Fundamentos do Projeto de Revestimento — Análise de Cargas de Colapso, Pressão Interna e Tração

O projeto de revestimento é a tradução dos dados do reservatório, do programa de fluidos e do risco geológico em uma especificação de material. Ele responde a uma pergunta específica: qual grau, peso e espessura de parede sobreviverá às cargas de pior caso em cada profundidade e em cada fase da vida do poço. Se feito corretamente, o poço nunca é um limitante. Se feito incorretamente, as consequências vão de uma intervenção a um evento de controle de poço.

Na ZC Steel Pipe fornecemos colunas de revestimento em toda a escala de graus API 5CT — J55 até Q125 — para operadores com programas na África Ocidental, Oriente Médio e América do Sul. As conversas sobre seleção de grau que temos com os engenheiros de perfuração quase sempre voltam aos mesmos três casos de carga, às mesmas duas fórmulas e a um pequeno conjunto de erros de especificação que se repetem nos projetos. Este artigo cobre os três.

Os Três Casos de Carga

Cada coluna de revestimento deve satisfazer três casos de carga independentes: colapso, pressão interna e tração. Eles não ocorrem simultaneamente em seus valores de pico, mas um programa de revestimento deve ser verificado contra os três de forma independente, em cada incremento de profundidade de cada coluna.

O colapso é a pressão líquida externa sobre interna que tende a esmagar o tubo para dentro. O cenário crítico varia por tipo de coluna — revestimento de produção durante uma intervenção com fluido pesado de abatimento dentro e pressão de reservatório depletada fora, revestimento intermediário abaixo de uma zona de perda de circulação onde o nível do fluido caiu. A classificação de colapso segundo API TR 5C3 considera o OD do tubo, a espessura de parede e a resistência ao escoamento, com o modo de colapso (elástico, de transição ou plástico) determinado pela relação D/t. O tubo de parede fina colapsa no modo elástico onde a espessura de parede importa mais do que o grau — passar de N80 para P110 em D/t elevado não traz quase nenhum benefício de colapso. O tubo de parede espessa em D/t baixo colapsa plasticamente, onde a resistência ao escoamento é a variável determinante e a seleção de grau faz uma diferença significativa.

A pressão interna é a pressão líquida interna sobre externa que tende a partir o tubo longitudinalmente. O cenário determinante é tipicamente um evento de controle de poço — um influxo de gás com o poço cheio de gás até a superfície — ou um serviço de estimulação que pressuriza a coluna acima do seu projeto de completação. A resistência à pressão interna escala diretamente com a resistência ao escoamento e a espessura de parede, o que significa que um grau mais alto e maior peso ambos melhoram o desempenho à pressão interna proporcionalmente.

A tração acumula-se pelo peso da coluna no fluido, redução de flutuação, momento de encurvamento em poços direcionais, cargas de choque durante a descida (tubo assentado firmemente nas cunhas) e diferenciais de expansão térmica durante a produção. A carga de tração máxima está normalmente no topo da coluna, durante a fase de descida, antes de o cimento ter preso. Tanto o escoamento do corpo do tubo quanto o escoamento da junta da conexão devem ser verificados contra os fatores de segurança de tração.

Classificação de Pressão Interna — Fórmula de Barlow

A classificação de pressão interna API TR 5C3 utiliza a fórmula de Barlow com um fator de correção de espessura de parede de 0,875, que representa a tolerância mínima de parede da API 5CT (12,5% abaixo do nominal):

P_burst = 0,875 × (2 × SMYS × t / D)

onde SMYS é a resistência mínima especificada ao escoamento em psi, t é a espessura de parede nominal em polegadas e D é o diâmetro externo em polegadas.

O fator 0,875 não é um fator de segurança — é uma correção para o tubo de parede mínima que a API 5CT permite. Os cálculos de projeto devem usar esta fórmula corrigida; usar a parede nominal sem o fator 0,875 produz uma classificação de pressão interna não conservadora que superestima o desempenho mínimo real do tubo.

Cálculo de exemplo — revestimento de produção 7" 23 lb/ft:

Para este tamanho comum de coluna de produção, OD = 7,000 polegadas, espessura de parede nominal t = 0,317 polegadas.

Comparando N80 (escoamento mín. 80.000 psi) contra P110 (escoamento mín. 110.000 psi):

• N80: P_burst = 0,875 × (2 × 80.000 × 0,317 / 7,000) = 0,875 × 7.246 = 6.340 psi
• P110: P_burst = 0,875 × (2 × 110.000 × 0,317 / 7,000) = 0,875 × 9.963 = 8.720 psi

P110 oferece uma classificação de pressão interna 37,5% maior do que N80 no mesmo tubo 7" 23 lb/ft. Se a pressão de fechamento do reservatório na superfície é de 7.500 psi, o N80 não atende a um fator de segurança de pressão interna de 1,1 (seria necessária uma classificação de 8.250 psi) — o P110 atende. Este é um caso típico de atualização de grau em poços de gás de alta pressão.

Use a calculadora de pressão de Barlow para executar essas comparações para qualquer tamanho e grau sem aritmética manual.

Para a escala completa de graus com limites de escoamento, tensão e dureza, consulte as tabelas de especificação API 5CT.

Colapso — O Caso de Carga que se Torna mais Perigoso com o Tempo

As fórmulas de colapso da API TR 5C3 definem quatro regimes de colapso baseados na relação D/t: colapso por resistência ao escoamento em D/t muito baixo, colapso plástico através da zona de transição e colapso elástico em D/t alto. Para a maioria dos pesos de revestimento de produção — 7", 9⅝", 13⅜" em pesos de campo típicos — o tubo se enquadra no regime de transição ou plástico, onde tanto a resistência ao escoamento quanto a espessura de parede afetam a classificação. Passar de N80 para L80 com o mesmo OD e parede fornece resistência ao colapso mecânico idêntica (ambos têm escoamento mínimo de 80 ksi), mas passar de N80 para P110 no mesmo corpo de tubo fornece uma melhoria significativa no regime de colapso plástico.

A correção biaxial se aplica diretamente aqui: a resistência ao colapso diminui sob tração axial. Uma coluna profunda suportando 200.000 lb de carga de tração no topo terá uma classificação de colapso efetiva menor do que o valor uniaxial API sugere. Para poços abaixo de aproximadamente 3.000 m (10.000 ft) com colunas pesadas, a correção biaxial pode reduzir a classificação de colapso efetiva em 10–20% — o que pode mudar um projeto de aprovado para reprovado no topo da coluna. Verifique esta correção para todo projeto de revestimento de produção profundo.

Tração — Peso da Coluna e Efeitos Biaxiais

A carga de tração no topo da coluna durante a descida é aproximadamente:

F_tension = (W_air × L) − (W_displaced_mud)

onde W_air é o peso do tubo por pé, L é o comprimento da coluna e a redução de flutuação depende do peso do fluido e da densidade do aço do tubo. Na prática, os engenheiros de perfuração usam programas computadorizados de poço que rastreiam a tração continuamente com a profundidade, mas a carga determinante está sempre na superfície durante as operações de descida.

As cargas de choque ao assentar o tubo nas cunhas ou ao bater adicionam incrementos de tração dinâmica acima do peso estático da coluna. Estas são tipicamente contabilizadas com um fator de carga de choque (comumente 1,5× o peso estático para o assentamento nas cunhas, conforme os padrões do operador). O encurvamento em poços direcionais adiciona tensão de tração no lado superior do poço em cada mudança de direção — isso é calculado a partir da severidade da curva em graus por 100 ft e deve ser incluído em poços com desvio significativo.

Os efeitos térmicos são o componente de tração mais frequentemente omitido no revestimento de produção. Quando uma coluna de produção é cimentada à temperatura ambiente e depois exposta a fluidos quentes do reservatório, ela quer se expandir axialmente. Restringida pelo cimento, não pode — o resultado é tensão compressiva térmica. Quando a produção cessa e a coluna esfria, ela contrai, gerando tensão de tração. Esses ciclos térmicos podem adicionar dezenas de milhares de libras de tração equivalente à coluna. Para poços com grandes diferenciais de temperatura (poços HPHT, poços de injeção de vapor, poços com alta razão gás-petróleo), o incremento de tração térmica deve ser calculado e adicionado à carga de projeto mecânico.

Fatores de Segurança — Valores Padrão

Fatores de segurança mínimos padrão da indústria por caso de carga:

Esses são valores mínimos. As autoridades reguladoras em certas jurisdições (Noruega, Mar do Norte do Reino Unido, pré-sal do Brasil) exigem por lei fatores de segurança mais altos. As especificações de projetos para poços em águas profundas, HPHT ou serviço ácido habitualmente exigem pressão interna de 1,25 e tração de 2,0 mesmo onde as condições do poço suportariam valores menores. O padrão determinante é sempre o mais conservador entre API TR 5C3, o requisito regulatório e a especificação do projeto.

Seleção de Grau por Tipo de Coluna

A escala de graus segue o perfil de carga de cada coluna, do revestimento superficial raso e com pouca carga até as colunas de produção profundas e altamente carregadas.

O revestimento superficial é tipicamente projetado pela tração — a coluna é curta e as cargas são baixas, por isso J55 ou K55 quase sempre é suficiente. A decisão de atualizar para N80 em colunas superficiais geralmente vem dos requisitos de conexão, não das classificações do corpo do tubo.

O revestimento intermediário deve conter as pressões de influxo das formações abaixo enquanto suporta o peso do revestimento de produção acima. A pressão interna é o caso de carga determinante na maioria das colunas intermediárias. Em serviço doce (não ácido), N80-1 ou P110 são as escolhas padrão dependendo do requisito de pressão interna. Em qualquer poço onde H2S tenha sido detectado no intervalo — ou não possa ser descartado — a coluna intermediária deve ser L80-1, não N80-1, porque N80-1 não tem limite de dureza e não é qualificado para serviço ácido.

O revestimento de produção enfrenta a combinação completa dos três casos de carga. A seleção de grau é determinada pelo caso de carga que requer o material mais capaz — o que varia de acordo com a profundidade do poço, a pressão do reservatório e o teor de H2S.

Quando NÃO Usar N80 ou P110

Tanto N80 quanto P110 são graus amplamente utilizados, mas cada um tem condições específicas em que são a escolha errada.

Não use N80-1 quando:

• Há H2S na base de projeto em qualquer concentração. N80-1 não tem limite de dureza segundo a Especificação API 5CT, 11ª Edição — e sem limite de dureza não há limite superior à susceptibilidade ao trincamento por tensão-sulfeto. Em um grau de escoamento de 80 ksi, o tubo N80-1 pode exibir valores de dureza que não atendem aos requisitos de NACE MR0175 / ISO 15156. O grau correto para serviço ácido com escoamento mínimo de 80 ksi é L80-1, que tem dureza máxima de 23 HRC.
• O poço tem profundidade total superior a aproximadamente 10.000 ft com alta pressão de fechamento na cabeça do poço proveniente de um reservatório de gás. Nessas condições, tanto as cargas de pressão interna quanto de colapso apontam para L80 ou P110 dependendo do status de serviço ácido — N80 raramente fornece margem adequada.
• Os dados do reservatório são incompletos e H2S não pode ser excluído da base de projeto. Projete para o pior caso credível; N80-1 não é esse grau.

Não use P110 quando:

• Há H2S presente em qualquer nível. P110 não está listado em NACE MR0175 / ISO 15156 para qualificação de serviço ácido — e não pode ser qualificado por tratamento térmico ou testes de dureza, independentemente de como um fornecedor proponha abordar a lacuna. O grau correto para serviço ácido de alta resistência é C110, que compartilha uma faixa de escoamento similar, mas tem qualificação NACE explícita com requisitos específicos de química, tratamento térmico e dureza.
• O projeto do poço aplica um fator de segurança de pressão interna inferior a 1,1. P110 é um grau de alta resistência selecionado pela pressão interna — se o fator de segurança está comprometido em outro lugar do projeto, a escolha de grau não resgata a coluna.
• Os fluidos de produção conterão CO2 significativo sem inibição. P110 é um aço ao carbono-manganês sem resistência à corrosão por CO2 — requer injeção de inibidor ou atualização para um grau de liga de Cr.

Para um tratamento abrangente da seleção de grau para serviço ácido de acordo com a pressão parcial de H2S e as condições de temperatura, consulte nosso guia de seleção de grau OCTG para serviço ácido.

Armadilha de Aquisição e Linguagem Correta de Ordem de Compra

O erro de aquisição mais grave que vimos nesta categoria de produto: uma coluna de revestimento de produção para um poço de gás onde os dados do teste de formação mostraram H2S a 50 ppm foi pedida como "API 5CT P110". O pedido de compra foi processado. A fábrica produziu conforme P110. O revestimento foi entregue, inspecionado e aceito conforme P110 — porque P110 era o que havia sido pedido e P110 era o que havia sido enviado. O problema surgiu quando a equipe de HSE do operador revisou o pacote de rastreabilidade metalúrgica antes de descer a coluna e observou que P110 não é qualificado para serviço ácido segundo NACE MR0175 / ISO 15156. A coluna não pôde ser descida.

P110 não é qualificado para serviço ácido e não há solução alternativa. Um tratamento térmico que produza dureza máxima de 23 HRC estaria fora da especificação mínima de escoamento do P110. O grau correto é C110 — a Especificação API 5CT, 11ª Edição define C110 como um grau qualificado para serviço ácido com escoamento mínimo de 110 ksi / 758 MPa, escoamento máximo de 130 ksi / 896 MPa, dureza máxima de 30 HRC e qualificação explícita segundo NACE MR0175 / ISO 15156-2.

A linha de pedido de compra correta diz: "Revestimento conforme API 5CT 11ª Edição, Grau C110, [OD] [peso] [tipo de conexão], serviço ácido conforme NACE MR0175 / ISO 15156, MTC EN 10204 3.2 exigido."

Qualquer pedido de compra que diga "P110 serviço ácido" é autocontraditório. Nenhuma fábrica em conformidade pode atender a esse pedido sem violar a especificação do grau ou o requisito de serviço ácido.

Linguagem correta de pedido de compra para revestimento de produção de serviço ácido de 80 ksi: "API 5CT 11ª Edição, Grau L80 Tipo 1, [OD] [peso] [tipo de conexão], qualificado NACE MR0175 / ISO 15156, dureza máxima 23 HRC, MTC EN 10204 3.2."

Links de Referência

• Tabelas de especificação API 5CT — escala completa de graus com escoamento, resistência à tração, dureza e composição química
• Calculadora de pressão de Barlow — classificação de pressão interna para qualquer grau, OD e espessura de parede
• Seleção de grau OCTG para serviço ácido — N80, L80, T95, C110 por pressão parcial de H2S e temperatura