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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO, GAS NATURAL Y PETROQUÍMICA ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE POZOS

ALUMNO: PALACIOS AVILES, Denis Ricardo …………20144063D PROFESOR: CANTO ESPINOZA, Daniel

LIMA, 2017

ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE POZOS

INDICE

1.-INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………………………4 2.-FUNDAMENTOS DE LA HIDRÁULICA………………………………………………………………………….5 3.-ECUACIONES DE HIDRÁULICA DE API………………………………………………………………………..5 3.1-REGÍMENES DE FLUJO……………………………………………………………………………………………..5 3.1.1.-FLUJO TAPÓN………………………………………………………………………………………………………5 3.1.2-FLUJO LAMINAR ………………………………………………………………………………………………..…6 3.1.3.-FLUJO TURBULENTO…………………………………………………………………………………………….6 3.1.4.-ETAPAS DE FLUJO…………………………………………………………………………………………………7 3.2.-NÚMERO DE REYNOLDS………………………………………………………………………………………….8 3.3.-CAÍDAS DE PRESIÓN………………………………………………………………………………………………..9 3.4.-CAPACIDAD DE LA BOMBA…………………………………………………………………………………….11 3.4.1.-BOMBA DUPLEX: ………………………………………………………………………………………………..11 3.4.2.-BOMBA TRIPLEX: ………………………………………………………………………………………………..12 3.5.-FACTOR DE FRICCIÓN…………………………………………………………………………………………….13 3.6.-CAÍDAS DE PRESIÓN EN EL EQUIPO SUPERFICIAL ………………………………………………….13 3.7.-CAÍDAS DE PRESIÓN EN LA SARTA DE PERFORACIÓN…………………………………………….14 3.8.-CAÍDAS DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR ………………………………………………………..15 3.9.-CAÍDA DE PRESIÓN EN LA BARRENA ……………………………………………………………………..16 3.10.-PRESIÓN DE FONDO……………………………………………………………………………………………..16 3.11.-VELOCIDAD DE CAÍDA DE LOS RECORTES …………………………………………………………….17 3.12.-VELOCIDAD DE TRANSPORTE DE LOS RECORTES ………………………………………………….18 3.13.-DENSIDAD EQUIVALENTE DE CIRCULACIÓN (ECD)………………………………………………..18 4.-OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA……………………………………………………………………………19 4.1.-MÁXIMA POTENCIA HIDRÁULICA …………………………………………………………………………..20 4.2.-MÁXIMA FUERZA DE IMPACTO ………………………………………………………………………………21 5.-ANÁLISIS DE LA PRESIÓN DE SUAVEO Y SURGENCIA………………………………………………….22 5.1.-EFECTO DE SUAVEO Y SURGENCIA…………………………………………………………………………..22 5.2.-EFECTO DE SURGENCIA……………………………………………………………………………………………23 5.3.-FACTORES QUE AFECTAN EL EFECTO DE SUAVEO Y SURGENCIA …………………………….23

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6.-CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………………………23 7.-RECOMENDACIONES……………………………………………………………………………………………………24 8.-BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………………………24

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1.- INTRODUCCIÓN Durante los inicios de la industria petrolera, era utilizado un método de perforación a percusión llamado también “a cable” el cual consistía en realizar un movimiento ascendente y descendente de un instrumento metálico muy pesado, que al caer deshacía la roca. Estos pedazos de roca se extraían por medio de una pala o una cuchara de válvulas. Sin embargo, como no se tenía un sostén para las paredes del pozo ni control de las presiones, se producían muchos derrumbes y reventones. En la actualidad, la perforación de pozos petroleros es un proceso que involucra el uso de un fluido que mejore la tasa de penetración de la barrena y permita una eficiente limpieza del pozo acarreando desde el fondo hasta la superficie los recortes que la barrena va generando al atravesar las formaciones. La aplicación de la hidráulica de perforación se remonta al año de 1948 al ser introducidas a la industria las primeras barrenas de aletas con toberas, dando lugar al uso de los programas hidráulicos. Las primeras pruebas con barrenas de chorro, demostraron que se podía incrementar la velocidad de penetración de la barrena durante la perforación, siempre y cuando se utilizara un programa hidráulico correctamente diseñado. Sin embargo, se dudaba de la eficiencia de este tipo de barrenas y fue aproximadamente a partir de 1958 cuando en México se comenzaron a utilizar las barrenas con toberas y en la actualidad prácticamente el 100% de las operaciones de perforación se realiza con barrenas de chorro. Los métodos de optimización de la hidráulica consisten en determinar la caída de presión en la barrena para lograr que la energía generada por las bombas llegue óptimamente al fondo del pozo y cumplir con el objetivo de la adecuada limpieza del pozo. Los dos métodos de optimización comúnmente aceptados son: a) Máxima potencia hidráulica en la barrena b) Máxima fuerza de impacto El API (American Petroleum Institute) publicó una norma recomendada en el año 2003 y 2006 (API RP 13D) en las áreas de reología e hidráulica, la cual ha servido como guía de soporte a la industria. En el año 2007 Bern, Morton, Zamora y Moran3 realizaron una actualización de la norma (API RP 13D) en las siguientes áreas: comportamiento en pozo (reología y densidad), modelamiento de pérdidas de presión, limpieza de pozo, optimización de perforación, presiones de surgencia y suabeo, monitoreo en pozo y pruebas reológicas, llevó al mejoramiento de posteriores publicaciones y al enriquecimiento del modelado computacional.

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2.- FUNDAMENTOS DE LA HIDRÁULICA La hidráulica se ocupa de los efectos interrelacionados de viscosidad, el caudal y las presiones de circulación sobre el desempeño del fluido de perforación para el cumplimiento de sus diferentes funciones. Desafortunadamente las propiedades del flujo que pueden beneficiar en determinados aspectos en la hidráulica de perforación, en la mayoría de los casos pueden resultar perjudiciales para el cumplimiento de otras funciones; por lo que se debe buscar un equilibrio entre los distintos parámetros involucrados en la hidráulica de manera que se obtenga un mínimo perjuicio de uno sobre otro. Las ecuaciones de la hidráulica de fluidos han sido construidas usando parámetros de los modelos de Bingham y de la ley de potencia. Típicamente los cálculos de caída de presión en situaciones de flujo laminar efectuados con el modelo de Bingham son muy precisos, mientras que los efectuados usando el modelo de la ley de potencia dan predicciones menores de las caídas reales de presión. Los errores en el cálculo de caídas de presión pueden producir nuevos errores en otros cálculos, tales como la densidad equivalente de circulación (ECD).

3.-ECUACIONES DE HIDRÁULICA DE API El titulo entregado por el API, “Practica Recomendada para la Reología y la Hidráulica de los fluidos de perforación de Pozos de Petróleo” (Practica 13D Recomendada por API, Tercera edición, 1 de junio de 1995) 3.1.-REGÍMENES DE FLUJO Los regímenes de flujo son patrones del comportamiento de las características del movimiento de un fluido a través de una tubería que dependen de la velocidad del fluido y de las propiedades del mismo. Estos patrones se han establecidos para realizar un análisis del comportamiento de los fluidos de perforación. En un equipo de perforación, los regímenes de flujo que podemos encontrar son:    

Flujo tapón Flujo laminar Flujo turbulento Flujo de transición

3.1.1.-FLUJO TAPÓN El flujo tapón se presenta cuando se excede el esfuerzo de cedencia verdadero (fuerza necesaria para romper la circulación). En el flujo tapón, la velocidad es la misma a través del diámetro de la tubería o del espacio anular, excepto por la capa del fluido que está contra la pared.

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3.1.2.-FLUJO LAMINAR En el flujo laminar, el fluido se desplaza en capas paralelas a la tubería y adyacentes entre sí sin mezclarse. No todas las partículas se mueven con la misma velocidad, el perfil de velocidades tiene la forma de una parábola; las partículas que están en contacto tanto con las paredes de la tubería como del agujero estarán estacionarias mientras que el fluido alcanzará su máxima velocidad en el centro del flujo. Si el fluido presenta un punto de cedencia alto, las capas se moverán a velocidades más uniformes. El flujo laminar es típico de velocidades de fluido bajas o altas viscosidades; esto se debe a que cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la fricción por lo cual las partículas se deslizan sin rotar. Cuando se presenta este tipo de flujo, el acarreo de los recortes es menos efectivo, ya que los recortes tienden a irse hacia las paredes del pozo donde las velocidades son bajas y no se tiene una buena capacidad de acarreo. En este caso, se puede aumentar el punto cedente del lodo para mejorar la distribución de velocidades.

3.1.3.-FLUJO TURBULENTO Se trata de un flujo caótico en el cual las partículas del fluido se mueven en todas direcciones desordenadamente dentro de la tubería o en el agujero. Esta turbulencia se presenta cuando la velocidad de flujo incrementa ocasionando que el lodo pierda la habilidad de fluir en régimen laminar favoreciendo la remoción de los recortes. Por otro lado, el flujo turbulento puede producir la posible erosión del agujero y de los recortes; y el aumento en las pérdidas de presión debido a fuerzas de fricción altas del movimiento de fluido y la remoción del enjarre.

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3.1.4.-ETAPAS DE FLUJO Durante el proceso de perforación de un pozo, el fluido se ve sometido a diferentes etapas de flujo. La figura representa las configuraciones de flujo del fluido de perforación. En la etapa 1 no se presenta ningún tipo de flujo, a que el fluido se mantiene estático y necesita la aplicación de una fuerza para iniciar a fluir, lo cual se logra al alcanzar el esfuerzo de cedencia verdadero. En la etapa 2 se presenta el flujo tapón, en el cual la velocidad del fluido es la misma a través del diámetro de la tubería o espacio anular, excepto para la capa de fluido que está en contacto con la pared del conducto, mostrando un perfil de velocidad de flujo plano. La transición del flujo tapón al flujo laminar se presenta en la etapa 3, cuando los esfuerzos de corte empiezan a afectar a las capas del fluido. El perfil de velocidad es plano a través del tapón, pero disminuye a cero en la pared del conducto. El flujo laminar (etapa 4) se consigue cuando la velocidad alcanza su punto más alto en el centro del flujo y es nula en la pared del conducto. Este tipo de flujo se puede describir como una serie de capas telescópicas, las cuales van incrementando su velocidad de capa en capa hasta el centro. La etapa 5 o transición de flujo laminar a turbulento representa la descomposición del flujo regular, lo cual se debe al incremento del gasto. Por último, la etapa del flujo turbulento representa el movimiento caótico y sin sentido de las partículas del fluido. La presión requerida para bombear un fluido dentro de un flujo turbulento es considerablemente más alta que la presión requerida para bombear el mismo fluido pero en flujo laminar. A altas velocidades de corte, las caídas de presión dependen de tres principales factores: -

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Geometría. Velocidad. Densidad.

3.2.-NÚMERO DE REYNOLDS El número de Reynolds (NRe) es un parámetro adimensional que relaciona la velocidad y las propiedades de un fluido y es usado para determinar el régimen de flujo del fluido. Así pues, un número de Reynolds mayor que 2,100 indica que el flujo es turbulento, mientras que un NRe menor o igual que 2,100 representa a un flujo laminar. La fórmula general para el número de Reynolds es la siguiente:

Donde: -

V= Velocidad media del flujo (pie/seg) D= Diámetro del canal del flujo (pulg) ρ= Densidad del fluido (gr/cm3 ) µ= Viscosidad del fluido (cP)

El número de Reynolds para el interior de la tubería es:

Para el espacio anular:

Donde: -

D= Diámetro interior de la tubería de perforación (pulg) D2= Diámetro interior del pozo o de la tubería de revestimiento (pulg) D1= Diámetro exterior de la tubería de perforación (pulg) Ρ= Densidad del fluido (lb/gal) V= Velocidad media del flujo en (pie/min) µep= Viscosidad efectiva de la tubería en cP µea= Viscosidad efectiva del espacio anular en cP

Los valores obtenidos del Número de Reynolds son comparados con los siguientes:

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Los valores anteriormente dados corresponden a un fluido Newtoniano que fluye a través de una tubería circular. Sin embrago, los fluidos de perforación no tienen las propiedades de un fluido newtoniano, por lo cual se han desarrollado las siguientes ecuaciones para determinar el Número crítico de Reynolds, en el cual se observa la transición de flujo laminar a turbulento:

Donde: -

NREc = Número crítico de Reynolds en una sección anular n= Índice de Ley de potencia

3.3.-CAÍDAS DE PRESIÓN Las caídas de presión en el sistema de circulación del pozo son ocasionadas por la fricción del fluido con las paredes de la tubería cuando este fluye a través de ella. Esta caída de presión incrementa al aumentar la profundidad del pozo. Para determinar la pérdida de presión en el sistema de circulación, se consideran ciertos puntos del sistema que por su ubicación estratégica nos permiten calcular la pérdida de presión en ellos y la presión total del sistema. Asimismo, la presión por fricción de cada parte de este sistema depende de los siguientes parámetros:    

Diámetro de tuberías o anulares. Velocidad del fluido. Viscosidad del fluido. Número de Reynolds

PRINCIPIOS GENERALES       

Con tuberías del mismo diámetro, la pérdida de presión es proporcional a la longitud de la tubería y casi proporcional a la velocidad del fluido. Considerando la misma velocidad de flujo, en tuberías de gran diámetro la caída de presión es menor que en las tuberías de menor diámetro. Las pérdidas de presión por fricción existen en a través de todo el sistema, desde la succión hasta la descarga en la línea de flote. Entre más profundo sea el pozo, habrá mayores pérdidas de presión, debido al aumento de distancia con las bombas de lodos. La caída de presión a través de la sarta de trabajo varía dependiendo del diámetro interno y longitud de los componentes, así como por la velocidad del fluido. Al disminuir el área de flujo de la barrena, habrá mayor pérdida de presión, pero mayor impacto. Las pérdidas de presión en el espacio anular dependen del diámetro exterior y longitud de la sarta, así también del diámetro interior del agujero.

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Pérdidas de presión por fricción. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

Dentro del standpipe Dentro de la manguera de lodos A través del swivel A través de la flecha Dentro de la sarta Dentro del BHA Toberas Espacio anular.

La determinación de las caídas de presión por fricción en el sistema circulatorio, está dictada por las leyes que rigen la mecánica de fluidos y la aplicación de las leyes físicas de la dinámica de fluidos:   

Ley de la conservación de la masa Ley de la conservación de la energía Segunda ley de Newton

La primera, la ley de la conservación de la masa establece que la materia es indestructible. El principio de la conservación de la energía establece que el cambio de energía en un sistema es

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igual a la energía que entra al sistema menos la energía que sale del sistema, más o menos el trabajo y calor adicionado. Con esto podemos explicar que la presión de las bombas requerida para circular el fluido a través del sistema hidráulico del pozo es la suma de todas las caídas de presión por fricción en cada uno de los puntos críticos que lo componen. Por otra parte, la Segunda Ley de Newton establece que la suma de todas las fuerzas externas que actúan en un sistema es igual a la velocidad de cambio de su cantidad de movimiento. La expresión que se muestra a continuación representa las diferentes caídas de presión que existen en el sistema de circulación:

Donde: Pt= caída de presión total (psi). ∆PCS= Caída de presión en conexiones superficiales (psi) ∆PTP= Caída de presión en tubería de perforación (psi) ∆PBHA= Caída de presión en el BHA (psi) ∆PBARRENA= Caída de presión en la barrena (psi) ∆PEA-BHA= Caída de presión espacio anular-BHA (psi) ∆PEA-TP= Caída de presión espacio anular-Tubería de perforación (psi) 3.4.-CAPACIDAD DE LA BOMBA Se deben conocer el tipo y características de las bombas de lodos para determinar el gasto adecuado. 3.4.1.- BOMBA DUPLEX: Es una bomba de presión y aspiración con nivel constante integrado en el termostato para su conexión a circuitos abiertos y cerrados. Han sido por mucho tiempo muy usadas para diferentes servicios, incluyendo alimentación de calderas en presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, etc. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad. Al igual que todas las bombas alternativas, las unidades de acción directa tienen un flujo de descarga pulsante.

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3.4.2.-BOMBA TRIPLEX: Es un dispositivo mecánico que tiene como actividad bombear un fluido de un nivel más bajo a otro más alto añadiéndole energía. En los trabajos que se realizan con los equipos de perforación es imprescindible utilizar la bomba para lodos (nombre común que se le da en el campo), ya que proporciona el medio para circular el fluido de control de la superficie al fondo del pozo y viceversa. La transmisión de fuerza está formada por dos catarinas, una motriz y otra impulsada, unidas por una cadena de rodillos alojada y protegida dentro de una carcasa o guarda que incluye un sistema de lubricación

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3.5.-FACTOR DE FRICCIÓN El factor de fricción de Fanning es un parámetro adimensional que indica el nivel de esfuerzo cortante en la pared del conducto. El factor de fricción se determina a partir del Número de Reynolds que ya se ha calculado para cada sección de la tubería y del espacio anular, basado en la velocidad anular, los diámetros, densidad y viscosidad efectiva. Las expresiones para calcular el factor de fricción dependen de si el fluido se encuentra en régimen laminar o turbulento. Factor de fricción en la tubería Para NRe ≤2,100

Para NRe >2,100

Factor de fricción en el espacio anular Para NRe ≤2,100

Para NRe >2,100

3.6.-CAÍDAS DE PRESIÓN EN EL EQUIPO SUPERFICIAL Dentro de las caídas de presión del equipo superficial se consideran las caídas de presión por fricción entre el manómetro del standpipe y la tubería de perforación; esto incluye: el standpipe, la manguera de lodos, el swivel y la flecha o el Top Drive. Se manejan cuatro diferentes combinaciones del equipo de superficie para un equipo sin Top Drive con las características detalladas en la tabla

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Para el cálculo de las caídas de presión en el equipo superficial, se utiliza la ecuación:

Donde: -

∆Pcs = Caída de presión en el equipo superficial (psi) C = Factor de tipo de equipo superficial (adm) Q = Gasto de flujo (gpm) ρf = Densidad del fluido (gr/cm3 )

Los valores de C se presentan en la siguiente tabla

3.7.-CAÍDAS DE PRESIÓN EN LA SARTA DE PERFORACIÓN Inicialmente, en las bombas hay pérdidas de presión, debido a la fricción del lodo cuando es bombeado a través de la sarta. Los intervalos de la sarta de perforación son determinados por el diámetro interno (DI) y la longitud de cada intervalo corresponde a la longitud de la tubería que tiene el mismo DI de la tubería. Las pérdidas en motores de fondo y las herramientas como MDW, LWD, PWD; turbinas o impulsores, también deben estar incluidas en las pérdidas de presión del sistema para el cálculo de la hidráulica.

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Velocidad de flujo para el interior de la tubería

Velocidad de flujo para el espacio anular

Modelo ley de potencia Para flujo laminar:

Para flujo turbulento La ecuación para flujo turbulento se aplica tanto al modelo plástico de Bingham como al modelo de ley de potencia.

3.8.-CAÍDAS DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR Las pérdidas de presión también se presentan a medida que el lodo retorna por el anular, pero por lo general son las más pequeñas de todo el sistema circulatorio. Estás serán mayores hacia el fondo del agujero, alrededor de la sección de los Drill Collar, donde el espacio anular es muy pequeño y la velocidad anular es alta. Modelo plástico de Bingham Para flujo laminar:

Modelo ley de potencia Para flujo laminar

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La ecuación para flujo turbulento se aplica tanto al modelo plástico de Bingham como al modelo de ley de potencia.

Donde: -

∆Pp = caída de presión dentro de la tubería (kg/cm2 ) VP = Viscosidad plástica (cP) L = Longitud de la tubería (m) YP = Punto de cedencia (lbf/100 pies2 ) di = Diámetro interior de la tubería o agujero (pulg) de = Diámetro exterior de la tubería (pulg) f= Factor de fricción (adim) n= Índice de comportamiento de flujo (adim) K = Índice de consistencia (lb∙seg / 100 pies2 ) NRe = Número de Reynolds (adim) NRep = Número de Reynolds en el interior de la tubería (adim) NRea = Número de Reynolds en el espacio anular (adim)

3.9.-CAÍDA DE PRESIÓN EN LA BARRENA Son las caídas de presión que ocurren cuando el fluido pasa a través de las toberas de la barrena, siendo estas las mayores pérdidas de presión del sistema debido al reducido tamaño del área de flujo.

Donde:   

∆Pb = Caídas de presión por fricción en la barrena (kg/cm2 ) Q = Gasto de flujo (gal/min) TFA = Área de flujo (pulg2 )



ρf = Densidad de fluido (gr/cm3 )

3.10.-PRESIÓN DE FONDO La presión en el fondo del pozo es la presión total que actúa en el fondo del pozo. Es causada por la presión hidrostática del fluido de perforación dentro del pozo y cualquier presión (o contrapresión) en la superficie. Este valor depende de las condiciones de operación del pozo.

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Donde:   

PF= Presión en el fondo del pozo PB= Presión de bombeo ∆P = Caídas de presión por fricción hasta la barrena o punto de interés

3.11.-VELOCIDAD DE CAÍDA DE LOS RECORTES Es la velocidad que alcanzan los recortes al caer a través de la columna de fluido de perforación por efectos de la gravedad. Está dependerá de las condiciones de flujo y fricción, entre otros factores. Para poder remover los recortes, se necesita que la velocidad anular sea mayor que la velocidad de caída, por esto se recomienda que la velocidad de caída sea menos de la mitad de la velocidad anular. Los métodos más acertados para calcular la velocidad de caída se basan en el número de Reynolds para partículas, el coeficiente de arrastre, la densidad de las partículas, su forma y tamaño, así como en el densidad del lodo y su reología. El método que a continuación se muestra está basado en la correlación de Walker y Mayes, la cual considera un coeficiente de arrastre definido para una partícula en forma de disco cayendo con la cara horizontal en la dirección opuesta al flujo. y consta de cuatro pasos: 1. Se calcula el esfuerzo cortante desarrollado por las partículas.

2. Se determina el límite de la tasas de cizalladura. Las velocidades de esfuerzo cortante que siguen utilizan cálculos laminares. Las condiciones turbulentas o laminares de las partículas no están relacionadas a la condición de flujo turbulento o laminar dentro del espacio anular.

  

Yb= Límite de gasto de esfuerzo cortante (seg-1 ) Dp = Diámetro de las partículas (pulg) ρ= Densidad del lodo (ppg)

3. Se calcula la velocidad del esfuerzo cortante desarrollado por la partícula utilizando las constantes para flujo laminar (n y k) según la Ley de Potencia.



Tp= Gasto de esfuerzo cortante de las partículas (seg-1 )

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  

Yp= Esfuerzo cortante de las partículas (lb/100 pies2 ) Na = Índice de flujo en el espacio anular Ka = Factor de consistencia en el espacio anular

4. Se determina la velocidad de caída dependiendo el patrón de flujo. Condición de flujo laminar Si Yp < Yb la velocidad de caída es determinada por:

-

Vs = Velocidad de la corrida (pie/min) Yp= Gasto de esfuerzo cortante de las partículas (seg-1 ) Tp= Esfuerzo cortante de las partículas (lb/100 pies2 ) dp = Diámetro de las partículas (pulg) ρ = Densidad del lodo (ppg)

Condición de flujo turbulento Si Yp> Yb la velocidad de caída es determinada por:

Donde: -

Vs = Velocidad de la corrida (pie/min) Ƭp= Esfuerzo cortante de las partículas (lb/100 pies2 ) ρ = Densidad del lodo (ppg)

3.12.-VELOCIDAD DE TRANSPORTE DE LOS RECORTES La velocidad de con la cual los recortes avanzan hacia la superficie es igual a la diferencia de la velocidad anular y la velocidad de caída de los recortes, para cada sección en particular.

Donde: -

Vt = Transporte de recortes (pie/min) Va = Velocidad anular (pie/min) Vs = Velocidad de corrida (pie/min)

3.13.-DENSIDAD EQUIVALENTE DE CIRCULACIÓN (ECD) La densidad equivalente de circulación es la densidad efectiva a cualquier profundidad, creada por la suma de la presión hidrostática y la pérdida de presión anular. Al presentarse una excesiva ECD se pueden ocasionar pérdidas al exceder 61 el gradiente de fractura en un pozo lo cual se puede evitar al optimizar las propiedades reológicas del lodo.

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Considerando los recortes en suspensión, la ECD se calcula con la siguiente ecuación

Donde: -

ECD = Densidad equivalente de circulación (gr/cm3 ) ∆P = Sumatoria de pérdidas de presión por fricción (kg/cm2 ) TVD = Profundidad vertical verdadera del agujero (m) d2bna= Diámetro de la barrena (pulg) ρf = Densidad del fluido (gr/cm3 ) ρr = Densidad del recorte (gr/cm3 ) Q = Gasto de circulación (gpm) ROP = Ritmo de penetración (m /min)

4.-OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA La optimización de la hidráulica es el uso eficiente y racional de la energía de la bomba necesaria para hacer circular el fluido a través de todo el sistema de circulación, con el fin de conseguir la adecuada remoción de los recortes y, como consecuencia, mejorar la tasa de penetración de la barrena. Para obtener una óptima hidráulica de perforación, se necesita un balance entre los elementos que se consideran en el análisis, empleando la potencia hidráulica disponible tan eficientemente como sea posible. Dichos elementos son:    

Gasto de flujo: Determina la velocidad anular del fluido y las caídas de presión por fricción en el sistema del pozo. Presión de bombeo: Determina la velocidad del fluido en las toberas de la barrena Relación gasto-presión de bombeo: Determina la potencia hidráulica disponible en la barrena. Fluido de perforación: Determina las pérdidas por fricción en el sistema y la velocidad de acarreo de los recortes.

MÉTODOS DE OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA Los métodos de optimización de la hidráulica consisten en determinar la caída de presión en la barrena de tal forma que la energía generada por el equipo de bombeo en superficie sea transmitida óptimamente hasta el fondo del pozo para su correcta limpieza. Los dos métodos de optimización aceptados y comúnmente utilizados son: a) Máxima potencia hidráulica b) Máxima fuerza de impacto

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4.1.-MÁXIMA POTENCIA HIDRÁULICA Se basa en la teoría de que gastando la máxima energía disponible en la barrena, se obtiene una mayor limpieza del fondo del pozo y, consecuentemente, una tasa de penetración máxima. Sin embargo, se alcanza el punto donde el incremento en la potencia hidráulica ya no se refleja en un aumento en el avance de la penetración. El criterio aplicado en este método de optimización consiste en calcular el diámetro de las toberas óptimo para obtener la máxima potencia hidráulica en la barrena. Para lograr el acarreo óptimo de los recortes, es necesario obtener el porcentaje de energía que se debe perder en la barrena, lo cual se logra a partir de la ecuación:

Donde: -

HPs: Máxima potencia hidráulica superficial. HPc: Potencia hidráulica gastada en el sistema de circulación excluyendo la barrena. HPm: Potencia hidráulica en la barrena.

Suponiendo régimen de flujo turbulento para todo el sistema de circulación y que las pérdidas de fricción pueden ser calculadas con la ecuación de Fanning, la potencia hidráulica de la bomba en superficie se calcula con la ecuación:

Donde: -

HPs = Máxima potencia hidráulica superficial (HP). Ps = Presión máxima de la bomba (psi). Q = Gasto de la bomba (gpm).

La potencia hidráulica gastada en el sistema de circulación se calcula de la siguiente manera:

Donde: -

HPc = Potencia hidráulica en el sistema de circulación (HP). ∆Pc = Caídas de presión en el sistema de circulación (psi). Q = Gasto de la bomba (gpm).

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La máxima potencia hidráulica en la barrena para condiciones de operación de descarga constante, se obtiene una tasa de circulación que produzca una pérdida por fricción del 35% en el sistema de circulación y una caída de presión de 65% en la barrena, mediante las siguientes condiciones:

4.2.-MÁXIMA FUERZA DE IMPACTO Este método se basa en la teoría de que el recorte es removido más eficientemente cuando se maximiza la fuerza de impacto del fluido contra la formación. Se seleccionan los diámetros de toberas de tal forma que la fuerza de impacto hidráulico sea máxima en la barrena, en términos generales, cuando las caídas de presión son del 47% de la presión de bombeo. De acuerdo a la segunda Ley de Newton, la fuerza de impacto inducida por el lodo en el fondo del agujero puede calcularse con la siguiente ecuación:

Donde: -

FI = Fuerza de impacto hidráulico (Lbs) ρL = Densidad del fluido (gr/cm3 ) Q = Gasto de la bomba (gpm) VTOB = Velocidad del fluido a tráves de las toberas

Un diseño hidráulico que use la fuerza de impacto puede aplicarse a dos condiciones diferentes. En cada una de ellas, se puede probar matemáticamente, bajo qué condiciones se produce el impacto máximo. 1. Potencia hidráulica en superficie constante (HPs =cte), presión en superficie (Ps) y gasto (Q) variables.

Esta condición no es práctica porque requiere cambios continuos de las camisas de la bomba. 2. Presión en superficie constantes (Ps = cte), potencia hidráulica en superficie (HPs) y gasto (Q) variables.

Es la condición más usada para disminuir los cambios de las camisas de las bombas.

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En la práctica normalmente se trabaja a una presión constante de la bomba. Por esta razón, el máximo impacto hidráulico se obtiene a un gasto que produzca una pérdida por fricción de 52% en el sistema de circulación y una caída de presión de 48% en la barrena. El gasto óptimo se puede obtener por la siguiente ecuación:

Donde: -

Qopt = Gasto óptimo (gpm) ∆Pcopt = Pérdida de presión en el sistema de circulación óptimo. De acuerdo con el método utilizado será: -Máxima potencia hidráulica: ∆Pcopt = 0.35Ps. -Máxima fuerza de impacto: ∆Pcopt = 0.52 Ps. ∆Pc = Pérdida de presión en el sistema para un valor cualquiera de Q, entre Qmin y Qmax.

5.-ANÁLISIS DE LA PRESIÓN DE SUAVEO Y SURGENCIA Durante las operaciones de perforación de pozos es necesario sacar la herramienta del fondo del pozo para luego, nuevamente, volver a meter la herramienta con un nuevo arreglo. Esta operación de sacar y meter la sarta de perforación se puede convertir en una operación de mucho riesgo para el pozo y el equipo de perforación, así como también para las condiciones en las que se encuentre el fluido de perforación en ese momento. 5.1.-EFECTO DE SUAVEO Y SURGENCIA Al levantar la sarta de perforación de forma rápida, se puede generar la entrada de fluidos al pozo desde la formación pudiendo causar lo que se conoce como descontrol de pozo; esto es mucho más crítico si al momento de levantar la sarta de perforación las herramientas contienen sólidos, el fluido de perforación es de alta densidad y viscosidad, etc. Es decir, al levantar la sarta en esta situación se estaría haciendo un efecto pistón al pozo provocando la entrada de fluidos. Esto es lo que se conoce como “Efecto de Suaveo”

El efecto de suaveo es provocado al levantar la sarta de perforación y provoca una variación de presión en el fondo del pozo. Al levantar la sarta siempre se presenta alguna variación de presión en el fondo del pozo. Las caídas de presión al levantar la sarta son causadas por la fricción que

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hay entre el fluido de perforación y la barrena. El efecto de suaveo puede generar efectos drásticos sobre la presión en el fondo del pozo.

5.2.-EFECTO DE SURGENCIA Cuando se está metiendo la herramienta de perforación de forma rápida se puede causar una sobre presión en el fondo del pozo, la situación se complica aún más si el pozo contiene un fluido de perforación pesado y viscosidad, la causa final es una pérdida de fluido de perforación hacia la formación; esto es lo que conoce como “Efecto de Surgencia”

El efecto de surgencia provoca incrementos de presión en el fondo del pozo, dicho efecto puede ser provocado debido a las altas velocidades con las que se opera la barrena en el agujero. Este efecto provoca pérdidas de fluido de perforación. Por lo tanto, es recomendable llevar un control adecuado del volumen de desplazamiento. 5.3.-FACTORES QUE AFECTAN EL EFECTO DE SUAVEO Y SURGENCIA -

Velocidad con la que se baja o sube la sarta de perforación. Propiedades de fluido de perforación. Viscosidad. Geometría del agujero.

6.-CONCLUSIONES 

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Una vez que las propiedades reológicas para un fluido han sido determinadas y modeladas para predecir el comportamiento del flujo, los cálculos de hidráulica son realizados para determinar el efecto que este fluido en particular tendrá sobre las presiones del sistema. El objetivo principal de la optimización de la hidráulica es lograr un equilibrio entre el control del pozo, la limpieza del pozo, la presión de bombeo, la densidad equivalente de circulación (ECD) y la caída de presión a través de la barrena. La pérdida de presión en la columna de perforación es igual a la suma de las pérdidas de presión en todos los intervalos de la columna de perforación, incluyendo la tubería de perforación, los portamechas, los motores de fondo, las herramientas de MWD/LWD/PWD o cualquiera otra herramienta de fondo. Una potencia hidráulica baja en la barrena puede producir bajas velocidades de penetración y un rendimiento deficiente de la barrena.

ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE POZOS

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Dentro del programa de optimización de la hidráulica se debe de tener cuidado de no “optimizar las toberas reduciendo su tamaño” a un tamaño que no permita el uso de material de perdida de circulación. El propósito de calcular la presión de pistoneo y la presión de surgencia es determinar las velocidades seguras para sacar e introducir la columna de perforación y minimizar los tiempos de viaje.

7.-RECOMENDACIONES 

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En caso de implementarse la metodología para la planeación de la reología y cálculos de hidráulica, se recomienda en lo posible disponer de información de sísmica o geología de pozos vecinos para determinar la presión de formación y de fractura del yacimiento. Debido a que estos datos son la base para determinar la ventana del lodo y selección de la densidad del lodo. Para la selección óptima de las bombas de circulación, se recomienda realizar una evaluación de la potencia hidráulica requerida por intervalo de perforación, para seleccionar la mayor potencia de todos los intervalos y asignarla como la potencia requerida por el sistema. Con el fin de garantizar un rango de confiabilidad se aplica un factor de seguridad del 30% sobre el diseño.

8.-BIBLIOGRAFÍA -

Petróleos Mexicanos, Exploración y Producción. Gerencia de tecnología. “Procedimiento general para determinar la optimización hidráulica” SCHULUMBERGER. Drilling School, sección 6 “Hidráulica y limpieza del pozo” “Reología, hidráulica y mechas de perforación” “Práctica recomendada para la reología y la hidráulica de los fluidos de perforación de pozos petroleros”. API 13 D. “Fundamentals of Drilling Engineering”, SPE Textbook Series No. 12

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