Cálculo y Clasificación de las Presiones de Colapso y de Estallido en la Tubería de Perforación

Cálculo y Clasificación de la Presión de Estallido en la Tubería de Perforación

En términos generales, la presión de estallido (burst pressure) en una tubería de perforación se define como la presión diferencial que actúa a través de la pared del tubo cuando la presión interna es mayor que la presión externa. Este artículo detalla la fórmula y los criterios de diseño asociados.

1. Consideraciones de diseño para la Presión de Estallido

A diferencia del diseño de revestidores (casing) o tubería de producción (tubing), el estallido rara vez es el criterio que controla el diseño de la tubería de perforación.

• ¿Por qué? Porque tanto la columna de fluido dentro de la tubería como la columna de fluido en el espacio anular (fuera de la tubería) suelen estar compuestas por el mismo lodo de perforación. En la mayoría de los casos, los pesos de ambos lodos son iguales, lo que anula la presión diferencial.

• Carga máxima: La carga de estallido máxima ocurre generalmente en la superficie, justo debajo del cabezal del pozo, donde a menudo no hay contrapresión externa (espacio anular vacío).

• Criterio de seguridad: Para determinar la carga de estallido máxima permitida, se debe utilizar un factor de seguridad de 1.125.

  • Fórmula básica: $P_{Burst}=P_{Interna}-P_{Externa}$

2. Presión Mínima de Fluencia Interna (MIYP)

La MIYP (Minimum Internal Yield Pressure) del cuerpo del tubo se determina mediante la fórmula de presión de fluencia interna establecida en el Boletín API 5C3 (Fórmulas y cálculos para propiedades de revestidores, tubería de producción, tubería de perforación y tubería de línea).

Fórmula de MIYP:

$$PB=0.875\times \left(\frac{2\times Yp\times t}{D}\right)$$

• PB: Presión mínima de fluencia interna (psi).

• Yp: Resistencia mínima a la fluencia (yield strength) en psi.

• t: Espesor nominal de la pared (pulgadas).

• D: Diámetro exterior nominal de la tubería (pulgadas).

Nota importante: Alcanzar la presión MIYP no significa necesariamente que la tubería vaya a fallar por estallido o ruptura. La ruptura real solo ocurre cuando el esfuerzo tangencial excede la resistencia a la tensión última (UTS). Usar el criterio de resistencia a la fluencia (yield) es una práctica inherentemente conservadora.

3. Consideraciones Finales y Advertencias

• Uso con Gas: En general, la tubería de perforación no debe utilizarse en aplicaciones que requieran altas cargas de presión de estallido si el gas es la fuente de alta presión. Para estos servicios son preferibles las conexiones de tubería tipo "Premium" (como Hydril o VAM) sobre las conexiones soldadas estándar (Rotary Shouldered).

• Gas Ácido ($H_{2}S$): Bajo ninguna circunstancia se debe utilizar tubería de perforación de cualquier grado para transportar gas que contenga ácido sulfhídrico ($H_{2}S$) con una presión parcial superior a 0.05 psi.

• Factores de Diseño: Las clasificaciones de estallido se calculan asumiendo propiedades mínimas del material y sin carga axial. Se utiliza un factor de diseño estándar de 1.176, el cual debe dividirse entre la capacidad de estallido de la tubería para establecer su diferencial de presión máxima permitido.

Nota: Aunque la tensión simultánea aumenta la capacidad de presión de estallido del tubo, este beneficio suele ignorarse en los cálculos de diseño por seguridad.

Presión de Colapso en Tuberías de Perforación: Fórmulas y Tablas

En ocasiones, la tubería de perforación puede estar sometida a una presión externa mayor que la presión interna. Esta condición ocurre frecuentemente durante las pruebas de formación (drill stem testing) y puede causar el colapso (aplastamiento) de la tubería.

La presión diferencial (presión externa menos presión interna) necesaria para producir el colapso se calcula para diversos tamaños y grados de tubería (nueva y usada), según las especificaciones del API RP7G.

1. Cálculo de la Presión de Colapso Real

La presión neta de colapso en cualquier punto de la sarta de perforación bajo condiciones estáticas se calcula con la siguiente fórmula:

$$P_{rc}=(P_{ra}+D\times G_A)-(P_{rDP}+D\times G_{DP})$$

• $P_{rc}$: Presión neta de colapso sobre la tubería.

• $P_{ra}$: Presión de superficie en el espacio anular.

• $P_{rDP}$: Presión de superficie dentro de la tubería.

• $D$: Profundidad de interés.

• $G_A$: Gradiente del fluido en el espacio anular.

• $G_{DP}$: Gradiente del fluido dentro de la tubería.

Nota: La capacidad nominal de colapso se encuentra en las tablas técnicas, pero debe ajustarse debido a que la tensión simultánea reduce la capacidad de resistencia al colapso del tubo.

2. Fórmulas de Clasificación de Presión de Colapso (API Bulletin 5C3)

La ecuación a utilizar depende de la relación D/t (Diámetro exterior / Espesor de pared). Se debe calcular primero esta relación para determinar el rango de comportamiento:

A. Fluencia (Yield-Strength Collapse)

Si la relación D/t es baja, el colapso ocurre por fluencia del material:

$$P_c=2\times Y_m\left[\frac{(D/t)-1}{(D/t{)}^2}\right]$$

Donde $Y_m$ es la resistencia mínima a la fluencia.

B. Rango Plástico

Para valores D/t intermedios, se aplica la fórmula del rango plástico:

$$P_c=Y_m\left[\frac{A}{D/t}-B\right]-C$$

(Donde A, B y C son constantes que dependen del grado del acero).

C. Rango de Transición (Entre Plástico y Elástico)

Se utiliza una fórmula específica para este rango, considerando la transición gradual hacia el comportamiento elástico del acero.

D. Rango Elástico

Para relaciones D/t altas (tubos delgados), el colapso ocurre por inestabilidad elástica:

$$P_c=\frac{46.95\times 10^6}{(D/t)\times [(D/t)-1{]}^2}$$

3. Factores Críticos en el Diseño

Factor de Seguridad

Las clasificaciones tabuladas representan el límite teórico. Para obtener la presión de colapso permisible ($P_{ac}$), se debe dividir el valor de la tabla por un factor de seguridad:

$$P_{ac}=\frac{P_c}{S.F.}$$

• S.F.: Factor de seguridad (típicamente entre 1.1 y 1.2).

Efecto de la Carga de Tensión

La tensión axial debilita la resistencia al colapso. Si la tubería está sometida a tensión, los valores de las tablas deben ser ajustados (derated). El colapso efectivo se calcula mediante una ecuación que corrige la reducción de capacidad según la magnitud de la carga axial aplicada.

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Resumen: Para una selección correcta, es vital calcular el D/t, determinar en qué régimen de comportamiento se encuentra el tubo (fluencia, plástico, transición o elástico) y aplicar el factor de corrección por tensión si la sarta está suspendida bajo carga.

Mas Información

Presión de Estallido

• How To Consider Burst Pressure While Selecting Drill Pipes
• Minimum Internal Yield Pressure
• Final Words
• Drill Pipe Burst Pressure Capacity (psi)

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Presión de Colapso

• Actual Drill Pipe Collapse Pressure Calculations
• Drill Pipe Collapse Pressure Rating Formula
  • Plastic Range
  • Between Plastic & Elastic
  • Elastic Range
• Drill Pipe Collapse Pressure Capacity Table (psi)
• Safety Factor
• Tensile Load Effect

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