ANÁLISIS DE FUERZAS 3.4.- Esfuerzos Axiales. Las cargas axiales se encuentran a lo largo de la tubería y estas se ven afectadas por una variedad de factores, como presión, temperatura y el peso de la tubería. Las cargas axiales pueden ser de tensión, por convención fuerzas positivas, y de compresión, fuerzas negativas. Como resultado de las fuerzas de tensión y compresión que actúan en el aparejo, se van a presentar una serie de efectos en el aparejo, los cuales podrían causar el movimiento del mismo, ya sea hacia arriba, como resultado de una contracción, o hacia abajo, como resultado de una elongación. Hay muchos efectos que pueden causar esto, los principales son: pistón, balón, buckling y temperatura. Al análisis de las fuerzas ocasionadas por efectos axiales también se le denomina en la literatura como análisis uniaxial.
Fig. 3.2. 3.2.-- Diferentes Diferentes efecto s d e los esfuerzos axiales.
3.4.1.- Fuerza axial. La fuerza axial de la tubería, es decir, la fuerza axial máxima antes de superar el límite de elasticidad, puede ser calculada a partir del grado y del área transversal del tubo: = … … … … … (. ) ) donde Ax es el área de la sección transversal de la tubería en [in 2] y Y p es el máximo esfuerzo de cedencia en [psi]. 3.4.2.- Peso de la tubería. Inicialmente, la importancia de los efectos de presión y fricción en la tubería de producción y de revestimiento, fueron ignorados. Para un pozo desviado se hace caso omiso de la fricción del fluido en la tubería de producción y el revestidor, la fuerza axial debido al peso F w, es la resultante del peso en la dirección axial. La fuerza normal F n, es importante por razones de arrastre o de fricción. (15) CAPÍTULO 03
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ANÁLISIS DE FUERZAS La fuerza resultante en la dirección paralela a la tubería es: = … … … … … (. ) = … … … … … (. )
donde w / l es el peso por unidad de longitud [lb/ft] de la tubería incluyendo las conexiones y la TVD es la profundidad vertical real a la base de la tubería. Esta dependencia de la profundidad vertical de la tubería sugiere que la perforación de alcance extendido ERD de los pozos no tiene necesariamente una mayor carga axial equivalente en un pozo vertical a la profundidad vertical del que esta desviado, aunque el arrastre causa efectos que pueden ser más importantes.
Fig. 3.3.- Peso d e la tub ería en u n p ozo des viad o. (16)
3.4.3.- Pistón. Las fuerzas de pistón son cargas causadas directamente por la presión en las secciones transversales expuestas de la tubería. El ejemplo más sencillo del pistoneo es la fuerza de flotación debida a la presión del fluido sobre la base de la tubería colgada libremente. La presión de los fluidos en el área de la sección transversal de la tubería es la que genera una fuerza axial F p. En este caso, la presión está por debajo de la tubería y por lo tanto las fuerzas son compresivas: = − … … … … … (. ) La presión puede provenir de una combinación de presión hidrostática y la aplicación de esta presión. La presión hidrostática se calcula a partir de la densidad: á = … … … … … (. )
En las unidades petroleras de campo, la presión está en [psi], las profundidades incluyendo la TVD en [ft] y la densidad [ ] en [psi/ft]. El agua dulce tiene una densidad de 0.433 [psi/ft] ó de 62.36 [kg/m 3]. CAPÍTULO 03
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ANÁLISIS DE FUERZAS La gravedad específica [s.g.], es la densidad del fluido en relación al agua dulce, y se utiliza para corregir diferentes fluidos: = . . … … … … … . (. )
La fuerza de pistón generada por una prueba de presión depende de la presión diferencial: = … … … … … (. ) La magnitud de la carga combinada del peso de la tubería y la carga de pistón en la sección transversal puede ser significativa. (17)
Fig. 3.4.- Efecto d e una pru eba de presión en un aparejo tapado. 3.4.3.1.- Dispositivos de expansión.
Estos equipos son comúnmente usados para reducir las tensiones en las tuberías que permiten el movimiento, por ejemplo, de la expansión térmica. En algunos casos, se trata de correcciones, sin embargo, en muchos casos las fuerzas de pistón son más significativas. Hay que tener en cuenta que los sellos se pueden recuperar y sustituir durante un reacondicionamiento. Todos los dispositivos de expansión pueden ser tratados de manera idéntica, pero con sellos de diferentes tamaños. La fuerza de pistón total F p es: = − − − … … … … … (. )
Una junta de expansión puede parecer que se comporta de manera diferente, pero muchas de las áreas transversales se anulan, y el mismo cálculo es válido. El parámetro crítico para los dos dispositivos, el PBR y la junta de expansión, es el sello que tenían, y esto se obtiene por referencia a un dibujo bidimensional. CAPÍTULO 03
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ANÁLISIS DE FUERZAS Para los dispositivos de expansión con sello de múltiples agujeros y algunas juntas de deslizamiento, siempre es posible conocer las áreas de las presiones en un sello efectivo que lleva una zona con dos presiones, la interna y la externa.
Fig. 3.5.- PBR y jun ta de exp ansión. (18)
Hay que tener en cuenta que la presión interna aplicada promoverá las cargas de compresión, mientras que presión externa aplicada promoverá las cargas de tensión. En el caso de la presión ejercida en una prueba de terminación puede tener diferentes tipos de cargas. (19)
Fig. 3.6.- Efecto pis tón. CAPÍTULO 03
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