Fuerza Piston en Tuberia con Fondo Abierto (Punta Libre)
La
Fuerza de Pistoneo es una carga causada directamente por los cambios en
la presión que actúaen el a´rea transversal expuesta del tubo. Esto
resulta en cambios de la longitud del tubular y las fuerzas que actúan
en contra del mismo. En este articulo se demostrara de manera general la
distribución de las fuerzas basados en un simple diagrama. Detalles de la Tuberia
- 5” Tubing
- ID = 3.696”
- Peso por longitud = 17.7 lb/ft
- Longitud Total = 10.000 ft
- Densidad del Fluido = 10 lpg
- La tubería se puede mover libremente en la Empacadura
- Presion aplicada en superficie = 5.000 psi
La fifura 1 nos muestra el esquema del pozo. La presión aplicada de 5.000 psi causará el efecto pistón que empujara la tubería. Por lo tanto, en el fondo de la tubería, la flotación y la fuerza de pistoneo actuarán en sentido hacia arriba (compresión).
Figura 1 – Esquema del Pozo
Presión en el Fondo
P fondo (psi) = Presión Hidrostatica (psi) + Presión Aplicada en Superficie (psi)
P fondo (psi) = (0.052×10×10.000) + 5.000 = 10.200 psi
Fuerza en el Fondo
P fondo (psi) = Presión Hidrostatica (psi) + Presión Aplicada en Superficie (psi)
P fondo (psi) = (0.052×10×10.000) + 5.000 = 10.200 psi
Fuerza en el Fondo
F fondo (lb) = Presión en el Fondo (psi) × area transversal del tubo (pulg2)
F fondo (lb) = 10.200 psi × (15,9 – 10,73) = 52.273 lb (compresion ⇑(+))
La fuerza en superficie es la sumatoria de la tensión causada por el peso de la tubería que actúa en el área transversal del tubo .
F en Superficie (lb) = (- 17,7 × 10.000) + (52.273) = -124,266 lb (Fuerza de Tensión ⇓ (-))
En la figura 2 se muestra la distribución de las fuerzas basados en la información suministrada
F fondo (lb) = 10.200 psi × (15,9 – 10,73) = 52.273 lb (compresion ⇑(+))
La fuerza en superficie es la sumatoria de la tensión causada por el peso de la tubería que actúa en el área transversal del tubo .
F en Superficie (lb) = (- 17,7 × 10.000) + (52.273) = -124,266 lb (Fuerza de Tensión ⇓ (-))
En la figura 2 se muestra la distribución de las fuerzas basados en la información suministrada
Figura 2- Diagrama de Distribución de Fuerzas
Nota:para estos cálculos, los signos y direcciones asignados de fuerzas y presiones son los siguientes:
Fuerza de Compresión = ⇑(+)
Fuerza de Tensión = ⇓(-)
Acortamiento de la longitud= (-)
Elongación de la longitud = (+)
Los signos se basan en los estudios de Lubinski’s
References
Fuerza de Compresión = ⇑(+)
Fuerza de Tensión = ⇓(-)
Acortamiento de la longitud= (-)
Elongación de la longitud = (+)
Los signos se basan en los estudios de Lubinski’s
References
Piston Force on Open-Ended Tubular
Fuerza de Pistoneo en Tuberia con Fondo Cerrado (Taponeada)
Detalles de la Tuberia
- 5” Tubing
- ID = 3.696”
- OD de la Empacadura sello = 5.25”
- Peso por longitud = 17.7 lb/ft
- Longitud Total = 10,000 ft
- Profundidad en la que la Tuberia esta Taponeada = 10,000 ft
- Densidad del Fluido = 10 ppg
- La tuberia se puede mover en la empacadura
- Presion aplicada en superficie = 5,000 psi
Figure 1 – Esquema del Pozo
Presión en el Fondo
Puesto que hay un tapón que detendrá la presión superficial que baja a la parte inferior de la tubería, la fuerza que actúa hacia arriba (fuerza de compresión) es sólo la presión hidrostática que actúa contra el área de la sección transversal.
Presión en el Fondo (psi) = presión hidrostática (psi)Presión en el Fondo (psi) = 0,052 x 10 x 10.000 = 5.200 psi
Fuerza en el Fondo
Fuerza en Fondo (lb) = Presión en Fondo (psi) x área de la sección transversal del tubo (pulg2)
Fuerza en Fondo (lb) = 5.200 psi × 15,9 = 82.680 lb (compresion ⇑(+))
El área total se utiliza para este cálculo debido a que la presión empuja hacia arriba contra el tapón y el área de la sección transversal de la tubería.
Presión en el Tope del Tapón
La Presión en la parte superior del tapón es igual a la suma de la presión aplicada en superficie y la presión hidrostática.
Presión en la parte superior del tapón (psi) = presión hidrostática (psi) + presión superficial aplicada (psi)Presión en la parte superior del tapón (psi) = (0,052 x 10 x 10.000) + 5.000 = 10.200 psi
Fuerza en el Tope del Tapón
Fuerza en la parte superior del Tapón (lb) = 10.200 × 10,73 = 109.446 lb (fuerza de tensión ⇓ (-))
Fuerza Total Actuando en el Fondo
Fuerza Total en Fondo = Fuerza en la parte superior del Tapón +Fuerza en Fondo
Fuerza Total en Fondo= (-10.446 lb) + (82.680 lb) = -26.776 lb (fuerza de tensión⇓ (-))
It is a tensile force due to applied surface pressure on the plugged string.
Fuerza Total en Superficie
En superficie la fuerza total será la sumatoria entre la tensión causada por el peso de la tubería y la que es causada por la presión aplicada en superficie.
Fuerza en Superficie (lb) = (- 17,7 × 10.000) + (-26.776) = -203.766 lb (fuerza en tensión ⇓ (-))
Figure 2 illustrates force distribution based on the given information. It is seen that none of tubular section is exposed to compression force. La Figura 2 ilustra la distribución de la fuerza de acuerdo con la información dada. Se ve que ninguna sección del tubular está expuesta a la fuerza de compresión.
Figure 2 – Force Distribution Diagram
Nota:para estos cálculos, los signos y direcciones asignados de fuerzas y presiones son los siguientes:
Fuerza de Compresión = ⇑(+)
Fuerza de Tensión = ⇓(-)
Acortamiento de la longitud= (-)
Elongación de la longitud = (+)
Los signos se basan en los estudios de Lubinski’s
Lubinski, A., & Althouse, W. S. (1962, June 1). Helical Buckling of Tubing Sealed in Packers. Society of Petroleum Engineers. doi:10.2118/178-PA
Piston Force on Closed-Ended Tubular (Plugged Tubular)
Efecto Pistón en Sartas Cónicas y Dispositivos Expandibles
Sartas Cónicas
O Tapered string, en inglés, es una sarta que consta de más de un tamaño de tubo. Por lo tanto, las fuerzas que actúan en conos deben tenerse en cuenta. La Fuerza depende de las configuraciones de la tubería y la presión y va a disminuir o aumentar la carga superficial.
La Figura 1 ilustra el diagrama de una sarta de terminación cónica. Siempre que en la sarta haya una diferencia entre el diámetro exterior y el diámetro interior, habrá hacia abajo o hacia arriba fuerzas que actúa contra el borde cónico. Es imprescindible analizar cada cornisa y combinar todos los resultados con el fin de ver el efecto total. De la Figura 1, F1 y F2 causa compresión, pero F3 crea fuerza de tensión.
Figura 1 – Configuracion de una sarta cónica
Dispositivos Expandibles
Los dispositivos expandibles tales como receptáculos de barra pulida (PBR) y juntas de expansión se usan en un pozo para acomodar el movimiento del tubo. Las causas de los movimientos de la tubería son el efecto pistón, térmica, de pandeo, balón y la producción.
Expandable devices such as polished bore receptacles (PBR) and expansion joints are used in a well to accommodate tubing movement. Causes of tubing movements are piston effect, thermal, buckling, ballooning and production.
Figura 2 – Esquema de los dispositivos de expansión (Cortesía de George E King Consulting)
(Ref: http://gekengineering.com/Downloads/Free_Downloads/Packer.pdf)
La Figura 3 ilustra la vista en sección transversal de dos PBR y la junta de expansión. Cada tipo tiene una configuración diferente en la zona de sección transversal. Por lo tanto, la reacción de la fuerza será diferente para cada uno. El cambio en áreas de sección transversal afecta directamente el tiempo que tan largo sea el movimiento de la tubería . Esto puede conducir a la elongación o contracción de la tubería . El movimiento de la tubería será discutido en un tema más adelante
Figura 3 – Corte transversal Esquema de los dispositivos de expansión
Donde;
Ap = área de la sección transversal de la empacaduraAi = área de la sección transversal en función del diámetro interiorAo = área de la sección transversal en función del diámetro exteriorPi = presión internaPo = presión externa
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