Varillas de Bombeo

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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”).

5. 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 !

6. Alternativas de Diseño Control de Producción y evaluaciones por AEF Ensayos de Laboratorio No Si Ok? Ensayo de Campo 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. Material utilizado para la simulación y los ensayos: Varillas Grado D con cuplas UHS. 6

7. Huelgo Análisis por Elementos FinitosContacto en el Perfil de la Rosca Conexión API Conexión Premium El huelgo permite “movimiento” entre los hilos de rosca cuando hay cargas de compresión o golpes en la sarta de varillas.

8. Rosca API Principal Stress #1 Rosca Premium Principal Stress #1 Análisis por Elementos FinitosDistribución del Nivel Principal de Tensiones (Solicitación al 100% Goodman) Relative Principal Stresses Tpi/Ty (Ty = 59,77 kg/mm2) La Conexión Premium muestra un importante beneficio en la distribución de tensiones ! A 8

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

10. Análisis por Elementos FinitosCriterio 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: • 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

11. A Conexión API • B • C • D • E • A • B • C • E • F Conexión Premium Criterio de Daño por Fatiga para Solicitaciones Multiaxiales A

12. 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.

13. Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión 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). Probeta de Ensayo: Trozo con cuerpo de 1 1/8” Grado D y Conexión Premium de 7/8” (Cuplas UHS). Menos de5 Millones de Ciclos 10 Millones de Ciclossin fallas(hasta 280 %Goodman) 10 Millones de Ciclossin fallas(hasta 336 %Goodman) Menos de 1.5 Millones de ciclos 10 Millones de ciclos sin falla(hasta 336 %Goodman) A

14. Varillas 1” D CP Varillas 7/8” D CP Varillas 3/4” D CP Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaResultados de ensayos de fatiga axial de la conexión

15. Control de Calidad y FabricaciónControl de perfil de rosca Fue necesario desarrollar nuevos dispositivos para el control de las roscas y adquirir tecnología de punta para la fabricación A

16. 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 engrasarse2- El contacto entre los espejos debe hacerse con la llave hidráulica y luego controlar el desplazamiento. A

17. 7/8” GD CP 1” AR 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: 7.81Diseño 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 137% (FS 0.9) 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. Conexión Premium de VarillasConclusiones • 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.

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

20. Anexos

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

22. ROSCA API Principal Stress #1 Conexión Premium Principal Stress #1 Análisis por Elementos Finitos Distribución del Nivel Principal de Tensiones (Make-Up) Relative Principal Stresses Tpi/Ty (Ty = 59,77 kg/mm2) La Conexión Premium muestra un beneficio drástico en la distribución de tensiones !

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

24. Ensayos de Laboratorio a Plena EscalaEnsayos 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.

25. Calibre No Pasa para hilos de rosca. Calibre Pasa para hilos de rosca Control de Calidad y FabricaciónControl de perfil de rosca

26. Control de Calidad y FabricaciónControl de perfil de rosca

27. Control de Calidad y FabricaciónControl de perfil de rosca

28. Proceso de Make-up Paso #1: Limpieza de las roscasSe debe asegurar la ausencia completa de partículas sólidas.

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

30. 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.

31. 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 CircunferencialDespués de asegurar el contacto de los espejos se dibuja una línea vertical y se logra el desplazamiento deseado con la llave de torque.

32. D PC Rods 1” HS Rods 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 912-365-168Carrera: 168”GPM: 7.81Densidad del Crudo: ~10 °APIDiseño 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 137% (0.9 SF) 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).