Seleccion y diseño de tuberias by Coinspetrol Ltda

Selección y Diseño de Tuberías

Fabián Benedetto Departamento de Asistencia Técnica al Cliente 11 June 2004

Contenido Introducción. Filosofía de diseño. Objetivos del diseño. Modos de Carga en tubulares. Hipótesis de carga convencionales. Requerimientos según el Servicio. Casos prácticos del Subandino.

Diseño de Tubulares

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Introducción Una definición para Casing es: “el principal soporte estructural en un pozo” Una definición para tubing es: “el conducto para lo producido por el pozo” Casing de perforación Casing Conductor Casing de Superficie Casing de Protección (o Intermedio) Casing de Producción Casing de Producción Tubing de Producción

Casing Liner de Producción

Reservorio Mineralizado Diseño de Tubulares

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Filosofía de Diseño Un “pozo” es una estructura pensada ingenierilmente y construida dentro del suelo con el propósito de producir HC, almacenar HC o asistir a la recuperación de HC. Básicamente, un pozo se diseña con la siguiente filosofía: 1.- Seguridad como primera medida (fallas catastróficas, fallas dependientes del tiempo, fallas debido a manipuleo, etc.) 2.- Economicidad (costos de capital, costos de operación, costos de mantenimiento, etc.) 3.- Acciones futuras (exploraciones futuras, desarrollo del yacimiento, forma de producir el pozo, etc.)

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Filosofía de Diseño El Diseño de Tubulares es básicamente un problema de análisis de esfuerzos y análisis de costos.

Objetivo: Diseñar una columna tubular

1. 2. 3. 4.

Condiciones externas: Presiones Cargas axiales Corrosión Desgaste

Definición de las condiciones de carga Especificación de la resistencia de los tubulares y las conexiones Especificación de los gradientes Posible deterioro con el tiempo y su influencia en la resistencia del tubo

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Objetivos del Diseño

1.- Seguridad

Minimizar el riesgo con el mejor diseño técnico económico

2.- Costo

Riesgo = Indice de fallas • • • • •

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Fallas Fallas Fallas Fallas Fallas

por por por por por

Estallido Desgaste Pandeo Corrosión Colapso

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Consecuencias • • • •

Workover Side track Reentubación Pesca

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Objetivos del Diseño Uno de los Objetivos del Diseño de tubulares es Garantizar los Factores de Diseño. Los Factores de Diseño deben cubrir las incertezas que se tiene sobre las cargas actuantes y la resistencia de la columna

Factor de Diseño

Carga Diseño de Tubulares

Resistencia TenarisSiderca

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Objetivos del Diseño La economicidad de un diseño no se logra reduciendo los Factores de Diseño

Factor de Diseño

Carga

Resistencia

Posible Falla

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Objetivos del Diseño El mejor diseño técnico económico se logra conociendo lo mas exactamente posible a las cargas y la resistencia a las mismas

Gradientes de Presión Pérdida de espesor

Hipótesis de carga Máximo Dog Leg

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Modos de carga en Tubulares Fa IV

Formaciones no consolidadas Pi

II- cargas Circunferenciales (Presión externa o Presión interna)

I- Cargas Axiales (Tensión y compresión)

Aplastamiento por Roca

III- Bending (Pata de perro) IV- Torsión (Perforación con Casing)

III Falla

Domo de sal Va

V- Cargas no uniformes • Cargas Puntuales • Cargas Lineales • Cargas Areales

Capítulo 5 Diseño de Tubulares

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Modos de carga en Tubulares • Estallido

Hay tres modos diferentes de falla debido a presión interna: Estallido del cuerpo de la tubería Falla de la conexión (Desenchufe o rotura) Fuga de fluidos • Colapso

El colapso de una columna es un proceso de inestabilidad geométrica que puede ser precedido de una deformación elástica o plástica en el espesor de pared de dicha columna. La norma API 5C3 trata el tema de colapso en tubulares a través de 4 formulas diferentes de acuerdo a la relación OD/Espesor de la tubería.

• Carga axial de Tensión

El casing puede fallar bajo cargas axiales de tensión de acuerdo a tres diferentes modos de falla: Desenchufe de la conexión Rotura de la conexión Rotura en el cuerpo del tubo

• Flexión • Compresión • Cargas térmicas y dinámicas

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Modos de carga en Tubulares • Cargas dinámicas debidas a impacto

- Golpe de la tubería contra salientes - Freno o ascenso brusco de la columna - Rebote por impacto • Cargas debido al arrastre contra las paredes del pozo • Contacto entre casing y barra de sondeo debido a trayectoria o

Pandeo Todas las situaciones mencionadas conforman la Envolvente de Servicio durante la vida útil de la tubería, la cual va a depender fuertemente de cuatro parámetros fundamentales: • Presión Interna • Presión Externa • Temperatura • Manejo en campo y en Servicio

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Modos de carga en Tubulares Carga dinámica: Impacto generado por frenar tubería con cuñas

cuñas

= 150 . An (pulg2) . Variación de Veloc (pulg/seg)

Para una tubería de 7” 29# detenida bruscamente cuando desciende a 36 pulg/seg, la fuerza de impacto generada es de 45630 libras.

Descenso tubería (Vd)

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La velocidad con la que viaja la onda es t = 2 . L/Co , con Co = velocidad de onda característica del acero que vale 17081 pies/seg.

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Modos de carga en Tubulares El Pandeo es una falla en la Estabilidad de la Tubería

Neutro σa = ½(σh + σr)

Estable

Inestable

σa > ½(σh + σr)

Problemas que Ocasiona

Factores que incrementan el pandeo

• Dificultad para correr herramientas

por el interior de la tubería • Mayor desgaste por contacto con la barra de sondeo • Falla por superación del límite de fluencia del material Diseño de Tubulares

σa < ½(σh + σr)

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• Incremento de la presión interna • Cambios en la temperatura • Incremento de la fuerza

compresiva

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Modos de carga en Tubulares Pandeo:

δm

Pi+∆P

Pi+ ∆P

Po+∆P

Ti+∆T

Po+ ∆P

TVD

Tubería libremente colgada al momento de la instalación

• • • •

Tubería fija al momento de la instalación

Condiciones luego de haber fijado la tubería

Las columnas tubulares pueden tornarse inestables debido a las condiciones posteriores del pozo (P y T) Como consecuencia de esta inestabilidad se producen fallas (por desgaste o por sobrecarga) La pérdida de estabilidad puede ocurrir en porciones no cementadas de la tubería La ocurrencia de pandeo se puede prevenir de tres formas: 9Aplicación de una fuerza axial 9Cambiando tope de cemento 9Aplicación de presión interna durante el fragüe

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Hipótesis de carga convencionales: Casing Intermedio: •Tubería 1/3 evacuada •Tubería 1/3 reemplazada por gas •Surgencia •PIT Casing de Producción •Totalmente evacuada •Pérdida de tubing en superficie •Fractura “trough Casing” Tubing de Producción •Cierre en boca •Totalmente evacuado •Aci-Frac Diseño de Tubulares

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Requerimientos según el Servicio La Selección de los tubulares deberá cumplir con la evaluación de los siguientes pasos: • Proveer resistencia al nivel de tensiones esperado • Garantizar sellabilidad a través de la vida útil del pozo • Proveer resistencia a la corrosión generalizada • Minimizar la corrosión localizada • Eliminar posibilidad de ocurrencia de fisuración inducida por medio corrosivo (Fallas catastróficas)

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Requerimientos según el Servicio Req. Materiales

Tipo de Servicio en Yacimientos AP/A T (1)

Resistencia Mecánica Resistencia al Colapso Resistencia a Corrosión Acida Resistencia a Corrosión Dulce Alta Tenacidad Uniones Especiales Aislación Térmica Resistencia a Cargas Dinámicas

H2 S

CO 2

H2S+C O2

(2)

•

PIV (3)

BT (4)

•

(5)

• •

•

• • •

Sal

•

DW (6)

•

• •

Pozos Prof con H2S

•

• •

•

(1)AP/AT: Alta Presión y Alta Temperatura (2)“EOR”: (Enhanced Oil Recovery) (3)PIV: Pozos Inyectores de Vapor

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EOR

•

(4)BT: Servicio a Bajas Temperaturas (5)Presencia de Domos salinos en los yacimientos (6)DW: DeepWater

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Requerimiento según el Servicio Tipo de Servicio Servicio Agrio (H2S) Alto Colapso Alto Colapso y Servicio Agrio Pozos Profundos Baja Temperatura Servicio Crítico (1% Cr & 3% Cr) Cr 13 Cr 15 Cr 13S Duplex Cr 22 -25 Tubos Doble Pared Uniones “Premium”

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Características principales Muy buena performance en condiciones severas de corrosión ácida Valores garantizados de Resistencia al Colapso mayores que API Valores garantizados de Resistencia al Colapso mayores que API, en ambientes ácidos Alta resistencia mecánica con una adecuada ductilidad y tenacidad Excelente ductilidad y tenacidad a bajas temperaturas Adecuada resistencia a la corrosión en determinados ambientes de corrosión dulce (CO2) Resistencia a la corrosión dulce Resistencia a la corrosión dulce Resistencia a la corrosión dulce con moderada resistencia ala corrosión ácida Resistencia ala corrosión dulce y ácida Excelente capacidad de aislación térmica Performance superior a las uniones API frente a cargas combinadas

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Requerimientos según el Servicio Requerimientos mecánicos: Análisis Estructural

Análisis Triaxial de Cargas e Integridad estructural

Información de Aplicaciones similares Anteriores (Experiencia personal o de otros)

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Resultado

Alternativas

-Fact. de Diseño y Seguridad: • Tracción • Colapso / Pandeo • Presión Interna • Compresión • Von Mises -Requerimientos térmicos -Requerimientos dimensionales -Evaluar instalaciones exitosas (o con fallas) -Evaluar fallas -Determinar Tipo de Servicio -Correlación con materiales usados

-Usar Prod. Convencionales: • ↑ Espesor (Limitado) • ↑ Resistencia -Usar Prod. Propietarios -Evaluar productos en Stock • Dimensiones Acotadas -Modificar regímenes de Servicio

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Requerimientos según el Servicio Requerimientos para la Corrosión: Análisis del Ambiente Corrosivo

Identificar Tipo de Servicio

Información de Aplicaciones similares Anteriores (Experiencia personal o de otros)

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Resultado -Presiones parciales de H2S y CO2 -Temperatura -Tipo y mojabilidad del agua -Corrosividad del Servicio -Desechar fallas catastrófica (H2) -Minimizar corrosión localizada -Controlar corrosión generalizada -Controlar corrosión bacteriana -Caracterización de las instalaciones exitosas (o con fallas) -Evaluación del tipo predominante de corrosión -Correlación con materiales usados -Correlación entre consumo de Químicos y Corrosividad -Evaluación de probables nuevos materiales

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Alternativas

-Utilizar solo aceros al carbono: • Control Correctivo -Usar inhibidores -Usar Recubrimientos -Usar Aceros Resistentes a la Corrosión (CRA) -Modificar el medio ambiente del Servicio • Secuestrantes de O2 • Protección Catódica

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Requerimientos según el Servicio Uniones especiales: Application

Established Technology

Threaded & coupled for the majority of carbon steel applications

Tenaris ® MS Atlas Bradford ® TC-II™

Threaded & coupled especially suitable for CRA

Tenaris ® MS 28 Tenaris 3SB

High torque and compression loads for rotating liners and drilling-with-casing

Tenaris ® MS XT/XC Tenaris ® MS 28 XT/XC

New Technology

TenarisBlue

Heavy wall casing

Tenaris HW

Integral flush for maximum clearance

Atlas Bradford ® ST-L™ and Atlas Bradford ® HD-L™

Integral semi flush for slim wells

Atlas Bradford ® Advanced NJO™

Tubing for workstring applications

Tenaris ® PJD

Large OD, fast and easy make-up casing

Tenaris ® ER

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Requerimientos según el Servicio Union Tenaris Blue: SELLABILIDAD ÓPTIMA: bajo condiciones de carga combinada, incluyendo tracción, compresión,y flexión para elevados diferenciales de presión externa o interna. ELEVADA CAPACIDAD DE COMPRESIÓN: la sellabilidad se mantiene luego de aplicar ciclado de tracción y compresión. BUENA CAPACIDAD DE SOBRETORQUE: particularmente apta para liners donde el tubular es solicitado a la compresión y rotación simultáneamente. APRIETE (MAKE UP) RÁPIDO Y SEGURO: la facilidad de ensamble sin cruzamientos y la reducida tendencia a engranadura logradas con el diseño del perfil de la rosca, aseguran repetidos ensambles bajo condiciones severas. DISEÑO ESPECIAL PARA USO SIN GRASA “DOPELESS”: el sello y la rosca han sido diseñados especialmente para ensamblarse sin grasa, o con compuestos secos y libres de metales.

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Requerimientos según el Servicio Aceros especiales: Tenaris Proprietary Grades SMYS [Ksi]

100

110

Sour Service

TN 80 SS

TN 90 SS

TN 95 SS

TN 100 TN 110 SS SS

High Collapse Service

TN 80 HC

TN 95 HC

TN 110 HC

High Collapse & Sour Service

TN 80 HS

TN 95 HS

TN 110 HS

125

140

TN 140 HC

TN 140 TN 150 DW DW

Deep Well service Critical Service

TN 55 CS

Low Temperature Service

TN 55 LT

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150

TN 70 CS

TN 75 CS

TN 80 Cr3

TN 95 Cr3

TN 110 Cr3

TN 80 LT

TN 95 LT

TN 110 TN 125 LT LT

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Casos del Subandino Pozo Muyupampa:

MUYAPAMPA

Surfa ce 24 1/4" Contingency 16" Drilling Liner 11 7/8" Prod Line r ProdTie Back Prod Line r Prod Line r

9 5/8" 7" 5"

Dise単o de Tubulares

Fro m

PORE PRESS

MUD

# /f t

Gra de

Co nn

(m)

ppg

122# 109# 71,8# 71,8# 53,5# 53,5# 53,5# 29# 15#

N-80 K-55 P-110 HC 110 P-110 DW-140 P-110 P-110 P-110

Antares Antares AMS AMS AMS SC AMS SC AMS SC AMS AMS SC

0 1100 0 1200 3700 0 930 4000 4200

1200 1900 1200 3800 4100 930 3700 4300 4900

8,1 9,1 15,8 15,8 9,1 9,1 9,1 9,1 9,5

8,6 9,6 16,3 16,3 9,6 9,6 9,6 9,6 10

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BURST CLLPS TENSN CMPRS

VME

1,15 1,69

1,03 1,24

3,91 6,73

-----

1,2 1,58

2,68

1,1

1,8

---

1,5

2,59

1,19

---

1,76

1,78

1,31

1,71

---

1,76

1,9 1,93

1,21 1,06

32,7

-----

1,73 1,48

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Casos del Subandino Pozo Muyupampa (uso de acero serie HC):

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Casos del Subandino Pozo ITAU:

Itaú B

Conductor 26" Surface 20" Protective 13 3/8" Production Casing 9 5/8" 9 5/8" Production Liner 7" Production Liner 5"

Diseño de Tubulares

TVD

PORE PRESS

MUD WT

FRAC GRAD

#/ft

Grade

Conn

(ft)

ppg

BURST

CLLPS

TENSN

CMPRS

VME

223# 133# 72# 53,5# 53,5# 29# 18#

K-55 K-55 P-110 P-110 SD140HC SD110HC P-110

MTC Antares HD-L* AMS* HD-L* AMS* HD-L * Special Drift

328 4265 8202 7500 15157 17716 18372

8,5 7,5 8,7 8,6 12 9,3 8,7

8 8 9,2 12,5 12,5 9,2 9,2

10 13,8 15,9 15,7 17,9 18,1 18,2

72,09 2,03 2,14 1,59 1,92 2,19

10,56 1,24 1,19 1,11 1,31 1,53

39,52 5,5 2 1,76 59,29 >1000

36,65 2,98 3,24 2,27 1,9 1,87

24,01 1,92 1,94 1,51 1,44 1,7

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Casos del Subandino Pozo ITAU (uso de uniones “flush”): Tensile efficiency vs Clearance % over pipe OD 10.0

API 8-rd

API BTC MTC

5.0 SLH

Perfect solution

2.0 IFJ

0.0

100

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Tensile efficiency (%)

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Casos del Subandino Pozo ITAU (uso de uniones “flush”):

HD-L Diseño de Tubulares

ST-L TenarisSiderca

Ad NJO 11 June 2004 F. Benedetto

Casos del Subandino Pozo Tacobo:

TACOBO x-1001 new3

Conductor 24 1/4" Surface 16" Production Casing 11 7/8" Production Liner 9 5/8" Producion Tieback 9 5/8" Production Liner 7 5/8"

PORE PRESS

MUD

#/ft

Grade

Conn

(ft)

ppg

BURST

CLLPS

TENSN

CMPRS

VME

--94,5# 71,8# 62,8# 62,8# 47,1#

X60 P-110 140HC 140HC 140HC Q-125

Antares Antares NJO IFJ IFJ ST-L

229 5872 12992 16929 12664 17716

8,3 8,5 9 15,4 9 16,2

8,8 9 9,5 15,9 15,9 16,7

76,54 3,16 2,29 1,08 1,04 2,23

4,2 1,13 1,31 0,76 1,02 1,22

66,73 6,39 2,37 2,87 1,15 >1000

38,43 6,86 1,55 1,45 1,76 1,2

22,85 2,96 2,05 1,19 1,24 1,23

41# 94,5# 71,8# 62,8# 62,8# 47,1#

X60 110HC 140HC 140HC 140HC Q-125

Antares Antares NJO ST-L ST-L ST-L

229 5872 12992 16929 12664 19028

8,3 8,5 9 15,4 9 16,2

8,8 9 9,5 15,9 15,9 16,7

76,54 3,16 2,29 1,17 1,14 1,97

4,2 1,13 1,31 1,03 1,38 1,13

66,73 6,39 2,53 3,76 1,57 >1000

38,43 3,9 1,55 1,45 1,76 1,13

22,85 2,96 2,05 1,19 1,15 1,15

TACOBO x-1001 new4 Conductor 24 1/4" Surface 16" Production Casing 11 7/8" Production Liner 9 5/8" Producion Tieback 9 5/8" Production Liner 7 5/8"

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Casos del Subandino Pozo Madrejones (Tbg): MADREJONES (MDB x1001A)

#/ft

Grade

Production Tubing

4 1/2"

18,9#

110SCr13

Production Tubing

4 1/2"

18,9#

110SCr13

Production Tubing

4 1/2"

18,9#

110SCr13

4 1/2"

18,9#

110SCr13

4 1/2"

15,2#

110SCr13

4 1/2"

18,9#

110SCr13

15,2#

110SCr13

18,9#

110SCr13

Production Tubing

4 1/2" Production Tubing

4 1/2"

15,2#

110SCr13

18,9#

110SCr13

15,2#

110SCr13

18,9#

110SCr13

15,2#

110SCr13

Production Tubing

4 1/2" Production Tubing

Diseño de Tubulares

Design Factors Conn

AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD AMS 28 XC ó PJD

MD (ft)

BURST

CLLPS

TENSN

CMPRS

VME

Evac.

% Corr.

13124

1,45

1,34

3,42

2,16

1,36

Yes

13124

1,31

1,22

3,42

1,92

1,24

Yes

13124

1,16

1,05

3,23

1,68

1,11

Yes

1,45

1,18

3,8

3,65

1,23

Yes

1,31

0,97

3,8

3,27

1,11

Yes

1,31

No coll.

3,8

3,27

1,38

1,16

0,75

3,8

2,89

Yes

1,16

No coll.

3,8

2,89

1,23

7000 14124 7000 14124 7000 14124 7000 14124 7000 14124

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Casos del Subandino Pozo Madrejones (Acero inoxidable):

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Conclusiones La columna tubular está sujeta a un complejo sistema de cargas estáticas y dinámicas. Existen elementos exógenos que contribuyen a la complejidad del sistema como por ejemplo el desgaste o la erosión. El desgaste producido por el contacto de la tubería con las barras de sondeo, o bien con la formación, muchas veces ha sido el causante de fallas debido al debilitamiento de la sección útil del tubo o la conexión La temperatura juega un rol fundamental afectando tanto a los valores de las cargas como a las propiedades del acero. Este rol se acentúa en pozos inyectores de vapor y en pozos de gran profundidad. Los trabajos de estimulación a las formaciones inducen grandes esfuerzos y temperaturas extremas, por lo que muchas veces las cargas impuestas por estos gobiernan al diseño. Debido a que las cargas actúan simultáneamente y se influyen entre sí, un modelo triaxial de diseño es necesario para evaluar la integridad de la tubería. No se debe caer en la tentación de bajar los factores de diseño para reducir costos, recordar que el diseño de pozo más económico es aquel que mantiene al pozo en producción por mas tiempo.

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