Simulación de fluidos y de estructuras para el sector del petróleo y gas
miércoles, 23 mayo, 2018
El diseño de productos para el sector del petróleo y el gas presenta muchos retos específicos. Lo primero que deben aprender los diseñadores e ingenieros es cómo funciona un pozo petrolífero y qué partes lo forman. En las imágenes que aparecen a continuación se puede ver qué aspecto tiene un pozo petrolífero convencional. La tubería de revestimiento está en contacto con el suelo y, como resultado, se encuentra generalmente bajo presión externa. La tubería de producción sirve para conducir el fluido, así que pueden afectarle cargas de distinto tipo, como la presión interna y externa, la tensión y la compresión. Dentro de ella se encuentra la varilla de bombeo, que se utiliza para activar la bomba en el fondo del pozo. Un pozo convencional mide entre 1500 m y 5000 m, dependiendo de la región de exploración. Hay muchas uniones en una sarta; en consecuencia, si una de ellas falla, el pozo deja de producir.
Pozos petrolíferos Hay muchos tipos de productos en el sector del petróleo y el gas; en este artículo me centraré en dos de ellos: las uniones de las varillas de bombeo y las uniones roscadas de las tuberías de revestimiento y producción. Si estos componentes fallan en un pozo generan problemas de producción y los costes se pueden disparar. La figura que aparece a continuación muestra una unión de varilla de bombeo (izquierda) y una unión de tubería de revestimiento y producción (derecha).
Uniones roscadas y de varilla de bombeo En cuanto a la simulación de este tipo de componentes, es muy importante conocer el proceso de fallo de cada uno de ellos. En el caso de las varillas de bombeo, existen cargas alternas que transmiten un campo de tensión variable. También pueden apreciarse concentraciones de tensión en las raíces de las roscas. Estos efectos de la tensión suelen producir fallos de fatiga tras un número de ciclos determinado. La figura inferior muestra una unión de varilla de bombeo con un fallo en la última rosca de raíz acoplada. La imagen de la izquierda muestra el lugar del fallo, y en la imagen de la derecha se puede ver que el proceso de fallo se inició con un fallo dúctil y terminó con la rotura de toda la sección, como indica la pequeña fractura. La última imagen muestra una unión completa y un principio de fractura en el componente de pasador.
Fallo de fatiga en varillas de bombeo Las uniones roscadas de las tuberías de revestimiento y producción presentan un modo de fallo diferente. Al verse sometidas a distintos tipos de cargas estáticas (tensión, compresión, presión interna y externa), aparece una deformación permanente debida a la plasticidad del material. El resultado son las fugas en la zona de la junta de este tipo de unión.
Fallo de deformación permanente
Solución SOLIDWORKS Simulation Estos fallos en las uniones de las varillas de bombeo y de las tuberías de revestimiento y producción se traducen en un aumento de los costes y en retrasos en el tiempo de desarrollo. Para evitar estos problemas, es necesario utilizar un software que permita probar diferentes opciones de diseño y evaluar el rendimiento del producto, que sea intuitivo y fácil de utilizar y que ofrezca soporte técnico continuo.
Características principales de la plataforma SOLIDWORKS La solución al fallo de fatiga de las varillas de bombeo consistió en volver a diseñar las uniones con factores de concentración de tensión que permitieran lograr el diseño óptimo. La figura de la izquierda muestra el resultado del diseño con un valor de API normal (opción 1) y de un diseño con un valor de API modificado (opción 2). En el diseño modificado solo se ha cambiado el ángulo del hombro, que distribuye el campo de tensión mejor que en el diseño normal. A la derecha podemos ver la comparación de los coeficientes de tensión. El diseño normal muestra los peores resultados (curva roja inferior) y, sin lugar a duda, el nuevo diseño muestra un coeficiente de tensión mucho mejor (curva verde superior).
Resultados de la varilla de bombeo En cuanto a la unión roscada, se evaluó el rendimiento de la junta de unión; lo que permitió al diseñador definir las cargas críticas. En la imagen siguiente se aprecia el área de la junta (izquierda) y la evaluación del rendimiento de la junta (derecha). Habitualmente utilizo tres tipos de factores: 1) SF: fuerza de la junta, 2) SP: pico de la junta y 3) SL: longitud de la junta Estos factores me permitieron evaluar el rendimiento de la junta.
Resultados de la unión roscada Como resumen del estudio de estos dos casos, podemos sacar las siguientes conclusiones:
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Artículo original del Blog de SOLIDWORKS