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HIDRAULICA DEL FLUIDO DE PERFORACION

Version 2.1 Enero 2001 Traducido al Español V1 junio 2002 Dave Hawker

Misión Corporativa Ser líder a nivel mundial en el área de monitoreo de parámetros de perforación y control geológico. Proveer soluciones a la industria del petróleo y gas, mediante la utilización de tecnologías innovadoras dando un servicio excepcional al cliente.

El presente manual es para uso exclusivo de los participantes de los cursos de entrenamiento de Datalog. No se podrá reproducir ninguna sección del presente manual sin la autorización expresa de Datalog. Datalog, 3030 9th St SE, Calgary, Alberta, Canada T2G 3B9 Tel (403) 243-2220; Facsimile (403) 243-2872; Web-site http://datalog.ab.ca


DATALOG : MANUAL DE HIDRAULICA DEL FLUIDO DE PERFORACION, Versión 2.1, revisado Enero 2001

CONTENIDO 1 FUNCIONES DEL FLUIDO DEL PERFORACIÓN .......................................................................................3 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

LUBRICACIÓN Y ENFRIAMIENTO DE LA BROCA Y LA SARTA DE PERFORACIÓN.................................................3 REMOCIÓN DE RIPIOS DEL ANULAR Y LA BROCA .............................................................................................4 CONTROL DE PRESIONES DE FORMACIÓN ........................................................................................................4 LIMPIEZA DEL HUECO.......................................................................................................................................6 TRANSMISIÓN DE POTENCIA HIDRÁULICA A LA BROCA....................................................................................6 SOPORTE DEL PESO DE LA SARTA DE PERFORACIÓN .........................................................................................6 ESTABILIDAD DE LA FORMACIÓN .....................................................................................................................6 EVALUACIÓN DE FORMACIÓN ..........................................................................................................................7

2 TIPOS DE LODO DE PERFORACIÓN............................................................................................................8 2.1 2.2 2.3 2.4

LODOS BASE AGUA ..........................................................................................................................................8 LODOS BASE ACEITE ........................................................................................................................................9 LODOS SINTÉTICOS.........................................................................................................................................10 ADITIVOS COMUNES DEL LODO ......................................................................................................................10

3 REOLOGÍA DEFINICIONES..........................................................................................................................13 3.1 3.2 3.3 3.4

TASA DE CORTE Y ESFUERZO .........................................................................................................................13 VISCOSIDAD DEL FLUIDO ...............................................................................................................................14 VISCOSIDAD PLÁSTICA Y PUNTO DE CEDENCIA (YIELD POINT)......................................................................15 ESFUERZO DE GEL (GEL STRENGTH) ..............................................................................................................15

4 MODELOS DE COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS........................................................................17 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

FLUIDOS NEWTONIANOS ................................................................................................................................17 MODELO PLÁSTICO DE BINGHAM ...................................................................................................................18 MODELO DE LA LEY EXPONENCIAL (POWER LAW MODEL)............................................................................19 LA LEY EXPONENCIAL MODIFICADA (THE MODIFIED POWER LAW)..............................................................20 REOGRAMA - RESUMEN DE LOS MODELOS DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN ....................................................21 EFECTOS DE LOS MODELO EN FLUJOS VISCOSOS ...................................................................................22

5 PATRONES DE FLUJO LAMINAR, TURBULENTO Y TRANSICIONAL..............................................24 5.1 FLUJO LAMINAR .............................................................................................................................................24 5.2 FLUJO TURBULENTO .......................................................................................................................................24 5.3 FLUJO TRANSITIONAL.................................................................................................................................25 5.4 DETERMINACIÓN DEL TIPO DE FLUJO .............................................................................................................25 5.4.1 Derivación de la Viscosidad Efectiva.....................................................................................................25 5.4.2 Determinación del Número de Reynolds ...............................................................................................27 5.4.3 Determinación de la Velocidad Anular Promedio .................................................................................27 5.4.4 Uso del número de Reynolds en la Determinación del Tipo de Flujo....................................................28 5.4.5 Determinación de la Velocidad Critica..................................................................................................28 6 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN EL SISTEMA .....................................................................30 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

FACTOR DE FRICCIÓN DE FANNING.................................................................................................................30 PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN LA SARTA ..............................................................................................................31 PÉRDIDA DE PRESIÓN EN EL ANULAR .............................................................................................................32 PÉRDIDA DE PRESIÓN EN LA BROCA ................................................................................................................34 PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN SUPERFICIE............................................................................................................35

7 OTROS CÁLCULOS HIDRÁULICOS ...........................................................................................................36 7.1 VELOCIDAD DE DESPRENDIMIENTO DE LOS RIPIOS ..........................................................................................36 7.2 NÚMERO DE REYNOLDS PARA LAS PARTÍCULAS .............................................................................................37 1


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7.3 VELOCIDAD EN LAS BOQUILLAS .....................................................................................................................37 8 OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA.......................................................................................................38 8.1 8.2 8.3 8.4

POTENCIA HIDRÁULICA DE LA BROCA............................................................................................................39 FUERZA HIDRÁULICA DE IMPACTO (HYDRAULIC IMPACT FORCE)..................................................................39 OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA ................................................................................................................40 MANIPULACIÓN DEL PROGRAMA DE HIDRÁULICA EN EL QLOG ....................................................................41

9 DENSIDAD EQUIVALENTE DE CIRCULACIÓN (ECD) ..........................................................................44 10 PRESIONES DE SUABEO (SWAB) Y SURGENCIA (SURGE) .................................................................47 10.1 10.2 10.3 10.4

PRESIONES DE SURGENCIA ...........................................................................................................................47 PRESIONES DE SUABEO .................................................................................................................................48 CÁLCULO DE PRESIONES DE SURGENCIA Y SUABEO .....................................................................................49 MANIPULACIÓN DEL PROGRAMA DE SUABEO Y SURGENCIA EN EL QLOG ...................................................50

APÉNDICE - RESPUESTAS A LOS EJERCICIOS .........................................................................................52

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1 FUNCIONES DEL FLUIDO DEL PERFORACIÓN La importancia del lodo de perforación en la perforación de un pozo no debe ser subestimada. Tiene una relación crítica en todos los aspectos de la perforación. No solo actúa como un medio de transporte de los ripios y gas, permitiéndonos observar en superficie lo que está sucediendo en el hueco, sino que, además las propiedades del lodo determinaran la efectividad de la perforación, estabilidad y protección del hueco y las formaciones así como el nivel de control de las presiones del subsuelo. Las funciones principales del lodo son: • • • • • • • • •

Lubricación y enfriamiento de la broca y la sarta de perforación Remoción de los ripios Limpieza del hueco Control de las presiones de formación Transmite potencia hidráulica a la broca Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación Asistencia en la estabilidad de la formación Asistencia en el evaluación de la formación Protección de la productividad de la formación

1.1 Lubricación y Enfriamiento de la Broca y la Sarta de Perforación La operación de perforación y rotación de la sarta de perforación produce mucho calor en la broca y en toda la sarta debido a la fricción. El fluido de perforación no solo ayuda a enfriar la broca y la sarta mediante la lubricación, sino, también absorbe el calor que se ha generado y liberado hasta cierto grado a medida que retorna a la superficie. El lodo debe enfriar y lubricar los dientes de la broca para permitir que la perforación sea efectiva y reducir al mínimo el deterioro y desgaste. El lodo lubrica la sarta de perforación reduciendo la fricción entre ésta y las paredes del hueco, esto se alcanza usando aditivos tales como Bentonita, Polímeros, Grafito o diesel. La lubricación optima es aportada por sistemas de emulsión de aceite junto con varios agentes emulsificantes. El torque alto puede ser un serio problema en la perforación direccional, especialmente en áreas con formaciones duras y abrasivas. La lubricidad del lodo en este caso es de vital importancia. Para obtener una máxima lubricación se puede recurrir a la adición de Glicol o diminutas bolitas. La lubricación es importante para maximizar la eficiencia de la perforación y el control direccional, así como reducir al máximo el torque, fatiga y desenrosque (twist-off) de la tubería.

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1.2 Remoción de Ripios del Anular y la Broca Esta función es de vital importancia. Los ripios se deben remover del anular por diferentes razones: • • • •

Prevenir la carga del anular Mantener presiones mínimas en el anular Permitir el libre movimiento y rotación de la sarta de perforación Para que los ripios lleguen a la superficie en condiciones tales que puedan ser evaluados por el geólogos y así realizar una interpretación precisa de la geología del hueco.

Este principio no solo es determinado por las propiedades físicas del lodo, sino también por el patrón del flujo presente en el anular. Los ripios deben ser removidos efectivamente para evitar el daño y erosión del hueco. La remoción de los cortes depende principalmente de la velocidad anular, densidad del fluido, punto de cedencia (Yield Point) y la resistencia gel del lodo. Otros factores de importancia son, la inclinación del hueco, rotación de la tubería y por supuesto, el tamaño, densidad y forma de los ripios. La densidad típica de los ripios es obviamente mayor que la densidad del lodo. Por lo tanto, resulta normal que en periodos de no movimiento del lodo, los ripios se deslicen y se hundan, esto puede afectar el tiempo de retorno de los ripios a la superficie y no correlacionar con la sección perforada y los valores de gas. Este fenómeno es de especial importancia durante periodos de no circulación tales como viajes, en los que, los ripios se hundirán y se acumularan en el fondo del hueco (hueco lleno). Las propiedades del lodo como viscosidad y geles, deben ser las apropiadas para minimizar esto. El fluido de perforación es entonces denominado thixotropic, es decir, que posee propiedades de gel. Cuando se está circulando, los fluidos thixotropicos son líquidos, permitiéndoles transportar los ripios a la superficie. Cuando no hay circulación, el fluido de perforación se gelificará, o se densificará para suspender los ripios y prevenir que se caigan y asienten alrededor de la broca y el fondo del hueco. El grado de desprendimiento de los ripios también será afectado por las velocidades en el anular: Si las velocidades anulares son reducidas por cualquier razón (por ejemplo, volumen de las bombas, grandes secciones, condiciones del hueco), las propiedades del lodo se tendrán que cambiar para compensar el incremento de desprendimiento. Si el contenido de ripios en el anular se incrementa, velocidades anulares altas o cambios en la cedencia (yield) pueden ser la solución. Una práctica común, especialmente en secciones poco profundas de huecos grandes, es limpiar el hueco con una píldora viscosa. Esto tiene la ventaja de mantener buena limpieza en el hueco sin tener que cambiar las propiedades del sistema “activo”.

1.3 Control de Presiones de Formación Un peso de lodo mínimo es lo óptimo para lograr tasas de perforación más rápidas y para minimizar el riesgo de daño en formaciones y pérdidas de circulación. No obstante, en la perforación convencional el lodo debe tener una densidad apropiada para ejercer una presión suficiente en el hueco y así, protegerlo contra presiones de formación.

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La presión ejercida en el fondo del hueco, debida al peso de la columna vertical estática del lodo, es conocida como Presión Hidrostática. Si la Presión Hidrostática es igual a la presión de formación, se dice que el pozo está en balance. Si la Presión Hidrostática es menor que la presión de formación, se dice que el pozo está sub balanceado (underbalanced) y por lo tanto, está propenso a influjos o a flujo de fluidos de formación en el anular (patada de pozo o kick) Si la Presión hidrostática es mayor que la presión de formación, se dice que el pozo está sobre balanceado y por lo tanto, protegido contra influjos de fluidos de formación dentro del hueco. Si el sobre balance es muy grande, hay la posibilidad de generar un gran número de problemas. Los fluidos naturalmente tienden a fluir en direcciones en las que las presión disminuye. En un pozo sobre balanceado, es por lo tanto normal que el fluido de perforación invada o fluya hacia formaciones permeables. Esa invasión, o aun el lavado o flushing de formaciones antes de perforar, puede afectar la evaluación efectiva de la formación o conducir a un daño permanente de la formación (es decir, el taponamiento o bloqueo de los poros, restringiendo la permeabilidad). Un sobre balance muy grande, también puede conducir al fracturamiento de formaciones blandas o no consolidadas. Esto causará problemas en la perforación asociados con el derrumbamiento de la formación o hinchamiento en el anular, pero lo mas importante es, que puede ocasionar que el fluido se desplace libremente dentro de la formación. Esta Pérdida de Circulación puede causar un descenso del nivel de lodo en el anular y por lo tanto, una reducción en la presión hidrostática. Esto puede resultar en que otras formaciones permeables lleguen a una condición de sub balance. El pozo entonces está sometido a una posible situación de peligro, conocida como un reventón o blowout, donde los fluidos de formación están fluyendo libremente en alguna parte del pozo se ha perdido circulación en otra.

PHID = ρ x PVV x 0.052

donde

ρ = Densidad del lodo (ppg) PHID = Presión hidrostática (psi) PVV = Profundidad vertical verdadera (pies)

PHID = ρ x PVV x 0.433

donde

ρ = Densidad del lodo (GE) PHID = Presión hidrostática (psi) PVV = Profundidad vertical verdadera (pies)

PHID = ρ x PVV x 0.00981

donde

ρ = Densidad del lodo (kg/m3) PHID = Presión hidrostática (Kpa) PVV = Profundidad vertical verdadera (m)

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1.4 Limpieza del Hueco Esto es una función muy importante del lodo, pero es muy difícil de alcanzar en la práctica. La acción de chorro de salida del lodo a través de las boquillas de la broca debe proporcionar la velocidad suficiente y fluir hacia el frente de la roca para remover efectivamente los ripios que se encuentran alrededor de la broca a medida que la roca es penetrada de nuevo. Esto prevendría que se acumulen ripios alrededor de broca y sus dientes (empaquetamiento de la broca), evitando el molimiento excesivo de los ripios y transportándolos hacia arriba por el anular, maximizando al eficiencia de la perforación. Muchas variables juegan un rol importante en la eficiencia de limpieza del hueco, incluyendo el peso sobre la broca y velocidad de rotación, tipo de broca, tasa de flujo, velocidad de chorro, presión diferencial, tamaño de las boquillas, localización y distancia del frente de roca, volumen de sólidos, etc.

1.5 Transmisión de Potencia Hidráulica a la Broca Efectivamente, el fluido de perforación transmite Potencia hidráulica a la broca a través de las bombas del taladro. La tasa de circulación del fluido de perforación debería tener la potencia óptima para limpiar el frente del hueco delante de la broca permitiendo una perforación eficiente. La Potencia hidráulica usada en la broca, determina el grado de optimización de la hidráulica, ya sea para limpieza del hueco o para alcanzar un flujo laminar en el anular.

1.6 Soporte del Peso de la Sarta de Perforación Los bloques, suspendidos desde la torre, deben soportar el incremento del peso de la sarta de perforación a medida que la profundidad se incremente. A través de este desplazamiento, la sarta de perforación es empujada hacia arriba por el fluido de perforación. Esto reduce efectivamente el peso total que los equipos de superficie tienen que soportar.

1.7 Estabilidad de la Formación La estabilidad de la formación es obviamente lo mas importante para alcanzar una operación satisfactoria. Un hueco limpio y estable permitirá: • • • • •

Tasas de perforación óptimas Libre rotación de la sarta Riesgo mínimo de pega de tubería Carga mínima en el anular, permitiendo Buena limpieza y bajas presiones de circulación Facilidad en la corrida de herramientas de registro y tubería de revestimiento hacia el fondo del hueco.

El fluido de perforación debe, por lo tanto, ser capaz de: • • •

Prevenir erosión y colapso del hueco Prevenir que las presiones de formación causen una producción de derrumbes (caving) Evitar el hinchamiento y desprendimiento de lutitas (es preferible utilizar lodos base aceite, los lodos base agua tiene que ser tratados con compuestos de Ca/K/Asfalto); 6


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Evitar la “disolución” de secciones de sal (utilizar lodos base aceite o saturados de sal para evitar la disolución de la sal).

1.8 Evaluación de Formación Esta realmente, es la razón de la perforación de pozos, encontrar y evaluar potenciales reservorios. Sin embargo, los pozos son generalmente perforados colocando especial atención en las tasas de perforación y los costos y frecuentemente se han implementado programas que van en detrimento de la evaluación de la formación. Uno de los principales problemas ha sido el uso aditivos base aceite en los fluidos de perforación, los cuales complican e interfieren el análisis de los ripios. Análisis de los Ripios Naturalmente, es importante obtener una buena calidad de ripios para el análisis geológico. La viscosidad determina que tan efectivamente los cortes son sostenidos por el lodo y llevados fuera del hueco. El tipo de flujo determinará el grado de erosión y alteración estructural de los ripios, en consecuencia, es preferible un flujo laminar que una flujo turbulento caótico. Los lodos base aceite típicamente producen excelente calidad de ripios, especialmente en litologías arcillosas donde los sistemas base agua pueden reaccionar con las arcillas. Registros Eléctricos y Pruebas de Producción Con un pozo normalmente sobre balanceado, los fluidos base agua naturalmente invadirán las formaciones permeables. Esto desplaza los fluidos de formación lejos del pozo, dejando una mezcla de fluido de formación y filtrado de lodo. Este tipo de invasión de agua puede afectar la precisión en el análisis de los registros eléctricos, especialmente la medida de la resistividad del fluido de formación y los testigos de pared (sidewall core), dificultando la evaluación del reservorio y la identificación del hidrocarburo. Para minimizar la invasión de fluidos, se permite que en la pared del hueco se forme una torta de filtrado (filter cake). Esto ocurre en el momento de la invasión y los sólidos del lodo (ya sea, partículas agregadas al fluido de perforación o de la formación) son dejados en la pared del hueco. Cuando está lo suficientemente gruesa, una capa impermeable evita invasiones adicionales Invasión de lodo muy severa, no sólo puede hacer perder los análisis de los registros eléctricos, sino, también, que la formación se puede dañar permanentemente. En otras palabras, los poros y la permeabilidad se pueden bloquear o taponar por acción del filtrado del lodo, lo cual afectaría el resultado del flujo en pruebas tales como RFT o DST´s. Una formación normal de torta de filtrado es normalmente suficiente para evitar una invasión excesiva, pero esto puede ser menos efectivo en pozos desviados u horizontales donde el movimiento de la sarta hacia abajo puede remover cualquier torta que se ha depositado. El lodo base aceite evita el riesgo de invasión en la mayoría de las situaciones, ya que es inmiscible en agua y por lo tanto, incapaz de mezclarse con fluidos de formación. La perforación con fluidos sub balanceados también reduce el riesgo de invasión, ya que la presión de formación excede a la del pozo, evitando el movimiento de cualquier fluido en esa dirección.

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2 TIPOS DE LODO DE PERFORACIÓN Este manual contiene un breve resumen de los fluidos de perforación convencionales utilizados en aplicaciones de perforación balanceadas. Se pueden agrupar en las siguientes categorías: Lodos base agua incluyendo polímeros y geles Base aceite, incluyendo emulsiones inversas Sintéticos o aceites minerales (World Oil, Junio 2000, es la principal fuente de esta clasificación)

2.1 Lodos Base Agua No-Dispersos Usando agua dulce, estos sistemas incluyen lodos de inicio o spud, naturales y otros sistemas ligeramente tratados. Se usan, por lo general, para pozos poco profundos o secciones de tope de hueco. No se agregan adelgazantes ni dispersantes para dispersar sólidos y partículas arcillosas perforadas. Mas bien, se permite que el agua reaccione con formaciones que contienen lutitas/arcillas para que el lodo forme sólidos y se densifique naturalmente. Dispersos Estos sistemas se usan típicamente en profundidades mayores donde se requieren mayores densidades o donde las condiciones problemáticas del hueco requieren tratamiento especializado. El sistema de lodo será dispersado con aditivos específicos para suministrarle propiedades especiales. Lignosulfatos/lignitos/taninos

Son defloculantes efectivos y reductores de filtrado, aportando lodos de alta densidad con tolerancia a altas temperaturas y a la contaminación por sólidos.

Potasio

Inhiben el desprendimiento de las lutitas

Calcio La adición de Calcio o Magnesio a lodos de agua dulce, reducen o inhiben el hinchamiento e hidratación de las arcillas y las lutitas. Niveles altos de calcio disuelto se utilizan para minimizar hinchamiento en las lutitas y ensanchamiento del hueco. Lodos tratados con calcio son también para perforar litologías con contenido de yeso/anhidrita, ya que resisten la contaminación. No obstante, a temperaturas altas son susceptibles a gelificarse y solidificarse.

Polímeros

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Típicamente, polímeros de grandes cadenas (ejemplo, acrilamida, celulosa) son utilizados en sistemas de lodo para darle un cierto número de ventajas: • • • • KCl/NaCl

Encapsular sólidos perforados para prevenir la dispersión Cubrir lutitas para inhibir y prevenir el hinchamiento Incrementar la viscosidad Reducir la pérdida de fluidos (filtración) Sales inhibidas como las que aportan mayor estabilidad a las lutitas.

Bajo en sólidos Estos incluyen sistemas donde los sólidos son estrictamente controlados, típicamente con volúmenes totales de sólidos entre 6% y 10% y volúmenes de arcillas menores de 3%. Usan típicamente aditivos de polímero como un elemento que incrementa la viscosidad y no son dispersos. Este tipo de sistema se usa mejorar las tasas de penetración. Agua Salada Saturados de Sal

Concentraciones de cloruros alrededor de 190,000 mg/l. Utilizados para perforar formaciones salinas para evitar la disolución.

Agua Salada

Concentraciones de cloruros entre 10,000 y 190,000 mg/l.

Los lodos son preparados de, ya sea agua dulce o salmueras y sales agregadas para obtener el nivel de concentración deseado. KCL se podría usar cuando se requiere inhibir el desprendimiento de lutitas. Aditivos tales como cáscaras que se pueden agregar para incrementar la viscosidad y mejorar la limpieza del hueco.

2.2 Lodos Base Aceite Lodos Base aceite Estos sistemas se utilizan cuando se requieren altos niveles de inhibición y estabilidad de fluido . tienen muchas ventajas, tales como: • • • •

Inhibe para reducir problemas causados por hidratación e hinchamiento de lutitas. Aporta buena lubricidad, reduce el torque, el arrastre y riesgo de pega. Estable a altas temperaturas. Preserva la permeabilidad natural,, no daña zonas de hidrocarburos (a través de invasión).

Debido a estas características, estos sistemas proporcionan tasas de perforación más rápidas. Ayuda a comparar costos de sistemas de lodo base aceite, pero tiene las siguientes desventajas:

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• • • • •

Posibles problemas ambientales Inflamabilidad Remoción de sólidos debido alta Viscosidad Plástica VP (Se requiere un buen equipo, como los lodos de polímero). Problemas para interpretar los registros Costoso

Los lodos base aceite contienen sólo diesel en la fase líquida, y aunque pueden tomar agua de formación, no se le agrega agua ni salmuera adicional. Para dar viscosidad a los lodos base aceite, se deben agregar geles o emulsificantes. La alcalinidad se puede mejorar agregando limo, materiales orgánicos o detergentes. Lodos de Emulsión inversas Son emulsiones de agua en aceite, con el aceite como fase continua y por encima de 50% salmuera en la fase emulsificante. La salmuera de cloruro de calcio es un emulsificante muy usado en estos sistemas.

Lodos de Emulsión Con estos fluidos, el agua aporta la mayor fase continua, con el aceite como la fase dispersa (normalmente 5%-10%). Con el agua siendo la fase principal, los costos se reducen y los problemas ambientales se minimizan. Pero al agregar aceite, se genera una serie de ventajas asociadas con los sistemas base aceite, tales como incremento de la ROP, reduce la pérdida de filtrado, lubricación mejorada, torque y arrastre reducido.

2.3 Lodos Sintéticos Una de las grandes desventajas de los lodos base aceite, a pesar de todas las ventajas para la perforación y la formación, es la amenaza que representan para el medio ambiente y al personal que lo manipula. Por esta razón, los aceites sintéticos (aceites minerales) han ganado terreno. Tienen las misma ventajas de que los sistemas base aceite, pero no tienen problemas ambientales asociados. Sistemas comunes son esteres, éteres y olefinas alfa poli o isomerizadas; Son ambientalmente amigables y biodegradables y pueden ser descargados al mar sin problemas.

2.4 Aditivos Comunes del Lodo

TIPO Alcalinos

PROPÓSITO Controlan la acidez y la alcalinidad

AGENTES Limo, soda cáustica, sodio, bicarbonato de sodio

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Inhibidores corrosión

de

la Evitan la corrosión Controlan el pH Neutralizan materiales peligrosos, ácidos, gases tales como el H2S Evitan la formación de precipitados en el lodo

Antiespumantes

Reducen la acción de las espumas, especialmente en lodos salinos

Emulsificantes

Crean una mezcla heterogénea de dos líquidos insolubles

Productos con base de Aminas- o fosfatos

Lodos base aceite – ácidos grasos, aminas Lodos base agua – detergentes, jabones, ácidos orgánicos.

Filtrados o Reductores Aditivos para evitar la pérdida de agua, la de agua tendencia de la fase líquida es pasar a través de la torta en la formación.

Bentonita, lignito, poliacrilato, cáscara o almidón pregelatinizado.

Floculantes

Incrementan la viscosidad Mejora la limpieza del hueco Deshidrata o clarifica fluidos bajos en sólidos Partículas en suspensión se agruparán en floculos causando que los sólidos se precipiten

Sal, limo hidratado, yeso, soda, bicarbonato de sodio, polímeros

Lubricantes

Reducen la fricción, por lo tanto, reducen el torque y arrastre

Aceites, líquidos sintéticos, grafito, glicol o espumantes

Agentes liberadores de Reducen la fricción e incrementan la lubricidad tubería en el punto donde la tubería está pegada.

Detergentes, jabones, aceites, espumantes

Inhibidores de Lutitas

Calcio soluble o potasio, sales orgánicas, compuestos orgánicos.

Reducen la hidratación de las lutitas cuando se perfora con lodos base agua, previniendo el excesivo ensanchamiento del hueco y desprendimiento de lutitas.

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Espumantes

Estabilidadores Temperatura Adelgazantes, dispersantes

Agentes activos en superficie; reducen la tensión entre las superficies de contacto tales como agua/aceite, agua/sólidos, agua/aire, etc.

de Incrementan la reología y la estabilidad en la filtración en fluidos expuestos a altas temperaturas. Modifican la relación entre la viscosidad y el volumen de sólidos, reduciendo la resistencia del gel e incrementando la “bombeabilidad” de un fluido

Emulsificantes, antiemulsificantes, agentes humidificantes, floculantes o anti-floculantes, dependiendo de las superficies involucradas. Acrílicos o polímeros sulfatados, lignito, lignosulfato, tanino Taninos, lignito y lignosulfatos, polifosfatos

Aun adelgazante, mas específicamente actúa como un antifloculante para reducir la atracción de las partículas arcillosas que incrementan la viscosidad y la resistencia del gel. Viscosificadores

Incrementan la viscosidad, aportando mayor suspensión de sólidos y limpieza del hueco.

Bentonita, CMC, attapulgita arcillas y polímeros

Densificadores

Aportan la densidad necesaria para controlar las presiones de formación, proporcionan estabilidad del hueco y para evitar el efecto de “tubo en U” durante la conexión.

Barita, compuestos de plomo, óxidos de hierro, carbonato de calcio

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3 REOLOGÍA DEFINICIONES La mayoría de los parámetros hidráulicos, primero que todo, dependen del tipo de fluido de perforación y del modelo que se esté usando para los cálculos. Las categorías se determinan por el comportamiento del fluido cuando es sometido a una esfuerzo (esfuerzo cortante). Precisamente, en términos de comportamiento del fluido, se tiene lo siguiente: •

En qué punto del esfuerzo cortante se inició el movimiento del fluido?

Una vez se ha iniciado el movimiento, cuál es la naturaleza del movimiento del fluido (Tasa de Corte)?

3.1 Tasa de Corte y Esfuerzo La Tasa de Corte en un fluido simple, es el cambio de velocidad dividido por el ancho del canal a través del cual el fluido se está moviendo.

v2 Tasa de Corte (γ) = v2 - v1 h

h

= seg-1

v1 En el pozo, la Tasa de Corte se determina por la velocidad rotacional del viscosímetro de Fann en el que se realizan las pruebas. De esta manera, el Esfuerzo Cortante es registrado a velocidades rotacionales de 600 (tasa de corte = 1022 seg-1), 300 (tasa de corte = 511 seg-1), 200, 100, 6 y 3 rpm. El Esfuerzo Cortante es la fuerza por unidad de área que se requiere para mover un fluido a una tasa de corte dada.

Area Fuerza

Esfuerzo Cortante (τ) = F/A = lb. pie

o

lb. pie

o

dinas 13


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pulg2

100pie2

cm2

Los Esfuerzos cortantes registrados para cada una de las Tasas de Corte a diferentes velocidades rotacional del viscosímetro se pueden plotear para obtener un perfil del comportamiento completo a través del “espectro reológico”

Esfuerzo Cortante, Lb/100ft2

100

200

300

400

500

600

Tasa de Corte, RPM

3.2 Viscosidad del Fluido Matemáticamente, la viscosidad se determina dividiendo el esfuerzo cortante de un fluido por la correspondiente tasa de corte.

Viscosidad del Fluido (µ) = Esfuerzo Cortante Tasa de Corte 1 poise

= dinas/cm2 seg-1

= poise

= 100 centipoise (cP)

1 lb. pie. seg = 47886 cP pie2 La viscosidad controla la magnitud del esfuerzo cortante que se desarrolla en una capa de fluido que se desliza sobre otra. Es una medida de la fricción entre capas de fluido, aportando una escala para describir el espesor del fluido. Disminuirá con la temperatura. En términos simples, describe el espesor del lodo cuando está en movimiento.

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Viscosidad de Embudo Es una medida directa del viscosímetro de embudo (opuesto al viscosímetro de Fann) y se mide en seg/qt. Generalmente, se usa en el pozo para medidas intermedias y es simplemente el tiempo que toma un cuarto de fluido en pasar a través del embudo. La viscosidad de embudo no se aplica para los análisis de desempeño de circulación Una determinación final es la viscosidad Aparente, simplemente θ600/2

3.3 Viscosidad Plástica y Punto de Cedencia (Yield Point) Para un fluido Bingham (Ver siguiente), la Viscosidad Plástica (VP) es la cantidad de esfuerzo cortante adicional al esfuerzo cedente (Yield Stress) que inducirá una unidad de Tasa de Corte. Mas simplemente, es la relación entre el esfuerzo cortante y la tasa de corte durante el movimiento del fluido. Es la pendiente de la línea recta que pasa a través de θ600 y θ300 (el esfuerzo causado por velocidades rotacionales de 600 y 300 rpm). El Punto de Cedencia (YP), o esfuerzo cedente de un fluido, es una medida de las fuerzas de atracción entre las partículas de lodo que resultan de la presencia de cargas +ve y -ve en las superficies de las partículas. Es una medida de las fuerzas que causan que el lodo se gelifique apenas esté en reposo y determina la capacidad de sostenimiento o transporte del lodo. En otras palabras, es la fuerza del fluido capaz de soportar una partículas de cierto peso y tamaño. Unidad normal de medida es

Imperial

lb 100pies2

o Métrico: dinas / cm2

3.4 Esfuerzo de Gel (Gel Strength) El Esfuerzo del Gel es la capacidad del lodo a desarrollar y retener una estructura en gel. Es análogo al esfuerzo cortante y define la habilidad de lodo para sostener sólidos en suspensión.. Mas simplemente, describe el espesor de un lodo que ha estado en reposo por un cierto periodo de tiempo (diferencia de la viscosidad que describe el espesor del lodo cuando está en movimiento). Es una medida de la propiedad engrosamiento de un fluido y es función del tiempo. Las medidas son por lo tanto conducidas después de periodos de 10 segundo y 10 minutos Unidades normales de medida:

lb 100pies2

Con la duración de una operación de perforación, es decir, la “edad” de un fluido de perforación, la viscosidad y el esfuerzo cortante tienden a incrementarse como resultado del aporte de sólidos dentro del sistema de lodo. Se debe agregar mas líquido para compensar esto, o remover los sólidos mediante el uso de centrífugas.

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4 MODELOS DE COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS 4.1 Fluidos Newtonianos Un fluido Newtoniano comenzará a moverse o a deformarse en el instante en que se le aplica una fuerza o esfuerzo cortante. Una vez se ha iniciado el movimiento, el grado de movimiento es proporcional al esfuerzo aplicado. Es decir, Existe una relación lineal entre el Esfuerzo Cortante (τ) y la Tasa de Corte (γ).

τ gradiente = µ

γ Por lo tanto, para un fluido Newtoniano :

τ = µγ

donde µ = viscosidad

La mayoría de los fluidos de perforación y las lechadas de cemento, no obstante, presentan un comportamiento no Newtoniano donde en el flujo laminar la relación entre esfuerzo cortante y tasa de corte no es lineal. Estos fluidos también requieren una cierta cantidad de esfuerzo cortante para iniciar el flujo por lo que resulta necesario aplicar un esfuerzo adicional a medida que la tasa de corte se incrementa. El nivel de esfuerzo cortante requerido para iniciar el flujo de un fluido se conoce como el Punto de Cedencia del fluido( Yield Point). Se han utilizado dos modelos principales como un estándar en la industria petrolera: 1. 2.

El modelo Plástico de Bingham El modelo de ley Exponencial (Power Law Model)

Recientemente, se acepta, generalmente que ambos modelos tienen meritos, pero el modelo de Ley Exponencial se aplica mas a la mayoría de los fluidos. Se ha desarrollado un tercer modelo, el cual es una combinación de ambos modelos. Este modelo se conoce como la Ley Exponencial Modificada o Modified Power Law (también conocido como Yield Power Law or Herschel-Bulkley Model). 17


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4.2 Modelo Plástico de Bingham Este modelo predice que el movimiento del fluido ocurrirá sólo después que se haya aplicado un valor mínimo de Esfuerzo Cortante. Este valor mínimo es el Punto de Cedencia o Yield Point del fluido Una vez se ha iniciado el movimiento, la relación entre Esfuerzo Cortante (τ) y la Tasa de Corte (γ) es lineal (es decir, Newtoniano), con la constante denominada Viscosidad Plástica (VP) La Viscosidad Plástica depende de la temperatura y la presión.

Lectura del cuadrante gradiente = VP

θ600 θ300 YP

γ (rpm) Para Fluidos Bingham τ = YP + γ.VP

VP = θ600 - θ300 YP = θ300 - VP = τ0 El modelo plástico de Bingham representa, de manera acertada, el comportamiento de fluidos tales como lechadas de bentonita, cementos clase G y aceites de baja gravedad. Un fluido Bingham típico tendrá una alta viscosidad, pero no esfuerzo de gel. Para fluidos mas complejos, no obstante, el modelo Bingham está sujeto a errores. Si bien el modelo Bingham simula el comportamiento de un fluido a una alta tasa de corte (300 a 600 rpm), es generalmente inexacto en las tasas de corte bajas. Los esfuerzos cortantes medidos a altas tasas de corte son usualmente pobres indicadores del comportamiento del fluido a bajas tasas de corte, el área de interés y que constituyen el área de interés para simular el comportamiento del flujo en el anular.

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Sujeto a este error, el punto de cedencia tiende a dar resultados en pérdidas de presiones calculadas y densidades de circulación equivalentes que son mayores a las observadas actualmente

4.3 Modelo de la Ley Exponencial (Power Law Model) El modelo de Ley Exponencial asume que el movimiento del fluido se iniciará inmediatamente se aplique cualquier esfuerzo cortante El modelo entonces predice que, que una vez se ha iniciado el movimiento, los fluidos muestran una relación no lineal entre Esfuerzo Cortante (τ) y la Tasa de Corte (γ) e introduce dos valores “índice” para determinar la relación. Lectura del cuadrante

θ600 θ300

300

γ (rpm)

600

Al representar gráficamente el logaritmo del esfuerzo y la deformación se tiene: Log τ

100

gradiente = n

10 K 1

10

100

1000

Para los fluidos de la Ley Exponencial (Power Law) τ = K (γ) Donde, K = índice de consistencia n = índice de comportamiento del flujo

Log γ n

Cálculo de ‘n’ and ‘K’:-

n = 3.32 log θ600 19


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θ300 K = 1.067 θ300 (511)n

(lb/100pie2) o

K = 5.11 θ300 (dinas/cm2) (511)n

El modelo reológico de la Ley Exponencial (Power Law) es el que mejor se ajusta a la mayoría de los fluidos mas que el Modelo Plástico de Bingham, especialmente fluidos de base polímero. Los fluidos que siguen este modelo no presentan esfuerzo cortante cuando la tasa de corte es cero. El incoveniente, en este caso, es que la mayoría de los fluidos tienen un punto de cedencia, pero no se puede considerar en este modelo. De manera similar al modelo Plástico de Bingham, pero en menor grado, el modelo de Ley Exponencial predice exactamente el comportamiento del fluido a tasas de corte altas, pero muestra un margen de error a tasas de corte bajas. El resultado de esto, es que la pérdida de presión en el anular y el ECD son “subestimados” por los cálculos del modelo. En la mayoría de los casos, no obstante, el modelo de Ley Exponencial se aproxima bastante a las propiedades del fluido aun cuando son calculadas a partir de valores de tasas de corte altos. Es posible obtener valores de “n” diferentes, dependiendo de los pares de esfuerzo cortante/tasa de corte que se usan en el calculo. Así pues, este modelo se puede aplicar usando datos de una escala de tasas de corte anulares, proporcionando una mejor precisión en la predicción del desempeño del fluido de perforación. Calculo de ‘n y K’ a otras tasas de corte:

Con θ200 y θ100

Con θ6 y θ3

n = 3.32 log θ200/θ100

n = 3.32 log θ6/θ3

K = θ100 / (170.3)n

K = θ3 / (5.11)n

En el caso extremo, donde n=1, el fluido tendrá un comportamiento Newtoniano Es decir, τ = Kγ

donde K será igual a la viscosidad µ.

Cuando emplee el par de tasa de corte bajo de 6 y 3 rpm? • • •

Describe mas exactamente la suspensión y el potencial de limpieza del hueco En huecos de gran diámetro Aplicaciones en perforación horizontal

4.4 La Ley Exponencial Modificada (The Modified Power Law) 20


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Este modelo combina aspectos teóricos y práctico de los modelos Plástico de Bingham y Ley Exponencial. En este modelo, los valores de ‘n y k’ son similares a los derivados del modelo de la Ley Exponencial. El modelo asume que los fluidos requerirán una cierta cantidad de esfuerzo aplicado antes que se inicie el movimiento y para los fluidos que presenten esfuerzo de cedencia (yield stress), los valores de ‘n y K’ serán diferentes.

Esfuerzo Cortante

τ0

(Punto de Cedencia o Esfuerzo de Cedencia

Tasa de Corte

Para Fluidos de Ley Exponencial Modificada

τ = τ0 + K (γ)n

Donde, K = índice de consistencia n = índice de comportamiento de flujo El valor τ0 es el punto de cedencia del fluido a una tasa de corte cero y, en teoría, es idéntico al punto de cedencia del modelo Plástico de Bingham, aunque el valor calculado es diferente Cuando

n = 1, τ0 = 0,

El modelo se convierte en el Modelo Plástico de Bingham el modelo se convierte en el Modelo de Ley Exponencial

El modelo funciona para lodos base agua y base aceite, ya que ambos presentan un comportamiento adelgazante y presentan esfuerzos cortante a tasas de corte cero. El problema con el modelo es que el cálculo de n, K y τ0 es muy complejo.

4.5 Reograma - Resumen de los Modelos de Fluidos de Perforación Esfuerzo Cortante

Plástico de Bingham Ley Exponencial Modificada

Ley Exponencial Newtoniano

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Nota: para que el sistema QLOG calcule de manera precisa la hidráulica en tiempo real, los valores de tasa de corte se deben actualizar con regularidad en “Equipment Table”. Los datos se pueden entrar en cualquiera de los tres pares estándar de tasa de corte Es decir,.

θ600 y θ300 θ200 y θ100 θ6 y θ3

Por lo general, la industria usa el par 600/300, pero como se observó en este manual, existen aplicaciones cuando el par 6/3 resulta mas significativo. Lo ideal es, si hay una razón para usar el par 6/3, se debería discutir y confirmar con los ingenieros de lodos y de perforación.

4.6 Efectos de los Modelo en Flujos Viscosos Fluidos Newtonianos El flujo laminar a través de la tubería o el anular se caracteriza por presentar un perfil de velocidad parabólico, con una velocidad que se aproxima a cero en las paredes y alcanzando su máximo valor en el centro del flujo.

Fluidos No Newtonianos Para estos fluidos, el flujo no necesariamente es parabólico. A medida que se vuelve mas no Newtoniano, el perfil de velocidad se hará cada vez mas plano hacia el centro. Esto es conocido como Flujo Tapón (plugged flow). Partiendo del modelo de la Ley Exponencial (Power Law), cuando ‘n’ es igual a 1, el fluido es Newtoniano y el perfil de velocidad tendrá una tendencia parabólica. A medida que “n” disminuye, es decir, el fluido se hará cada vez mas a ser no-Newtoniano y el perfil de velocidad se hará cada vez mas plano. En esta parte plana del perfil, la tasa de corte se aproximará a cero (es decir, muy poco movimiento 22


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entre láminas adyacentes). Los fluidos que tienen una alta viscosidad en esta condición de tasa de corte cercana a cero ofrece mejoras en la eficiencia de la limpieza del hueco.

Zona de bajo Corte

Areas de alto Corte

Efecto de ‘n’ en el perfil de velocidad

n=1

n=0.6

n=0.2

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5 PATRONES DE FLUJO LAMINAR, TURBULENTO Y TRANSICIONAL El tipo de patrón de flujo es determinado por la velocidad del fluido, los diámetros anulares y las características del lodo. Por lo general, a menor velocidad de fluido y mayor diámetro anular, el flujo tiende a ser laminar. Un patrón de flujo turbulento se da cuando la velocidad del fluido es alta y cuando se tiene un espacio anular pequeño, es decir, alrededor de la sección de los collares (drill collar)

5.1 Flujo Laminar Se presentará un platón de flujo suave con capas de fluido que viajan en líneas rectas paralelas al eje. La velocidad se incrementará hacia el centro hacia el centro de la corriente. EL flujo laminar se producirá de velocidades de fluido bajas. Hay solo un componente direccional de la velocidad del fluido y es longitudinal. La resistencia de corte es causada por la acción de deslizamiento de capas de fluido solamente.

5.2 Flujo Turbulento Con flujo turbulento, el patrón del flujo es aleatorio en tiempo y espacio, con movimiento caótico y desordenado de las partículas del fluido.

Con movimiento caótico y multidireccional e incremento de fricción; las fuerzas, las resistencia de corte son mucho mayores en el flujo turbulento que en el flujo laminar. Se presentará flujo turbulento a velocidades de flujo altas con un perfil de velocidad que tiende a ser uniforme a pesar de los componentes caóticos. 24


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Por esta razón, el flujo turbulento es realmente mas efectivo en la remoción de ripios, pero las desventajas son mayores que las ventajas Desventajas:• • • •

erosión de ripios, lo cual destruye las propiedades interpretativas posibilidad de erosión del hueco aumento en las pérdidas de presión debido a fuerzas de fricción altas del movimiento del fluido, a velocidades altas y mayor contacto con la pared remoción de la torta de filtrado

Otra ventaja del flujo turbulento, se presenta durante las operaciones de cementación, ya que el flujo aleatorio ayuda a remover la torta de filtrado de las paredes del hueco. Esto permitirá que el cemento entre en buen contacto con superficies frescas adhiriéndose mas mejor.

5.3 Flujo Transicional Realmente, no hay cambios instantáneos de flujo laminar a flujo turbulento a medida que la velocidad del fluido se incrementa. Obviamente habrá un periodo transicional donde los flujos cambias de un estado a otro. Este flujo transicional presentará elementos de flujo laminar y turbulento.

5.4 Determinación del Tipo de Flujo Es muy importante que seamos capaces de determinar el tipo de flujo presente, no solo, debido a sus efectos físicos, sino, para calcular las pérdidas de presión en la sarta y en el anular y que constituyen la parte mas importante en los análisis de la hidráulica. La velocidad del fluido y los diámetros anulares se usan para determinar el tipo de flujo en conjunto con la densidad y viscosidad del lodo. Estos parámetros se usan para determinar el Número de Reynolds, un número adimensional:

Re = DVρ µe

donde D = diámetro V = velocidad del fluido ρ = densidad µe = viscosidad efectiva

Note que la viscosidad efectiva se usa en la determinación del Número de Reynolds, mas que la viscosidad derivada de las mediciones en superficie. 5.4.1 Derivación de la Viscosidad Efectiva

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Fluido Bingham

µe = VP + 300(Dh − Dp) YP v

(imperial)

= VP + 2874 (Dh − Dp) YP 48000 v

(métrico)

v = velocidad anular promedio Dh/Dp = Diámetros del hueco y tubería (exterior) Métrico: µe = cP v = pies/min D = pulgadas YP = lb/100pies2 VP = cP

Unidades Imperiales:

µe = cP v = m/seg D = mm YP = dinas/cm2 VP = cP

Fluido que obedece a la Ley Exponencial (Power Law Fluid)

µe = [ (2.4 v) [ (Dh−Dp)

x

= 1916K (Dh−Dp) 4800v = [ (200 v) [ (Dh−Dp)

Imperial:

x

(2n + 1) ] n (3n) ]

x

200K (Dh−Dp) v

x [ (4000 v) x (2n + 1) ] n ( n ) ] [ (Dh−Dp) (2n + 1) ] n (3n) ]

µe = cP v = pies/min D = pulgadas K = lb/100pies2

x

0.5K (Dh−Dp) v

Métrico: µe = cP v = m/seg D = mm K = dinas/cm2

(imperial)

(métrico)

(SI)

SI: µe = mPa.s v = m/min D = mm K = Poise

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5.4.2 Determinación del Número de Reynolds Imperial

Re = 15.47 Dvρ µe

Métrico

Re = 1000 DVρ µe

SI

Re = DVρ 60µe

Para número de Reynolds dentro la tubería, Para número de Reynolds en el anular,

D = diámetro v = velocidad promedio ρ = densidad del lodo µe = viscosidad efectiva

= pulgadas = pies/min = ppg = cP

D = mm v = m/seg ρ = kg/litro µe = cP D = mm v = m/min ρ = kg/m3 µe = mPa.s D = diámetro interno de la tubería D = diámetro del hueco – diámetro externo de la tubería

Note que para la velocidad del fluido, se usa una velocidad promedio para determinar el número del Reynolds y la Viscosidad Efectiva. Realmente, como hemos observado, en las paredes del conducto se presenta una velocidad mínima, incrementándose la máximo en el centro del canal. La velocidad promedio del fluido (velocidad anular o velocidad en la tubería), se determina usando la siguiente fórmula: 5.4.3 Determinación de la Velocidad Anular Promedio

v (pies/min) =

24.5 Q Dh2 − Dp2

Q = Tasa de flujo o caudal (gpm) Dh = diámetro del hueco (pulgadas) Dp = diámetro externo de la tubería (pulgadas)

v (pies/min) =

1030 Q Dh2 − Dp2

Q = bbls/min Diámetros (pulgadas)

v (m/min) = 1273000 Q Dh2 − Dp2

Q = m3/min Diámetro (mm)

Estas fórmulas se pueden utilizar, obviamente, para calcular la velocidad del lodo dentro de la sarta En este caso, Dh2 se reemplazaría por Di2, el diámetro interno de la tubería ‘Dp’, y sería, igual a cero.

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5.4.4 Uso del número de Reynolds en la Determinación del Tipo de Flujo El valor del número de Reynolds define la transición entre el flujo laminar y el turbulento. Plástico Bingham El Número de Reynolds Crítico es 2100. Si Re < Rec, se dice que el flujo es laminar Si Re > Rec, se dice que el flujo es turbulento Ley Exponencial (Power Law) El Número de Reynolds Crítico es dado por ‘3470 - 1370n’ Si Re < 3470 - 1370n, el flujo es laminar Si Re > 4270 - 1370n, el flujo es turbulento Si 3470 - 1370n < Re < 4270 - 1370n, el flujo es transicional 5.4.5 Determinación de la Velocidad Critica La Velocidad Crítica es la velocidad del fluido (ya sea, en el anular o en la tubería) a la cual el tipo de flujo llega a ser turbulento. Realmente, en el pozo, El ingeniero es el interesado en la velocidad anular, ya que, el flujo turbulento presenta problemas asociados con la erosión del hueco, daño a los ripios y remoción de la torta de filtrado. Cuando se analiza la velocidad anular, buscará suficiente velocidad anular para el levantamiento y remoción efectivos de los ripios, pero dentro de un régimen de flujo laminar de modo que se produzca el menor daño posible del hueco. Muchos ingenieros se satisfacen , o incluso requieren un flujo transicional o turbulento alrededor de la sección de los collares de perforación (drill collar). Aquí, el espacio anular es mas pequeño, por lo tanto, debe permanecer libre de ripios. Sin embargo, para las secciones anulares restantes, se requerirá, siempre, un flujo laminar para minimizar el daño y que la pérdida de presión sea mínima. Bingham

Sarta Vc = 2.48 x ( VP + √ (V2P+ 73.57.YP.Di2.ρ)) Di ρ Anular Vc =

Vc

3.04 x ( VP + √ (V2P+ 40.05YP(Dh−Dp)2ρ )) (Dh−Dp)ρ = velocidad críitica (m/min) 28


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Dh Dp Di ρ VP YP

= diámetro del hueco (mm) = diámetro exterior de la tubería (mm) = diámetro interno de la tubería (mm) = densidad del lodo (kg/litro) = viscosidad plástica = Punto de Cedencia (yield point)

Ley Exponencial (Power Law) 1

Sarta Vc = 0.6 [ (3470 − 1370n)K ] [ 1.27 ρ ]

n

2−n

Anular Vc = 0.6 [ (3470 − 1370n)K ] [ 2.05 ρ ]

[ 3n + 1 ] [ 1.25 Di n ]

2−n

1

2−n

n

[ 2n + 1 ] [0.64 (Dh−Dp)n ]

2−n

Las unidades son las mismas que las anteriores. n y K son los coeficientes de Ley Exponencial (Power Law). Otras ecuaciones para determinar la Velocidad anular Crítica:

Imperial

1 n 2-n Vc (pies/min) = [ 3.88 x 10 K] [ ( 2.4 ) (2n + 1) ] [ ρ ] [ (Dh-Dp) ( 3n ) ] 4

2-n

ρ = ppg D = pulgadas K = lb / 100pie2

SI

1 n Vc (m/min) = [ 9 x 104K] 2 - n [ ( 200 ) (2n + 1) ] 2 - n [ ρ ] [ (Dh-Dp) ( 3n ) ] ρ = kg / m3 D = mm K = Poise

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6 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN EL SISTEMA Para entender la distribución de la presión del pozo, considere un sistema cerrado con pérdidas de presión por todo el sistema: • • • •

Cuando el lodo pasa a través de toda tubería Cuando el lodo pasa a través de la broca Cuando el lodo regresa a través del anular Cuando el lodo es bombeado a través de las líneas de superficies, tales como el standpipe, la manguera de la kelly y las bombas

El total de estas pérdidas, es decir, La Pérdida Total de Presión en el Sistema sería igual a la presión real medida en el standpipe y es, por lo tanto, igual a la presión a la cual están operando las bombas. Esto es una parte muy importante en la evaluación de la hidráulica. Obviamente, la máxima pérdida de presión posible será determinada por la capacidad de funcionamiento de las bombas y los demás equipos de superficie. Esta máxima pérdida de presión supera a la pérdida de presión deseada por el ingeniero de perforación La tarea del ingeniero de registro está supeditada a los parámetros proporcionados por el ingeniero de perforación, seleccionando por ejemplo, el tamaño correcto de las boquillas para lograr la pérdida de presión del sistema requerida. La pérdida de presión depende de la tasa de flujo, densidad y reología del lodo, de la longitud de cada sección y los diámetros de cada sección de tubería y anular. Ya sea, si el flujo es laminar o turbulento, también influirán en la pérdida de presión – el flujo turbulento producirá grandes pérdidas de presión.

6.1 Factor de Fricción de Fanning Las fuerzas de fricción se dan en cualquier parte por donde se está moviendo el fluido, con capas interactuando entre sí y entre las paredes del canal y otros obstáculos. Estas fuerzas tienen un gran efecto en las pérdidas de presión resultantes en una sección anular o de tubería. Las fuerzas friccionales presentes muy diferentes, dependiendo de si el flujo es laminar o turbulento: •

Con flujo laminar, el movimiento del fluido ocurre solamente en una dirección – paralelo a las paredes del conducto, incrementándose hacia el centro. Las fuerzas de fricción serán, por lo tanto, aquellas ‘capas’ que se mueven longitudinalmente una con respecto a la otra.

Con flujo turbulento, el movimiento del fluido es mucho mas complejo y multi-direccional, ya que has muchas mas fuerzas friccionales.

Por estas razón, trátese de pérdidas de presión en la tubería o en el anular, para cada tipo de flujo, se determina un coeficiente denominado el Factor de Fricción de Fanning. El factor de fricción se determina a partir del Número de Reynolds que ya se ha calculado para cada sección de tubería y del anular, basado en la velocidad anular, los diámetros, densidad y viscosidad efectiva. 30


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Flujo Laminar

fann = 24 / Re fpipe = 16 / Re

Flujo Turbulento

fturb = a / Reb

Re = Número de Reynolds en la sección anular Re = Número de Reynolds en la sección de tubería

Donde, Re = Número de Reynolds en el anular o en la tubería a =

log n + 3.93 50

b =

1.75 - log n 7

Flujo Transitional

fann =

[ Re - c ] x [ ( a ) - (24) ] + 24 [ 800 ] [ (4270 - 1370n)b (c)] c donde, Re = Número de Reynolds en el anular

ftubería =

a =

(log n + 3.93) / 50

b =

(1.75 - log n) / 7

c =

3470 - 1370n

[ Re - c ] x [ ( a ) - (16) ] + 16 [ 800 ] [ (4270 - 1370n)b (c)] c donde, Re = Número de Reynolds en la tubería a, b, y c igual que la fórmula anterior

Cuando estamos utilizando el modelo de Ley Exponencial (Power Law Model), los valores de Fracción de Fanning se sustituyen en las ecuaciones para calcular las pérdidas de presión en el anular o en la tubería. Cuando calculamos estas pérdidas de presión, se debe calcular separadamente cada sección, luego se suman, para obtener la pérdida total de presión en la tubería y en el anular.

6.2 Pérdidas de Presión en la Sarta

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Inicialmente, en las bombas hay pérdidas de presión, debido a la fricción a medida que el lodo es bombeado a través de la sarta. Las pérdidas serán mayores en las secciones inferiores de la sarta, donde el diámetro interior es mas pequeño y la velocidad del lodo es mayor. Bingham

Para flujo laminar,

(KPa) =

LQ VP + 612.95 Di4

YP L 13.26Di

Para flujo turbulento, Ploss (KPa) = L ρ0.8 Q1.8 vP0.2 901.63 Di4.8 donde,

Ploss = Pérdida de Presión (Kpa)

PL = longitud de sección (m) Q = Caudal (litro/min) ρ = densidad del lodo (kg/litro) VP = viscosidad plástica YP = Punto de Cedencia (Yield Point) Di = diámetro interno de tubería (pulgadas)

Ley Exponencial (Power Law) En este caso, sólo se considera una ecuación, puesto que, ya sea si el flujo laminar o turbulento, por el Número de Reynolds y el Factor de Fricción de Fanning.

SI

Ploss (Kpa) =

fp.v2.ρ.L 1800 Di

donde, fp = Factor de Fricción en la tubería v = velocidad promedio en la tubería (m/min) ρ = densidad del lodo (kg/m3) Di = Diámetro interior de tubería (mm) L = Longitud de sección (m)

Imperial

Ploss (psi) = fp.v2.ρ.L 92870 Di donde, v = pies/min ρ = ppg (libras por galón) Di = pulgadas L = pies

6.3 Pérdida de Presión en el Anular Las pérdidas de presión friccionales se presentan a medida que el lodo retorna por el anular, pero son, por lo general, las mas pequeñas de todo el sistema del hueco. Así como las pérdidas de presión en la sarta, 32


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las pérdidas de presión serán mayores hacia el fondo del hueco, al rededor de la sección de los collares (drill collar), donde el espacio anular (diámetro del hueco menos diámetro exterior de la tubería) es muy pequeño y la velocidad anular es alta. Bingham

Flujo laminar,

Ploss =

Flujo turbulento, Ploss =

L Q VP 408.63(Dh+Dp)(Dh−Dp)3

+

YP L 13.26(Dh−Dp)

L ρ0.8 Q1.8 V0.2P 706.96 (Dh+Dp)1.8(Dh−Dp)3

Las unidades son las mismas que se utilizan en la fórmula para la pérdida de presión en la sarta. Dh = diámetro del hueco (pulgadas) Dp = diámetro exterior de la tubería (pulgadas) Ley Exponencial (Power Law) SI

Ploss (Kpa) =

Imperial

fa.v2.ρ.L 1800 (Dh - Dp)

Ploss (psi) =

L = Longitud de sección (m) fa = Factor de Fricción en el anular v = velocidad anular promedio (m/min) ρ = densidad el lodo (kg/m3) Dh = diámetro del hueco (mm) Dp = diámetro exterior de la tubería (mm)

fa.v2.ρ.L 92870 (Dh - Dp)

donde, v = pies/min ρ = ppg Dh = pulgadas Dp = pulgadas L = pies

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6.4 Pérdida de Presión en la Broca Son las pérdidas de presión del sistema que ocurren cuando el lodo pasa a través de las boquillas de la broca. Las mayores pérdidas de presión del sistema, se dan en el área de las boquillas, donde las velocidades son mayores, debido al reducido tamaño.

SI

Ploss (Kpa) =

ρ. Q2. 277778 (D12 + D22 +D32 +....)2

donde, ρ = densidad del lodo (kg/m3) Q = caudal (m3/min) Dn = diámetro de boquilla (mm) Imperial

Ploss (psi)

=

ρ. Q2. 156 (D1 + D22 +D32 +....)2 2

donde, ρ = ppg Q = gpm Dn = 32nds de pulgada Desafortunadamente, estas ecuaciones (y el QLOG) no arrojarán cálculos precisos para pérdidas de presión para brocas de diamante. Eastman Christensen sugiere las siguientes operaciones:

Para Flujo Radial,

Ploss (bar) = 7.3188 ρ0.61 Q TFA

Para el alimentador (Feeder Collector),

Ploss (bar) = 24.738 ρ0.34 Q1.47 TFA1.76

Donde, ρ = densidad del lodo (kg/l) Q = caudal (l/min) TFA = Área Total de Flujo (mm2) 1 bar = 100KPa

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6.5 Pérdidas de Presión en Superficie El cálculo de las pérdidas de presión debido a los equipos de superficie no está bien tan definida como las pérdidas anteriormente expuestas y dependerán del tipo de equipo presente en el taladro. Es decir, Tipo de bomba, longitud del standpipe y las líneas de superficie, longitud de la kelly, etc. Uno de los métodos de cálculo se basa el modelo Plástico de Bingham para pérdidas de presión en flujos turbulentos. La parte principal de la ecuación, ρ0.8 Q1.8 PV0.2, es multiplicado por una constante que representa cuatro tipos de taladro.

Surface Ploss = E ρ0.8 Q1.8 PV0.2 donde,

Ploss = pérdida de presión (psi o Kpa) ρ = densidad (ppg o kg/litro) Q = gpm o litro/min

E es la constante que representa los cuatro tipos equipo de superficie empleados en el taladro. El tipo de taladro se puede verificar en cuadros de clasificación. Sino, se coloca, por defecto, tipo 4 Clasificación 1 2 3 4

E Imperial

Métrico

2.5 x 10−4 9.6 x 10−5 5.3 x 10−5 4.2 x 10−5

8.8 x 10−6 3.3 x 10−6 1.8 x 10−6 1.4 x 10−6

en la práctica, esta clasificación, generalmente, no está disponible en el pozo. Por esta razón, junto con el hecho que el método está basado en un fluido Bingham, Datalog usa una técnica diferente basada en la densidad del lodo y en la tasa de flujo, junto con una constante que representa diferentes tipos del equipo del taladro. Así pues:

Pérdida de Presión en Superficie = 0.35 x Factor x Densidad del lodo x Caudal (Kpa) (kg/m3) (m3/min) El factor representa el valor seleccionado en QLOG, en equipment table –el factor de conexión de superficie o surface connection factor. Este valor puede estar entre 0,2 y 0,5, siendo 0,5 el valor normal por defecto.

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7 OTROS CÁLCULOS HIDRÁULICOS 7.1

Velocidad de Desprendimiento de los Ripios

Hasta ahora, las velocidades que hemos analizado, sólo corresponden con la velocidad del fluido. Los ripios, son obviamente mas pesados que el lodo,. Estos ripios presentan, siempre, un cierto un grado de ´desprendimiento´. El grado de desprendimiento de los ripios depende de las densidades relativas, viscosidad y potencial de arrastre del lodo, así como el tamaño de partícula. Velocidad Neta de los ripios = velocidad anular − velocidad de desprendimiento de los ripios

Uinidades del SI

Vs = 0.42 Dp (ρp − ρ m)0.667 ρm0.333 µe0.333

(m/min) Imperial

Vs = 175 Dp (ρp − ρ m)0.667 ρm0.333 µe0.333

Dp ρp ρm µe Vs

Dp ρp ρm µe Vs

= diámetro de partícula (mm) = densidad de partícula (kg/m3) = densidad del lodo (kg/m3) = viscosidad efectiva del lodo (mPa.s) = velocidad de desprendimiento

= pulgadas = ppg = ppg = cP = pies/min

La velocidad de desprendimiento de los ripios, cuando el flujo es turbulento, será notablemente diferente cuando están involucrados el flujo laminar y fuerzas constantes. Con el flujo turbulento, si la velocidad de desprendimiento es constante o no, depende del número de Reynolds de los ripios.

Velocidad de Desprendimiento de los ripios en Flujo Turbulento Unidades en el SI

Imperial

Vs (m/min) = 6.85 [ Dp (ρp - ρm) ] 0.5 [ 1.5ρ ]

Vs (pies/min) = 113.4 [ Dp (ρp - ρm) ] 0.5 [ 1.5ρ ]

Note que en esta ecuación no hay datos que incluyan velocidad ni viscosidad. Por lo tanto, la constancia de la velocidad, dependerá del número de Reynolds para la partícula.

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7.2 Número de Reynolds para las partículas Unidades en el SI (m/min)

Rep = 0.01686. ρ. Vs. Dp donde, ρ = densidad del lodo (kg/m3) µe Vs = velocidad de desprendimiento Dp = diámetro de partícula (mm) µe = viscosidad efectiva (mPa.s)

Imperial

Rep = 15.47. ρ. Vs. Dp µe

donde, ρ Vs Dp µe

= ppg = pies/min = pulgadas = cP

Si el número de Reynolds para la partícula es > 2000, la partícula se desprenderá a la misma velocidad. Es decir, la velocidad de desprendimiento de los ripios será constante en un flujo turbulento En el cálculo de la velocidad de desprendimiento, se debe incorporara un Número de Reynolds para los ripios. Esto debido a las diferentes fuerzas friccionales presentes en los ripios, coeficiente de fricción o de arrastre.

7.3 Velocidad en las Boquillas Vn (m/seg) =

Q 38.71A

Q = Caudal (litro/min) A = Área Total de Flujo de las Boquillas (pulgadas2)

Vn (ft/seg) = 0.32Q A

Q = gpm A = in2

Conversion de las Boquillas a Área Total de Flujo

TFA (pulgadas2) = 1/4π (d12 + d22 + d32 ) ( 322 )

=

1

/4π Σ d2 1024

donde, d = tamaño de las boquillas en 32avos de pulgada Alternativamente, los diámetros de las boquillas, se pueden usar mas que el Área Total de Flujo: Unidades SI

Imperial

Vn (m/seg) = 21220 Q Σ Dn2 Vn (pies/seg) = 418.3 Q Σ Dn2

donde, Q = m3/min Dn = mm

donde, Q = gpm Dn = 32avos de pulgada

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Ejercicio 1a Uso del Programa de Hidráulica Asegúrese que las unidades del usuario sean las correctas, siguiendo los tipos de unidades en cuestión. Use los siguientes datos y perfiles de tubería: Revestimiento de 13 3/8” @ 500m,

ID = 12.42” (315.5mm)

Hueco de 12 1/4” (311.2mm) @ 1500m 200m x 9 1/2” DC’s, 100m x 8” DC’s

OD 9.5” ID 3.0” (241.3/76.2mm) OD 8.0” ID 3.0” (203.2/76.2mm)

300m x HWDP DP

OD 5.0” ID 3.0” (127/76.2mm) OD 5.0” ID 4.28” (127/108.7mm)

Boquillas 3 x 15 (3 x 11.9mm) Densidad del lodo 9.8ppg 100 SPM a una tasa de flujo de 2.0 m3/min θ600 and θ300

60/35

Factor de conexión de superficie 0.5 table)

(Asegúrese de entrar este parámetro al QLOG, en equipment

1.

Qué tipo de flujo se presenta en cada sección anular? Cuál es la Pérdida Total en el sistema y en superficie?

2.

Compare la pérdida de presión en superficie usando un factor de 0.2

3.

Usando un SCF de 0.5, qué tasa de flujo se requiere para producir un sistema de presión de 2500psi?

4.

Cuál es el Nuevo tamaño de boquillas requerido para reducir la presión a 2000psi?

5.

Cuál es la presión si el peso del lodo se incrementa a 10.8ppg?

6.

Con una tasa de flujo de 2.0 m3/min, qué tipo de boquillas se requieren ahora para generar una presión del sistema de 2000psi?

7.

El flujo sigue siendo laminar en todas las secciones anulares?

8.

Si el flujo es transicional, se aceptan DC de 9 1/2”, pero no DC’s de 8” DC’s, Cuál es la máxima tasa de flujo?

9.

Con esta tasa de flujo, cuantas boquillas de lavado (washed out) pueden tener si se registra una caída de presión en superficie de 1650psi ?

8 OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA

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8.1 Potencia Hidráulica de la Broca Es el poder usado por la acción de chorro de la broca, la cual tiene una ROP con balance mínimo y una acción de chorro (jetting) máxima con la limpieza efectiva del hueco. Unidades SI units

Potencia hidráulica de la Broca o HP (KW) = Pb x Q x 0.01667 Donde,

Q = tasa de flujo (m3/min) Pb = Pérdida de Presión en la broca (KPa)

Imperial

Potencia hidráulica de la Broca o HP (HP) = Pb x Q 1714

Q = gpm Pb = psi

La Potencia Hidráulica Total del sistema se puede calcular sustituyendo la Pérdida Total de Presión en el Sistema (reemplazando la Pérdida de presión en la Broca) en la misma ecuación.

8.2 Fuerza Hidráulica de Impacto (Hydraulic Impact Force) Es la fuerza ejercida en la formación debido a la acción del fluido que sale por las boquillas. La limpieza es por erosión directa en el fondo del hueco y por el flujo que cruza bajo la broca. El impacto hidráulico excesivo es la principal causa del lavado o flushing de la formación, donde las zonas permeables del frente de la broca puede ser lavadas de fluidos de formación Unidades SI

Fuerza de Impacto en la Broca (newtons) = ρ Q Vn 60

ρ = densidad del lodo (kg/m3) Q = tasa de flujo (m3/min) Vn = velocidad en las boquillas (m/seg)

Imperial

Fuerza de Impacto en la Broca (lbs) = ρ Q Vn 1932

ρ = ppg Q = gpm Vn = pies/seg

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8.3 Optimización de la Hidráulica La hidráulica se puede optimizar de dos formas: 1) Optimizando la Fuerza de Impacto de las boquillas en el fondo del hueco 2) Optimizando la Potencia Hidráulica empleado por el broca. La potencia empleada por la broca es una porción de la potencia total disponible (HPt). Se puede calcular a partir de la máxima presión de las bombas:

Donde, max HPpump = HPt = Pmax Q 1714 max HPpump = Potencia máxima de las bombas O, mas típicamente, se puede calcular bajo la base de una presión máxima de bomba junto con una máxima tasa de flujo, lo cual proporcionará la suficiente velocidad anular para la remoción de ripios. Una vez conocida la máxima potencia disponible, el desempeño hidráulico se puede optimizar de las siguientes formas: 1) Optimizar la Potencia (Horsepower) fijando la Potencia de la Broca a un 65% de la Potencia Total Disponible. 2) Optimizar La fuerza de Impacto fijando la Potencia de Broca a un 48% de la Potencia Total Disponible La Fuerza de Impacto está relacionada directamente a la fuerza erosional del fluido de perforación y por lo tanto, su optimización es útil para la limpieza del fondo del hueco. La optimización de la Potencia Hidráulica, generalmente requiere velocidades anulares bajas para que el tipo de flujo tenga un comportamiento laminar. Ya que la potencia hidráulica en la broca depende de la velocidad en las boquillas y por lo tanto de la pérdida de presión en la broca, el desempeño hidráulico, en la práctica, se puede optimizar simplemente seleccionando los tamaños de las boquillas Pérdida de Presión en la Broca = 65% de la Pérdida de Presión en el sistema

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8.4 Manipulación del Programa de Hidráulica en el QLOG Perfiles Actuales (Current Profiles (on hyd)) Es un programa de optimización que trabaja basado en información en tiempo real tales como eficiencia de las bombas (pump output), densidad del lodo y pérdida de presión. Si el programa de optimización se ejecuta debido a un cambio en los parámetros, los valores pueden ser modificados. Se deben sugerir los valores máximos y mínimos de las velocidades en las boquillas. El programa se puede correr para proporcionar los parámetros requeridos para obtener hidráulica óptima basada en la Fuerza Hidráulica de Impacto y en la Potencia Hidráulica de la broca. Nuevos Perfiles (New Profiles (off hyd)) Este programa se puede ejecutar sin estar en línea, de manera que usted puede entrar cualquier valor de perfiles del hueco y la tubería, parámetros del lodo, tasa de flujo y tamaño de las boquillas, calculando los parámetros hidráulicos resultantes tales como pérdida de presión, tipos de flujo, velocidades anulares, etc. Este programa se podría utilizar para predeterminar los parámetros correctos de una nueva sección del hueco o corrida de broca. Cambiando los datos ingresados , usted puede optimizar la hidráulica.

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Ejercicio 1b Optimización de la Hidráulica Use los perfiles y valores originales empleados en el ejercicio 1a 1.

Cuál es el % de Potencia Hidráulica de la broca?

2.

Utilizando los siguientes rangos y limitaciones, intente optimizar la hidráulica conservando un patrón de flujo laminar y buenas velocidades anulares para la remoción de ripios. Tasa de Flujo Densidad del lodo

1.8 a 2.2 m3/min 9.6 a 10.2 ppg

Máxima Presión del sistema

2800 psi

Tamaño mínimo de boquillas

3 x 10mm

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Ejercicio 1c Optimización de la Hidráulica Use los siguientes perfiles y valores de hueco y tubería: Revestimiento de 9 5/8” @ 2500m, ID 8.68” (220.4mm) Hueco de 8 1/2” (215.9mm) @ 4000m 500m x 6 1/2” DC’s 400m x HWDP DP

OD 6.5”, ID 2.88” (165.1/73.1mm) OD 5.0”, ID 3.0” (127/76.2mm) OD 5.0”, ID 4.28” (127/108.7mm)

Tasa de Flujo 1.4 m3/min Densidad del lodo 10.5ppg Factor de Conexión en superficie (Surface Conn Factor) 0.5 70/42 θ600 and θ300 1.

Qué boquillas se deben emplear para que el sistema produzca una presión de 2500 psi? Con estos parámetros, determine: a) tipos de flujo en cada sección anular b) Velocidades anulares en cada sección c) El porcentaje de Potencia hidráulica en la Broca ( % HP)

2.

Con una tasa de flujo de 1.6m3/min, que boquillas se requieren para que el sistema genere una presión de 2200psi ? Ahora, determine: a) tipos de flujo b) Velocidades anulares c) Porcentaje de Potencia Hidráulica en a broca (% HP)

3.

Utilizando los siguientes rangos y limitaciones, intente optimizar la hidráulica conservando un patrón de flujo laminar en cada sección y buenas velocidades anulares. Tasa de flujo Densidad del lodos

1.3 a 1.6 m3/min 10.3 a 10.6 ppg

Máxima presión del sistema 2850 psi

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9. Densidad Equivalente de Circulación (ECD) La presión ejercida en el fondo del hueco por la columna estática de lodo, es conocida como Presión Hidrostática

PHID = ρ x PVV x 0.052 donde, ρ = densidad de lodo (ppg) PHID = psi PVV = Profundidad vertical verdadera (pies) PHID = ρ x PVV x 0.433 donde, ρ PHID PVV PHID = ρ x PVV x 0.00981

= SG = psi = pies

donde, ρ = kg/m3 PHID = Kpa PVV = m

Durante la circulación, la presión ejercida por la columna “dinámica” de fluido en el fondo del hueco, se incrementa (y también, la presión equivalente en cualquier punto del anular) debido al aumento de las fuerzas friccionales y pérdidas de presión en el anular ocasionadas por el movimiento del fluido. Se sabe que esta presión es extremadamente importante durante la perforación, debido a que el balance de presión en el pozo está variando con respecto a la presión calculada para la densidad del lodo Presiones de Circulación altas, resultaran de: • • • • •

Sobrebalance (overbalance) alto en comparación con la presión de formación Riesgo alto de que ocurra lavado o flushing de la formación Severa invasión a la formación Alto riesgo de pega diferencial Sobre carga ejercida en los equipos de superficie

El incremento de la presión es denominada Presión Dinámica o Presión de Circulación del Fondo (PCF o BHCP por sus siglas en inglés)

PCF o BHCP = PHID + ∆ Pa

donde,

∆ Pa es la suma de las pérdidas de presión en el

anular

Debido a que la presión ejercida es una función de la densidad y la altura de la columna, el incremento de presión significa que, efectivamente, la densidad ‘equivalente’ del lodo se incrementará cuando el fluido se está moviendo. A esto, se le ha denominado Densidad Equivalente de Circulación. Algunos ejemplos para calcular la Densidad Equivalente de Circulación o ECD se muestran a continuación: 44


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a.

ECD = ρ +

∆ Pa

(0.052xPVV)

ECD = lpg EMW (Peso equivalente del lodo) ∆ Pa = psi PVV = pies ρ = lpg (libras por galón)

Por lo tanto, la Presión de Circulación en el Fondo PCF o BHCP puede ser expresada así: “ECD x 0.052 x PVV” b.

ECD = ρ + ∆ Pa 0.00981xPVV

Por lo tanto,

ECD = kg/m3 EMW (Equivalent MudWeight o Peso Equivalente del lodo) ∆ Pa = KPa TVD = m ρ = kg/m3

PCF o BHCP, se puede expresar así: “ECD x 0.00981 x PVV”

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Ejercicio 1d Densidad Equivalente de Circulación Para cada una de las siguientes situaciones, calcule la densidad del lodo a partir de la presión hidrostática a una profundidad dada. 1.

PVV Presión hidrostática

3500 pies 1729psi

2.

PVV Presión hidrostática

14000 pies 8010psi

3.

PVV Presión hidrostática

3000m 32373Kpa

4.

PVV Presión hidrostática

1500m 15,156Kpa

5.

PVV Presión hidrostática

4000m 9555psi

Para cada una de las siguientes situaciones, calcule: a) Presión hidrostática b) Presión de Circulación del Fondo c) }Densidad Equivalente de Circulación 6.

PVV 4000 pies Densidad de lodo 9.5ppg Pérdida de Presión en el anular 250psi

7.

PVV 3000m Densidad de lodo 1150 kg/m3 Pérdida de Presión en el anular 3000 Kpa

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10 Presiones de Suabeo (Swab) y Surgencia (Surge) Similar al incremento de la Presión en el fondo cuando hay circulación (ECD), los cambios de presión son vistos, como el resultado del movimiento inducido y de las presiones friccionales resultantes cuando están corriendo(RIH) o sacando (POOH) la tubería del hueco.

10.1 Presiones de Surgencia Las presiones de surgencia ocurren cuando están corriendo la tubería dentro del hueco. Esto causa un movimiento ascendente del lodo en el anular a medida que está siendo desplazado por la sarta (observado en superficie por la cantidad de lodo desplazado del sistema), dando como resultado una presión por fricción Esta presión por fricción ocasiona un incremento, o surgencia, en la presión cuando están corriendo la tubería hacia el hueco. El tamaño del incremento de presión depende de un número de factores, incluyendo la longitud de la tubería, la velocidad de corrida de la tubería, el espacio del anular y si la tubería es abierta o cerrada. Adicional a la presión por fricción, que puede ser calculada, es razonable asumir que el movimiento rápido de la tubería hacia abajo originará una onda de choque que viajará a través del lodo y ocasionará daños al pozo. Las presiones de surgencia, ciertamente, ocasionarán daños en la formación, causando que el lodo invada formaciones permeables e inestabilidad del pozo.

Sin embargo, el peligro real de la presión de surgencia, es que si es muy alta, podría exceder la presión de fractura de formaciones blandas o inconsolidadas y ocasionar su fracturamiento. Esto conllevaría a una pérdida de circulación en el área (el lodo se pierde dentro de la formación), conduciendo a una caída en el nivel del anular, reduciendo la presión hidrostática en todo el pozo. Posteriormente, entonces, con presiones reducidas en el anular, una formación permeable en otro punto del pozo, podría llega a fluir. Es decir, pérdida de circulación en un punto y un influjo en otro, llegándose a producir una etapa inicial de un reventón o blowout! Un concepto equivocado muy común es, que si la sarta está dentro del revestimiento, entonces el pozo es seguro y no se producirán presiones de surgencia. Definitivamente este no es el caso!. Cualquiera que sea la profundidad de la broca durante la corrida, la presión de surgencia causada por el movimiento del lodo a esa profundidad, estará también actuando en el fondo del hueco. Por lo tanto, aun si la sarta está dentro del revestimiento, la presión de surgencia resultante, si es bastante alta, podría causar un fracturamiento de la formación en la zona donde el hueco está abierto. Esto es extremadamente pertinente cuando la profundidad del hueco no está tan retirada del último punto de revestimiento (last casing point)! El tiempo de corrida del revestimiento es particularmente vulnerable a las presiones de surgencia, debido al pequeño espacio del anular y al hecho de que el revestimiento es cerrado en su bajada. Por esta razón,

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la corrida del revestimiento, es siempre, a velocidades lentas y los desplazamientos de lodos son monitoreados con muchísima cautela.

10.2 Presiones de Suabeo Las presiones de suabeo son el resultado de la fricción causada por el movimiento del lodo, debido al levantamiento de la tubería. Las pérdidas de presión por fricción, debido al movimiento ascendente de la tubería, son el resultado de la disminución de la presión hidrostática del lodo. El resultado de movimiento del lodo se origina por dos procesos:

1. Al mover lentamente la tubería, se puede originar un movimiento ascendente inicial del lodo cercano a la tubería. Debido a la viscosidad del lodo, tiende a ‘adherirse’ (cling) a la tubería y ser arrastrado hacia arriba con el ascenso de la tubería 2. Lo mas importante, a medida que el levantamiento de la tubería continua y especial muy rápido, se genera un espacio vacío inmediatamente debajo de la broca y, naturalmente, el lodo del anular caerá para llenar este vacío.

Esta pérdida de presión por fricción, causa una reducción en la presión hidrostática del lodo. Si la presión disminuye por debajo de la presión de poros, entonces, pueden ocurrir dos cosas: 1. Con formaciones impermeables tipo Shale, la situación de sub balance ocasiona el fracturamiento de la formación y la cavernas en el hueco. Esto, genera que los derrumbes por presión se acumulen en el anular, conduciendo a un empaquetamiento de la sarta. 2. Con formaciones permeables, la situación es más crítica y simplemente la situación de sub balance conduce a la invasión de fluidos de formación, originando una “patada de pozo” o kick Además de estas pérdidas de presión por fricción, un efecto tipo pistón, puede conducir a un influjo adicional desde la formaciones permeables. Cuando hay muy poco espacio anular en el hueco, por ejemplo, puntos donde están los estabilizadores, este espacio mínimo puede causar el “efecto jeringa”, succión de fluidos dentro del hueco. •

Más del 25% de los reventones (blowouts) son consecuencia de la disminución de la presión hidrostática ocasionada por el suabeo.

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Otro aspecto de seguridad es que, la invasión de fluidos debido al suabeo puede ocasionar la contaminación del lodo, causando sobrecostos en su descontaminación y reemplazo.

Los cambios de presión debido al cambio de dirección de la tubería, por ejemplo durante las conexiones, pueden, particularmente, afectar el pozo, causando derrumbe (sloughing), formando cuñas o puentes sobrecarga de material en el hueco, requiriendo operaciones de rimado.

10.3 Cálculo de Presiones de Surgencia y Suabeo Se usa el mismo método del cálculo de la presión diferencial ocasionada por el suabeo y surgencia. Para determinar la nueva presión hidrostática, el diferencial de presión se suma o se resta dependiendo de si es surgencia o suabeo respectivamente. Primero que todo, se tiene que calcular la Velocidad Fluido del lodo desplazado por el movimiento de la tubería. Para tubería de extremo cerrado:

Vel. de fluido (pies/min) = [ 0.45 + Dp2 ] x Vp; [ Dh2 − Dp2] Para tubería de extremo abierto:

Vel de Fluido (pies/min) = [ 0.45 + [

Vp = Velocidad de la tubería (pies/min) Dh = Diámetro del hueco (pulg) Dp = Diámetro exterior tubería (pulg) Di = Diámetro interno tubería (pulg)

Dp2 − Di2 ] x Vp 2 2 2 Dh − Dp + Di ]

Esta velocidad de fluido, tiene que ser convertida a tasa de flujo equivalente, usando la ecuación de la velocidad anular, donde: Velocidad de fluido (pies/min) =

24.5 Q ; Dh2 − Dp2

Q = gpm (galones por minuto)

Entonces, el cambio de presión, es calculado para cada sección del anular y de tubería, utilizando las ecuaciones de Pérdida de Presión. Esto, es calculado para regímenes de flujo laminar y turbulento, tomando los valores mas altos. La presión total de suabeo y surgencia que actúa en el fondo del hueco, es la suma de todas pérdidas de presión para cada sección de tubería y del anular.

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10.4 Manipulación del Programa de Suabeo y Surgencia en el QLOG Este programa se utiliza para determinar las presiones inducidas por las velocidades máxima y mínima durante la corrida de la tubería. Por lo tanto, se puede deducir una velocidad segura de corrida para evitar presiones excesivas. Información requerida: Profundidad de la broca y del hueco: Tomadas del sistema en tiempo real, si es necesario se puede editar. Presión actual de surgencia/suabeo: Tomadas de las presiones actuales registradas, si es necesario se puede editar. Flujo entrante actual: Tomado del sistema en tiempo real, si es necesario se puede editar. Pérfil actual en uso: es decir, los perfiles actuales del hueco y la tubería, el usuario debe seleccionar Y (yes), Si. Velocidad Máxima/Mínima de corrida: Limites definidos por el usuario. Se deben utilizar valores negativos para calcular las presiones de suabeo. Por ejemplo, para presión de surgencia, la velocidad mínima de corrida puede ser 5 m/min y la máxima 50 m/min. Para los mismos límites, el cálculo del suabeo, se debe establecer la mínima en -50 m/min, y la máxima en -5 m/min. Velocidad de corrida actual: Leída en el sistema en tiempo real, si es necesario se puede editar. Una vez se han entrado correctamente los datos: Presione F7 para calcular las presiones máxima y mínima. Presione F2 para imprimir los datos. Presione F8 para generar un gráfico. El gráfico deberá contener valores de presión versus velocidad de corrida y mostrará las presiones versus los límites máximo/mínimo definidos junto con la situación de presión/velocidad de corrida.

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Ejercicio 1e Uso del Programa de Suabeo - Surgencia Con este programa puede ingresar información en del sistema en tiempo real. Por lo tanto: En los archivos de tiempo real, ingrese los perfiles del hueco y la tubería del ejercicio 1c . En equipment table, ingrese lo siguiente: a) Densidad del lodo simulada o en override 9.3ppg (libras por galón) b) θ600 y θ300 50/30 (Nota: para propósitos de este ejercicio, asegúrese que el canal de densidad del lodo no esté configurado, esto, para poder utilizar la facilidad de over-ride en equipment table) Utilizando las velocidades de corrida mínima de 20 y 100 m/min, calcule las presiones de surgencia y suabeo con las siguientes profundidades de broca: 1000m 2000m 3000m 3500m 3950m Con un peso de lodo incrementado de 10.3 ppg, calcule las presiones de suabeo y surgencia a 3500 y 3950m para las mismas velocidades de corrida máxima y mínima.

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APÉNDICE - Respuestas a los Ejercicios Ejercicio 1a

Use del Programa de Hidráulica

1. Flujo laminar en todas las secciones Pérdida de Presión en el Sistema 2038 psi Pérdida de Presión en Superficie 59.6psi 2. 23.8 psi 3. 2.24 m3/min con una presión de 2498psi 4. 1 x 13mm, 2 x 14mm, con una presión de 1994psi 5. 2162psi 6. 1 x 12mm, 2 x 13mm, con una presión de 1983psi 7. Si, El flujo es laminar en cada sección. 8. 2.24 m3/min 9. 1 boquilla

con una boquilla de lavado de 12mm, la presión sería de 1658psi Con una boquilla de lavado de 13mm, la presión sería de 1671psi

Ejercicio 1b Optimización de la Hidráulica 1. 46.2% de Potencia en la broca 2. Son dos posibles situaciones: a. Peso del lodo Tasa de Flujo Boquillas Esto da:

b. Peso del lodo Tasa de flujo Boquillas

9.9ppg 2.0 m3/min 2 x 10, 1 x 11 60.2% de Potencia en la broca Pérdida de Presión en el sistema de 2771psi Flujo Laminar en todas las secciones con buenas velocidades anulares 10.15ppg 1.9 m3/min 3 x 10

Esto da:

63.9% de Potencia en la broca Pérdida de Presión en el sistema de 2765psi Flujos Laminares, pero con velocidades anulares bajas Ejercicio 1c Optimización de la Hidráulica

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DATALOG : MANUAL DE HIDRAULICA DEL FLUIDO DE PERFORACION, Versión 2.1, revisado Enero 2001

1. Boquillas de 3 x 10mm, dan una pérdida de presión en el sistema de 2523psi a) laminar en todas las secciones b) 55 a 92 m/min c) 39.3 % 2. Boquillas de 3 x 14mm, dan una pérdida de presión en el sistema de 2211psi a) transicional al rededor de los collares, laminar en otras secciones b) 63 to 105 m/min c) 15.3 % 3. Con tasa de flujo peso del lodo boquillas Con tasa de flujo Peso del lodo Boquillas

1.3 m3/min 10.3 ppg 2 x 9, 1 x 8mm

Pérdida de presión en el sistema de 2834psi Potencia en la broca 52.2 % Flujo Laminar en todas las secciones Velocidades anulares de 51 a 86 m/min

1.34 m3/min 10.6 ppg 3 x 9mm

Pérdida de presión en el sistema de 2841 psi Potencia en la broca 49.2% Flujo Laminar Velocidad Anular 51 – 86 m/min

Note que en la segunda situación las velocidades anulares son las mismas (este es el objetivo para un 65% de optimización), aún estamos mas cerca del 48% y una óptima limpieza del hueco – esto puede ser la selección preferida. Ejercicio 1d Densidades de Circulación Equivalente 1. 9.5 ppg 2. 11.0ppg 3. 1100 kg/m3 4. 1030 kg/m3 5. 14.0ppg 6. Phid = 1976 psi BHCP = 2226 psi ECD = 10.7 ppg EMW 7. Phid = 33844 Kpa BHCP = 36844 Kpa (Presión de Circulación de Fondo PCF) ECD = 1252 kg/m3 EMW Ejercicio 1e Programa de Suabeo y Surgencia @ 1000m, Presión min/max = 35 + 211 psi 53


DATALOG : MANUAL DE HIDRAULICA DEL FLUIDO DE PERFORACION, Versi贸n 2.1, revisado Enero 2001

@t 2000m, @ 3000m, @ 3500m, @ 3950m.

50 + 280 psi 69 + 388 psi 77 + 426 psi 85 + 461 psi

Con peso del lodo de 10.3ppg: @ 3500m, Presi贸n min/max = 77 + 460 psi @ 3950m, 85 + 497 psi

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Hidraulica de fluido de perforacion