Simulación y análisis del fenómeno de pandeo en una tubería de producción de petróleo mediante el método de elementos finitos

Abstract

El objetivo general del presente trabajo especial de grado es simular y analizar el fenómeno de pandeo en una sarta de producción para un pozo SAGD, en su sección vertical, calculado por un programa computacional especializado que utiliza el método de elementos finitos. Para esto se desarrolló una metodología analítica y una metodología para la simulación numérica, que compila la formulación analítica y el procedimiento para simular numéricamente el fenómeno de pandeo. La nueva configuración geométrica post-pandeo en la sarta de producción, obtenida en la simulación numérica, se ajustó a la nueva configuración geométrica post-pandeo reportada en la solución analítica, obteniéndose un 4% de diferencia en la ubicación del punto neutro. También se obtuvo un 9% de diferencia con respecto a los resultados de los desplazamientos axiales entre la solución analítica y los resultados obtenidos en la simulación numérica. Por otra parte, se encontró que el aumento de la temperatura favorece el pandeo en la sarta de producción y viceversa. Adicionalmente se desarrolló un caso de cementación secundaria, en el cual se obtuvo un error promedio inferior al 15% en la magnitud del esfuerzo equivalente (VME) para la zona pandeada de la sarta, entre la simulación numérica y el modelo analítico, producto de la diferencia de criterios de estabilidad, vinculaciones en la cabeza de hoyo y la temperatura impuesta sobre el modelo numérico.

In this work, it is presented a simulation and analysis of buckling phenomenon on oil tubing for a SAGD well on it´s vertical section, calculated with specialized software, which uses the finite element method. In order to do so, an analytic methodology and a numeric simulation methodology, that compiles analytic formulation and numeric simulation procedure of buckling phenomenon, were developed. The new post-buckling geometric configuration on tubing, obtained for the numeric simulation, was adjusted to the new post-buckling geometric configuration for the analytic solution, obtaining 4% of difference in the location of neutral point. Also, a 9% of difference between the results for axial displacements for analytic solution and numeric solution was obtained. Otherwise, it was found that the increase of temperature, promotes buckling on the string and vice versa. In addition, a secondary cementing case was developed, in which a medium error inferior to 15% in equivalent stress magnitude (VME) was obtained, on tubing buckled zone, between numeric simulation and analytic model, as product of the divergence of stability criteria, wellhead tubing hanger and the temperature imposed on the numeric model.