El objetivo del presente trabajo fue elaborar un software para la evaluación de diseño de tuberías de revestimiento y su estado mecánico confiable, sencillo y de fácil adaptación entre el programa y el usuario. Para ello, se combinó la teoría técnica y científica con la experiencia en el manejo de software especializado en el diseño de pozos petroleros. La estrategia para su desarrollo consistió en la descomposición del problema original en tres secciones: 1) identificación y manejo de las diferentes propiedades mecánicas de las tuberías de revestimiento, 2) identificación y evaluación de los diferentes tipos de esfuerzos que se presentan en las tuberías de revestimiento según el diseño del pozo y 3) esquematización del arreglo de tuberías acorde a la profundidad y diseño del pozo. Entre los resultados se logró combinar la programación con el material especializado técnico y científico: seleccionar, evaluar y esquematizar las diversas tuberías de revestimiento según los datos operativos del diseño del pozo, así como determinar un costo aproximado de las tuberías y de las operaciones en su selección y asentamiento para, finalmente, seleccionar el porcentaje y costo total de la perforación. En conclusión, el trabajo desarrollado resuelve la problemática presentada, pero solo aplica a pozos verticales, dada la limitación de gráficos 3D para la perforación direccional y con una profundidad máxima de 5200 m (17 060 ft).

Actualmente, la tecnología aplicada en la industria petrolera es de vital importancia. En efecto, un ingeniero petrolero tendrá mayores oportunidades profesionales si cuenta con conocimientos y habilidades necesarias que le permitan aplicar las herramientas informáticas y tecnológicas en la solución de los problemas que se le presenten en cada uno de los proyectos en los que se desarrolle diariamente.

Los softwares educativos, en opinión de García y García (2008), son instrumentos didácticos que facilitan el proceso de enseñanza-aprendizaje, ya sea tradicional, presencial o a distancia. Por su parte, Gros (2000) los considera parte de un proceso formal de aprendizaje. Se trata de un diseño específico a través del cual se adquieren conocimientos y habilidades que, en definitiva, logren desarrollar competencias especializadas en el estudiante. Los materiales didácticos surgen a raíz de que, por ejemplo, las herramientas con las que se cuenta en ese momento son incapaces de resolver una problemática y su etapa de creación es de carácter multidisciplinar. Por esta última razón participan profesionales con diferentes perfiles, niveles de experiencias y puntos de vista sobre cómo deben ser y cómo deben crearse (Padrón, 2009).

El presente software tiene, entre sus objetivos fundamentales, facilitar la enseñanza y aprendizaje del manejo y aplicación de datos técnicos y operativos de las tuberías de revestimiento, densidades de los diferentes tipos de fluidos, gradientes de fractura, identificación de los esfuerzos a los que se someten las tuberías, generación y esquematización del estado mecánico, así como también manejar los conceptos y definiciones de las diferentes variables implicadas en el diseño de pozos petroleros. El desarrollo de software generalmente consiste en una serie de pasos que inician desde la comprensión del fenómeno a simular, pasando por la identificación y manejo de las variables e incógnitas que se desean determinar mediante la aplicación de los diferentes modelos matemáticos, hasta el desarrollo de los algoritmos y finalmente la generación del código computacional.

La construcción de los pozos petroleros es un proceso multidisciplinario, ya que requiere de diversos conocimientos: de física, química, geología, hidráulica, ciencia de los materiales y, sin duda alguna, de la experiencia en campo. De hecho, es importante aceptar que el uso de las nuevas tecnologías ha brindado un mayor entendimiento en las ejecuciones de los diseños y de las operaciones, lo cual se puede ver reflejado en el aumento de la productividad, la disminución de riesgos operativos y los cuidados del medio ambiente, por mencionar algunos (Martínez, Suárez y González, 2017). Una forma de impulsar el crecimiento económico de una nación es a través de la educación de sus ciudadanos; el desarrollo de sus capacidades le permitirá agregar valor a sus actividades diarias del sector industrial (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura [Unesco], 2011).

Klementich y Jellison (1986) describieron la importancia de la optimización y automatización del proceso de diseño mediante la implementación de herramientas computacionales. Para lograr una estimación más precisa de las condiciones de la vida útil y análisis de tensión, se liberaron de cálculos repetitivos manuales. La ingeniería petrolera puede y debe hacer uso de programas de cómputo que faciliten las tareas cotidianas. Y en esa línea, contar con un lenguaje de programación como Visual Basic, junto con el potencial de las hojas de cálculo como Excel, es imprescindible (García, 2017). Sin embargo, varias de las instituciones de educación superior públicas y privadas que ofrecen la carrera de ingeniería petrolera a nivel nacional en México carecen de centros de simulación, software o simuladores de perforación, control de pozos, laboratorios de geología, geofísica, fluidos de perforación, cementación, etc., por lo que, en la mayoría de los casos, se imparte una enseñanza por completo teórica.

Entre los investigadores que han desarrollado algunas aplicaciones como las mencionadas anteriormente se pueden citar a Castillo y Chiriví (2008), Sepúlveda, Vargas y Rivas (2014), Chinedu y Onensi (2016) y Mondavi (2014).

Para Torres y Anders (1995), Microsoft Visual Basic, al ser una herramienta de programación fácil de aprender y aplicar, permite a los ingenieros desarrollar diversas aplicaciones. En esa línea, Bell, Davies y Simonian (2006) señalan que el software SPOT de la compañía transnacional Shell surgió de Visual Basic/Excel; este dúo facilitó su creación, validez y funcionalidad, en otras palabras, la generación de los códigos, módulos e interfaz gráfica era rápida, sencilla e intuitiva. Asimismo, Utsalo, Olamigoke y Adekuajo (2014) desarrollaron una aplicación en Visual Basic en el entorno de Microsoft Excel para la selección de tuberías de revestimiento. Por último, Akpan y Kwelle (2005) desarrollaron un software de selección y asentamiento de tuberías con una interfaz interactiva, fácil de usar, con pasos automatizables y unidades de ingeniería comunes.

El objetivo principal de la perforación de pozos petroleros es realizar un agujero que inicia en la superficie y finaliza en el objetivo o zona productora, sin importar la profundidad de este. El agujero debe ser capaz de ser el medio por el cual el hidrocarburo se transporte hacia la superficie. En nuestro país, el desarrollo de programas o software relacionados con el sector de hidrocarburos, como, por ejemplo, diseño, perforación y extracción, generalmente ha sido impulsado por empresas nacionales e internacionales del área petrolera y algunos centros de investigación. Sin embargo, estos programas generalmente no llegan a las universidades y tecnológicos que ofrecen la carrera de ingeniería petrolera, ya que sus costos de renta anuales por equipo (PC, laptop) son demasiados elevados para su adquisición.

El simple agujero no asegura su estabilidad durante la perforación y tiempo de vida productiva. Para ello es necesario revestir el agujero, cuyas trayectorias pueden ser rectas y curvas, con profundidades variantes, en algunos casos de 5500 a 7000 metros en zonas terrestres y marinas, respectivamente; por ejemplo, en 2012, la empresa Exxon Neftegas Limited reportó haber alcanzado una profundidad de 12.3 km de trayectoria. Las diferentes tuberías de revestimiento y la cementación brindan, idealmente de una forma segura, confiable y económica, protección a las paredes del agujero (Bassante, 2013). De ahí que el revestimiento sea uno de los puntos de mayor importancia en el diseño y selección de las tuberías. Lo anterior es apoyado por Halal, Warling y Wagner (1996), quienes describen la importancia del programa de revestimiento, cuyo costo aproximado, calculan, oscila es de entre 15 % y 35 % del costo total del pozo; Jenkins y Crockford (1975) lo calculan entre 10 % y 20 %, Pérez (2013) alrededor de 20 % y Recalde (2018) opina que el costo aproximado es de 23 % del proyecto de perforación. Las tuberías de revestimiento o casing normalmente se clasifican en tubería conductora, superficial, intermedia y de explotación (Ángel y Torres, 2018), todas ellas basadas en la norma API 5CT; aunque también se utilizan algunas tuberías cortas, por ejemplo, liner, las cuales son más económicas que las tuberías de producción, ya que no necesariamente deben llegar hasta la superficie, sino que estas pueden ser estacionadas o colocadas a cierta profundidad.

Dado que cada pozo es diferente en su diseño, construcción y comportamiento, el tipo y número de tuberías a utilizar para su revestimiento son distintos. Como todo proceso de ingeniería, se fundamenta en datos técnicos, sin embargo, a su diseño le corresponde un costo en particular, lo cual genera una discusión en la toma de decisiones encontradas en el área de seguridad y de costos. Esta última se puede determinar mediante la selección del grado de acero, espesor de pared y tipos de acoplamientos (Wang et al., 2013). Adicionalmente, Morán, Lituma, Vargas y Tapia (2009) y Tao y Xie (2013) consideran importante que, en la etapa de diseño, también se incluya el uso de nuevas tecnologías y mejores prácticas operacionales in situ. Generalmente, las tuberías se diseñan bajo dos puntos: resistencia (material de fabricación) y esfuerzo (condiciones de exposición). Los principales tipos de perfiles de pozos son: verticales, direccionales y horizontales. Las tuberías tienen diferentes grados, como, por ejemplo, las reportadas por Olanrewaju (2018): J55, K55, N80, L80, C90, T95, P110, Q125, V150. Lo anterior se fundamenta bajo las características de mecánica de suelos (tipos de formaciones) y comportamiento geológico de cada una de las formaciones a perforar, dado que durante la perforación es común encontrarse corrientes de agua, sales, gases, formaciones plásticas, blandas y duras que dan pie a la existencia de presiones normales, anormales y subnormales, por lo que todas las tuberías deben ser resistentes a la corrosión (Lin et al., 2016). Aunado a ello, Rahman y Chilingarian (1995) también consideran puntos de políticas internas de las empresas, regulaciones gubernamentales, tipos de levantamiento artificial y equipos que eventualmente se pueden colocar en el pozo.

Goins, Collins y O´Brien (1965) y Greenip (1978) confirman que los primeros procedimientos en el diseño de tuberías de revestimiento se desarrollaban paso a paso dada la falta de capacidad computacional para resolver el problema de optimización total. Mientras que Prentice (1970) confirma la importancia de realizar una evaluación apropiada y separada a cada tipo de tubería de revestimiento, dadas los imponderables que puedan presentarse al momento de considerar los diferentes casos de carga, al momento de controlar las zonas anormales de presión de formación, pérdida de circulación y pega por presión diferencial, en otras palabras, el diseño de las tuberías de revestimiento está íntimamente relacionado con la experiencia y conocimiento absoluto de los parámetros y factores usados como medida de seguridad: cualquier parámetro que no sea considerado puede influir negativamente en su diseño.

Wojtanowicz y Maidia (1987) presentaron el primer enfoque sistemático para el diseño de costo mínimo utilizando la versión discreta del método de programación dinámica, donde se detalla el problema peso-precio junto con su impacto en la eficiencia del modelo, sin embargo, su trabajo es muy importante para condiciones de cargas simples. Estas tuberías varían de diámetro, desde 4 hasta 20 pulgadas, son de diferentes pesos y grados de acero, que se acoplan unas a otras a través de la caja y pin (uniones roscadas) para poder alcanzar la profundidad deseada (Aules, 2013). El revestimiento de pozos es un conjunto de tuberías unidas mediante una conexión. Esta conexión es un dispositivo mecánico que permite unirlas para formar una tubería continua funcional, y cubrir las diferentes secciones del pozo (Zambrano, 2016).

Las tuberías de revestimiento durante su introducción, estacionamiento y fijación dentro del agujero de manera adicional también se someten a otros tipos de factores, tal y como desgaste de tuberías (Moreira, Carrasquila, Figueiredo y da Fonseca, 2015; Shen, Beck y Ling, 2014), corrosión, vibraciones y efectos por causa de los disparos, por mencionar algunas. Por todo lo anterior, se ha desarrollado un programa que proporciona la solución rápida y eficiente para el diseño de las distintas etapas y tuberías que integran el estado mecánico y conformar así la geometría de pozos. Se trata de una aplicación libre que permita ser un puente entre la parte académica con la experiencia en el diseño de las tuberías para pozos petroleros verticales, al igual que una muestra de aplicación de la teoría con una de las herramientas de la informática en la solución de los problemas de perforación de pozos de hidrocarburos.

El presente software fue desarrollado con el lenguaje de programación Visual Basic en un ambiente de macros de Microsoft Excel y ofrece: 1) evaluación de las tuberías que serán expuestas a presiones en cada etapa: presión de formación (Pf), hidrostática (Ph), colapso (Pc), estallamiento (Pe) y tensión (Pt); 2) esquematización del estado mecánico, acorde a los diámetros y número de tuberías de revestimiento y liner, y 3) estimación aproximada de los costos de las operaciones de las tuberías y de perforación.

El desarrollo del software se fundamentó bajo el método de ensayo y error con punto neutro, el cual se caracteriza por usar el factor de flotación, el grado y el peso nominal de las tuberías de revestimiento en cada una de las etapas de manera individual para su evaluación.

Entre los investigadores que han aplicado y validado dicha metodología de manera operativa están Morán et al. (2009), Peñafiel, Sánchez, Vargas y Tapia (2009), Salas, Rosado, Vargas y Tapia (2009), Fernández y Aguirre (2009), Gandara (1990), Mayorga (1990), Molero (2012) y Recalde (2018).

La estrategia consistió en la descomposición del problema original en tres secciones:

El software no solo integra la evaluación del diseño de las tuberías, sino que, de manera adicional, permite esquematizar el estado mecánico, estimar el costo por etapa de cada grado de tuberías y el costo de operación para finalmente determinar el valor aproximado de la perforación. La siguiente estructura funcional corresponde al proceso de funcionamiento del programa (Figura 1):

La Figura 2 corresponde a la portada principal del “Software educativo para la evaluación del diseño de tuberías de revestimiento y su estado mecánico”. Allí, el usuario deberá brindar la información de acceso “User/Password”, si así fuera el caso. El programa tiene la capacidad de esquematizar las tuberías a una profundidad máxima de 5500 m (16 404 ft), con un máximo de cinco etapas y solo aplica para pozos verticales. Lo anterior incluye los siguientes tres casos: 1) cinco tuberías de fondo a superficie, 2) tres tuberías de fondo a superficie y dos liner colgados y 3) cuatro tuberías de fondo a superficie y un liner colgado. Las lineas de color negro representan las paredes del pozo y las amarillas corresponden a las tuberías.

La Figura 3, con etiqueta “Casing and Bit”, corresponde a la inserción de los datos de entrada. En cada uno de los recuadros amarillos de la parte superior se especifica el nombre de las variables (diámetro de barrana, diámetro exterior e interior de tubería de revestimiento y casing, propiedades mecánicas, grado de acero, etc.), cada una con sus respectivas unidades de medición. Estas corresponden al diseño que se desee evaluar y esquematizar, es decir, el número de etapas que el ingeniero de diseño de pozo considere pertinente según la información de campo y la metodología a aplicar.

En el recuadro del centro del lado izquierdo, “Fluidos y Densidades/Fluids and Densities”, el usuario establecerá los nombres y rangos de densidades de los diferentes tipos de fluidos, densidad real y gradientes de fractura para la prueba en cada una de las etapas. El recuadro “Factor de Seguridad/Security Factor” corresponde a la asignación del valor numérico que el usuario considere correspondiente para la evaluación de los esfuerzos presentados en cada una de las etapas.

La imagen central inferior de la Figura 3, “Casing-1, Casing-2, Casing-3, Casing-4, Casing-5”, corresponde de manera individual a los resultados de la evaluación de las etapas con las características propias de su diseño. Dependiendo de los resultados numéricos, el programa emitirá un recuadro de nota, por ejemplo: “La Pf > Ph, ¿deseas continuar?”. Corresponde al usuario comprender, justificar e interpretar los resultados numéricos, dando “Aceptar” o haciendo los cambios numéricos en las variables que considere pertinentes. Dicha explicación podrá añadirla en el recuadro blanco.

En Casing-4 y Casing-5 existe un recuadro de color amarillo donde se solicita la longitud de traslape de las tuberías o liner, que será “estacionada/colgada”; dicho valor es importante, ya que al finalizar se determina el número de tubería acorde a su longitud y costo de operación.

En cada una de las etiquetas de evaluación de los casing, hay un recuadro “Send Results to Summary 1” y “Send Results to Summary 2”, los cuales envían los resultados obtenidos a un concentrado, como se muestra en la Figura 4. El recuadro “Send Results to Summary 2” debe usarse si al momento en que se realizaron las primeras evaluaciones se observaron algunos resultados no previstos o no considerados; es decir, el usuario sospecha de la validez de los resultados y decide reconsiderarlos: hacer cambios numéricos en alguna variable para reevaluar la etapa o casing para posteriormente enviar los resultados al concentrado de la Figura 4. Una vez aceptados los resultados y seleccionadas las tuberías de revestimiento, se continúa con la etapa final, como se muestra en la Figura 5. De manera inicial, a los resultados de las tuberías de revestimiento se les asigna una cantidad equivalente al costo de la tubería y del servicio, que será considerada para el costo total de selección y asentamiento de las tuberías de revestimiento.

El recuadro amarillo denominado “Porcentaje” es libre y corresponde al usuario asignar el porcentaje que considere como el costo de la selección y asentamiento de las tuberías, basado en su experiencia profesional o académica, y así finalmente obtener el costo total de la perforación del pozo. En el recuadro “Estado Mecánico” se esquematiza el estado mecánico acorde a los diámetros y profundidades de cada una de las etapas que se evaluaron, como se muestra en la Figura 6. Las profundidades de los casing deberán registrarse en metros, para una esquematización a escala.

Para demostrar las capacidades del programa de cómputo se ha seleccionado un ejemplo ilustrativo cuyas características de diseño se muestran en la Tabla 1, con nomenclatura que se muestra en la Tabla 6; se inicia con los diámetros de barrena, diámetro exterior e interior, peso, longitud, propiedades mecánicas y grado de cada tubería de revestimiento/casing, profundidad inicial y final de cada una de las etapas. En la Tabla 2 se presentan los datos de los diferentes tipos de fluidos de perforación, densidad real, gradiente de fractura y factor de seguridad para la evaluación de los esfuerzos a los que se expone la tubería de revestimiento a la profundidad de asentamiento.

Los resultados numéricos que se muestran en la Tabla 3 corresponden a los valores obtenidos de la evaluación de los diferentes esfuerzos que se presentaran al momento de posicionar y asentar las tuberías en cada una de las etapas. Posteriormente, estos resultados son comparados automáticamente con los datos de diseño reportados en la Tabla 1. En la Tabla 4 se muestran los valores de los esfuerzos finales, lo que da oportunidad al usuario para aceptar, rechazar o realizar las adecuaciones pertinentes de las variables según corresponda a la etapa y a los esfuerzos.

En el Casing-2, la Collapse Pressure = -252.3202psi, lo cual significa que la tubería 13 3/8” × 12.415”, K55, 68 lb/ft no soportaría la presión de colapso. Al consultar la tabla de tuberías del prontuario de Tenaris Tamsa (2013), se observa que el grado posterior a la K55 es la M65. Por lo tanto, la siguiente acción fue evaluar la tubería de grado M65 en cada uno de los esfuerzos. Una vez hecho esto, se obtuvo lo siguiente: la Resistencia a la Presión de Colapso = 2260 psi, y el valor estimado al que se expondrá la tubería es de: 2202.32025 psi, lo que da una diferencia de Presión = 57.6797 psi a favor, es decir, que la tubería de grado M65 es aceptable para la segunda etapa. De manera adicional, esta tubería presenta mayor resistencia a la internal pressure y tension pressure, como se muestra en la Tabla 5.

En la Figura 7, por su parte, se observa el estado mecánico para el ejercicio de muestra, acorde a los datos de diseño, tres casing que inician desde la superficie hasta su profundidad de asentamiento correspondientes y dos colgados “estacionados” con 100 fr de traslape. Los valores correspondientes al costo de casing y servicios son aleatorios, corresponderá al usuario utilizar información real o estimada a/corde a su experiencia e información que tenga a su disposición.

Es muy importante que el usuario o el encargado del diseño y evaluación de las tuberías preste atención a las consideraciones técnicas-operativas, ya que estas le permitirán poder discrepar entre los resultados concernientes a los cálculos de integridad-ingeniería de la intervención y las consideraciones financieras en el costo de las tuberías y diseño que se p/udiesen considerar y presenta.

Los resultados demuestran que la metodología permite al usuario contraponer el dominio de la información técnica de las tuberías con los diferentes parámetros de los esfuerzos considerados en el diseño propuesto para su evaluación. Sin embargo, pudiese presentarse la existencia de usuarios/participantes con un mayor nivel de conocimiento sobre la relación entre profundidad media y profundidad vertical verdadera para tener una aproximación al caso direccional, y en ese caso el programa no podrá esquematizar el estado mecánico, pero sus costos económicos se podrán establecer basados en la profundidad de asentamiento de las tuberías de cada una de las etapas. En el presente trabajo se amplió la metodología utilizada por Morán et al. (2009), Peñafiel et al. (2009), Salas et al. (2009), Fernández y Aguirre (2009), Molero (2012) y Recalde (2018), se agilizó el proceso de evaluación y se brindó la oportunidad al usuario de analizar e interpretar los resultados numéricos para finalmente decidir la esquematización del estado mecánico y lograr un costo aproximado de la operación.

Adicionalmente, el usuario asignará el porcentaje del costo de la operación de cementación, según aplique o considere en su entorno, dado que, Halal et al. (1996), Jenkins y Crockford (1975) y Recalde (2018) han utilizado un rango de entre 10 % y 35 %.

El programa de cómputo desarrollado en el entorno de macros de Microsoft Excel es una herramienta eficiente, el diseño de la interfaz es sencilla e intuitiva, agradable, de comunicación rápida y de fácil adaptación entre el programa y el usuario. Se logró combinar la teoría existente en la literatura especializada con las actividades que se realizan en los departamentos de diseño de pozo y operatividad en campo. La esquematización del estado mecánico considera las relaciones a escala de las dimensiones de la tubería de revestimiento y sus espacios volumétricos. Cabe recordar que inicialmente las longitudes de las tuberías son en pies (ft) para las operaciones matemáticas, mientras que, para esquematizar el estado mecánico, es necesario realizar la conversión a metros (m) para obtener una representación esquemática acorde a la pantalla del equipo de cómputo. En el futuro, esta herramienta será mejorada para permitir al usuario realizar modificaciones personalizadas con base en su experiencia o criterios de diseño; por ejemplo, generación gráfica de la ventana operativa, representación de la sarta de perforación, volumetría para pozos verticales y direccionales, etc.

Esta herramienta aspira a convertirse en uno de los softwares libres más empleados en instituciones que ofrecen la carrera de ingeniería petrolera. De manera adicional, ser un instrumento académico en la impartición de cursos de capacitación en las temáticas de diseño de pozos, diseño, selección y asentamiento de casing y cementación entre otros. El método prueba y error con punto neutro es una metodología viable para la optimización de los recursos económicos y técnicos.

Ampliar las aplicaciones de programas con programación Visual Basic de Microsoft en el área de perforación direccional, bajo balance, etc., considerando siempre características académicas y la experiencia en campo, para en un futuro a corto plazo poder presentar un software integral del área de perforación con orientación académica y perfil profesional, y lograr así una mayor oportunidad para reducir la falta de experiencia de los egresados de la carrera de ingeniería petrolera.