para entornos de aguas extremadamente frías o profundas.
Aplicaciones típicas de la tubería de perforación:
1. Perforación rotatoria: Transmita el torque de la plataforma de perforación e impulse la broca para rotar y romper rocas.
2. Pozos direccionales/horizontales: Se adapta con flexibilidad a los cambios en la trayectoria del pozo, con motores de fondo de pozo (PDM) o sistemas rotatorios direccionales (RSS).
3. Pozos profundos/ultraprofundos: Utilice aceros de alta resistencia (como S-135) para soportar grandes tensiones y torques.
4. Perforación en condiciones de bajo balance: Las tuberías de perforación de alta presión previenen reventones.
Clasificación de la tubería de perforación Uniones:
La unión de la tubería de perforación es un componente de la tubería de perforación, dividido en uniones macho y hembra, que se conectan a ambos extremos del cuerpo de la tubería. Para mejorar la resistencia de la conexión, es necesario aumentar el espesor de la pared del cuerpo de la tubería. Según el método de engrosamiento, se puede dividir en tres tipos: engrosamiento interno, engrosamiento externo y engrosamiento interno y externo. La unión tiene roscas en el extremo (pandeo rugoso) que se utilizan para conectar cada tubería de perforación. La rosca de la unión de la tubería de perforación es cónica con un reborde de sellado. La superficie del reborde se aprieta para sellar, y la rosca solo sirve como conexión. El tipo de pandeo de la rosca de la unión varía según el método de engrosamiento.
Tres condiciones que deben cumplirse para la conexión por pandeo:
① Mismo tamaño;
② Mismo tipo de rosca;
③ Coincidencia de pandeos macho y hembra.
Según el tipo de rosca, las uniones de tuberías de perforación se dividen en cuatro tipos de conexión:
1. Conexión de descarga interna (IF): Se utiliza principalmente para tuberías de perforación con engrosamiento externo. Se caracteriza por tener el mismo diámetro interno en todo el cuerpo y una baja resistencia al flujo del fluido de perforación; sin embargo, el diámetro exterior es grande y propenso al desgaste.
2. Conexión de pozo completo (FH): Se utiliza principalmente para tuberías de perforación gruesas con engrosamiento interno y externo. Se caracteriza por tener dos diámetros internos, una mayor resistencia al flujo del fluido de perforación que la conexión de descarga interna, pero un diámetro exterior menor que la conexión regular.
3. Conexión regular (REG): Se utiliza principalmente para tuberías de perforación con engrosamiento interno, brocas y herramientas de rescate. Se caracteriza por tener un diámetro interno de la unión con engrosamiento menor que el diámetro interno del cuerpo de la tubería, una mayor resistencia al flujo del fluido de perforación y una resistencia relativa al flujo mayor entre los tres tipos de conexión, pero un diámetro exterior menor y una mayor resistencia. Los tres tipos de unión mencionados utilizan roscas en V, pero el tipo de hebilla, la distancia entre ellas, la conicidad y el tamaño son muy diferentes.
4. Conexión numerada (NC): La unión de la serie digital corresponde a la serie de rosca gruesa del estándar nacional estadounidense. API la ha adoptado como estándar internacional. La rosca NC también es una rosca en V. Algunas uniones NC tienen el mismo diámetro de paso, conicidad, paso y longitud de rosca que las antiguas uniones estándar API y pueden utilizarse indistintamente.
La mayoría de las uniones de tuberías de perforación petrolera se fabrican con engrosamiento externo o con engrosamiento interno y externo. El diámetro exterior de la unión de la tubería de perforación es mayor que el diámetro exterior del cuerpo de la tubería. Durante el proceso de perforación, está en constante contacto y fricción con la pared del pozo o la
tubería de revestimiento, lo que provoca desgaste. Para evitar accidentes de perforación, como roturas de la tubería de perforación y tropiezos causados por el desgaste de la unión, se debe instalar una banda antidesgaste en la unión hembra de la tubería de perforación.
Innovación en materiales:
Además del acero tradicional, las tuberías de perforación de aleación de aluminio, aleación de titanio y materiales compuestos se utilizan cada vez más en condiciones de trabajo especiales debido a su ligereza, alta resistencia y resistencia a la corrosión.