Reseña histórica de los lodos de perforación

INDICE

Introducción

1. Reseña histórica de los lodos de perforación

2. Definición y funciones principales de los fluidos de perforación

3. Composición de los fluidos de perforación

4. Relación entre funciones y propiedades del fluido

5. Cálculos generales

6. Hidráulica de la perforación

7. Reologia de los fluidos

8. Factores que afectan la reologia

Conclusión

Bibliografía

INTRODUCCIÓN

El objetivo de una operación de perforación es perforar, evaluar y terminar un pozo que producirá petróleo y/o gas en forma rentable. Los fluidos de perforación desempeñan numerosas funciones que contribuyen al logro de dicho objetivo.

El fluido de perforación es un líquido o gas que circula a través de la sarta de perforación hasta a la barrena y regresa a la superficie por el espacio anular. Hasta la fecha un pozo de gas o petróleo no se puede perforar sin este concepto básico de fluido circulante.

Dicho fluido, cumple una parte fundamental durante las operaciones de perforación y nos facilita el trabajo, ya que provee la lubricación, estabilidad, remoción, manejo de presión, en fin, cumple funciones diversas a lo largo de todo el proceso de perforación.

Pero a la vez también nos genera una serie de problemas tales como, daño a las formaciones potencialmente productivas, corrosión en la sarta de perforación y tubería de revestimiento, perdidas de circulación, contaminación de las lechadas de cemento, entre otras; siendo estas las más comunes en la industria

El ingeniero de fluidos se asegurará que las propiedades del lodo sean correctas para el ambiente de perforación específico. También puede recomendar modificaciones de las prácticas de perforación que ayuden a lograr los objetivos de la perforación.

Un fluido de perforación para un área particular se debe diseñar para cumplir con los requerimientos específicos. En general los fluidos de perforación tendrán muchas propiedades que son benéficas para la operación, pero también algunas otras que no son deseables.

1. Reseña histórica de los lodos de perforación.

A principios del siglo XX, mientras se perforaba un pozo de petróleo en Spindletop, Texas, los trabajadores condujeron una manada de ganado a través de un foso lleno de agua. El lodo que se originó, una mezcla barrosa y viscosa de agua y arcilla, se bombeó dentro del pozo. Los fluidos de perforación aún se denominan lodo, pero en la actualidad, los ingenieros no confían sólo en el agua y la arcilla, sino que diseñan cuidadosamente compuestos y mezclas para satisfacer las necesidades específicas que existen según las distintas condiciones de perforación. Los fluidos de perforación modernos son verdaderamente el elemento vital del pozo. Los pozos profundos actuales no podrían existir sin ellos.

Hace mucho tiempo, la gente normalmente hacía perforaciones en busca de agua y no de petróleo. En realidad, ¡se molestaban cuando accidentalmente encontraban petróleo porque contaminaba el agua! Los primeros pozos se perforaron para extraer agua y luego usarla para beber, lavar, regar y para salmuera, que se utiliza como una fuente de sal. Recién en el siglo XIX la perforación en busca de petróleo se convirtió en una práctica generalizada, dado que la industrialización aumentó la necesidad de productos derivados del petróleo.

Anteriormente la técnica de perforación con herramienta operada por cable consistía en dejar caer una pesada herramienta metálica y retirar la roca pulverizada con un contenedor tubular. Los chinos estaban relativamente avanzados en este arte y se les atribuye haber sido los pioneros en el uso intencional de fluidos en el proceso de perforación. En este caso el fluido era agua, que suavizaba la roca y, por lo tanto, facilitaba la penetración y ayudaba a eliminar los fragmentos de roca pulverizada conocidos como detritos. (Es importante extraer los detritos del pozo para que los trépanos de perforación estén libres para seguir perforando).

Los primeros pozos perforados por el método de rotación solo se usaban agua como fluido que al mezclarse con los sólidos de formación formaban el lodo. Si un pozo era demasiado espeso o pesado se le agregaba agua para adelgazarlo, y si la viscosidad era insuficiente se agregaba otro lodo de reserva para espesarlo. Cualquier problema en el lodo durante la perforación era solucionado agregando agua o lodo de reserva.

En 1901 HAGGEN Y POLLARD sugirieron que en pozos de gas debe llenarse el mismo cuando se saca la tubería a superficie para evitar un posible reventón. Definieron el término lodo nativo como la mezcla de agua con arcilla la cual permanece en suspensión por un tiempo considerable.

Las arcillas más usadas fueron de naturaleza GUMBO, despreciando a las arenas y arcillas duras, recomendando un 20% en peso de arcilla en agua.

En 1916 LEWIS Y MC-MURRAY definieron al lodo nativo como: “Una mezcla de agua con algún material arcilloso que pueda permanecer en suspensión por tiempo considerable que tenga una densidad de 1.05 a 1.1 gcc y que además debe ser delgado como el agua para evitar efectos negativos en algunas formaciones. Decían que un buen lodo debía ser capaz de sellar arenas de formación, además de evitar su lavado y contrarrestar las presiones del gas”

En 1921 STROUD fue encargado de encontrar un medio para aumentar la densidad para prevenir el descontrol de pozos de gas. Así surgió el óxido de hierro para preparar lechadas rápidas y bombeable de 15 a 18 lb/gal

En 1922 experimento con BARITA O BARITINA, material que presentaba ventajas sobre el óxido de hierro como ser alta gravedad específica, no es abrasivo, no es toxico pero se usó en gran escala recién para el año 1929, cuando se solucionó el problema de la viscosidad y Gel necesaria para suspender el material. La búsqueda de la solución al problema de gel y viscosidad dio lugar a varios aditivos que cumplan con el objetivo. Primero se desarrollaron compuestos de mezclas de aluminato de sodio y soda cáustica para luego en 1929 descubrir la ARCILLAS BENTONITICAS con ventajas superiores en dar viscosidad, gel y control de filtrado en la formación.

LA BARITINA: Básicamente es un Sulfato de Bario ( ) 4 SO Ba de gravedad específica 4.2 a 4.35 que es muy utilizado para dar densidad a los lodos, es un material inerte e insoluble en agua y aceite que puede ser usado en un amplio rango de concentración según sean las condiciones exigidas.

LA BENTONITA: Es el material más usado en la preparación de lodos base agua. Es una arcilla (sílico aluminato) que sirve para dar viscosidad y control de filtrado a loso lodos base agua fresca, su gravedad específica esta alrededor de 2.6. También las normas API rigen las especificaciones en cuanto a su rendimiento, molienda y contaminante.

A medida que los pozos se vuelven más profundos, los fluidos de perforación cobran mayor importancia; satisfacen distintas necesidades y resuelven una infinidad de problemas que varían según el lugar.

2. ¿Qué es un fluido de perforación?

Es una mezcla de un solvente (base) con aditivos o productos, que cumplen funciones físico-químicas específicas, de acuerdo a las necesidades operativas de una formación a perforar, que puede ser aire o gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite con diferente contenido de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales y además, estable a altas temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias.

El objetivo principal que se desea lograr con un fluido de perforación, es garantizar la seguridad y rapidez del proceso de perforación, mediante su tratamiento a medida que se profundizan las formaciones de altas presiones, la circulación de dicho fluido se inicia al comenzar la perforación y sólo debe interrumpirse al agregar cada tubo, o durante el tiempo que dure el viaje que se genere por el cambio de la mecha.

En el lenguaje de campo, también es llamado Barro o Lodo de Perforación, según la terminología más común en el lugar.

En la siguiente gráfica se puede visualizar el recorrido o ciclo del fluido durante la perforación de un pozo.

¿Qué es un lodo?

El lodo es una mezcla heterogénea de una fase continua (agua o aceite) con la fase que son los aditivos que se agregan y que pueden estar disueltos o dispersos en el medio continuo con la finalidad de darle al lodo propiedades adecuadas para que pueda cumplir funciones específicas en la perforación de pozos petroleros” Son varias las funciones, y para saber si un lodo está cumpliendo sus funciones, de este se miden sus propiedades que tienen que estar dentro de un rango de trabajo. Las propiedades físico-químicas que debe tener un lodo son medidas a través de una serie de instrumentos y métodos los cuales fueron diseñados paralelamente con el desarrollo de los fluidos y problemas presentados en los mismos en la perforación de pozos.

Principales funciones de los fluidos de perforación.

• Evacuar los recortes de Perforación: La remoción de los recortes (limpieza del pozo) depende del tamaño, forma y densidad de los recortes, unidos a la Velocidad de Penetración(ROP); de la rotación de la columna de perforación; y de la viscosidad, densidad y velocidad anular del fluido de perforación.

• Controlar las Presiones de la Formación: A medida que la presión de la formación aumenta, se aumenta la densidad del fluido de perforación para equilibrar las presiones y mantener la estabilidad de las paredes. Esto impide además, que los fluidos de formación fluyan hacia el pozo.

• Suspender y descargar los recortes: Los recortes de perforación que se sedimentan durante condiciones estáticas pueden causar puentes y rellenos, los cuales, por su parte, pueden producir el atascamiento de la tubería o la pérdida de circulación.

• Obturar las formaciones permeables: Los recortes de perforación que se sedimentan durante condiciones estáticas pueden causar puentes y rellenos, los cuales, por su parte, pueden producir el atascamiento de la tubería o la pérdida de circulación. Los sistemas de fluido de perforación deben estar diseñados para depositar sobre la formación un delgado revoque de baja permeabilidad con el fin de limitar la invasión de filtrado. Esto mejora la estabilidad del pozo y evita numerosos problemas de perforación. Si una formación está fracturada y/o fisurada, deben usarse materiales puenteantes.

• Mantener la estabilidad del pozo: La estabilidad del pozo constituye un equilibrio complejo de factores mecánicos (presión y esfuerzo) y químicos. La composición química y las propiedades del lodo deben combinarse para proporcionar un pozo estable hasta que se pueda introducir y cementar la tubería de revestimiento.

• Minimizar daños a la formación: La protección del yacimiento contra daños que podrían perjudicar la producción es muy importante. Cualquier reducción de la porosidad o permeabilidad natural de una formación productiva es considerada como daño a la formación. Estos daños pueden producirse como resultado dela obturación causada por el lodo o los sólidos de perforación, o de la interacciones químicas (lodo) y mecánicas (conjunto de perforación) con la formación.

• Enfriar, lubricar y alivianar la columna de perforación: La circulación del fluido de perforación enfría la barrena y el conjunto de perforación, alejando el calor de la fuente (fricción) y distribuyéndolo en todo el pozo. La circulación del fluido de perforación enfría la columna de perforación hasta temperaturas más bajas que la temperatura de fondo. Además de enfriar, el fluido de perforación lubrica la columna de perforación, reduciendo aún más el calor generado por fricción. A mayor densidad del lodo, menor será el peso de la sarta en el gancho.

• Transmitir energía hidráulica a herramientas y trépano: La energía hidráulica puede ser usada para maximizar la velocidad de penetración y/o alimentar los motores de fondo que hacen girar el trépano y las herramientas de Medición al Perforar. Los programas de hidráulica se basan en el dimensionamiento correcto de las boquillas del trépano para utilizar la potencia disponible (presión o energía) de la bomba a fin de maximizar la caída de presión en el trépano u optimizar la fuerza de impacto del jet sobre el fondo del pozo. Esto se limita por la potencia disponible de la bomba, las pérdidas de presión dentro de la columna de perforación, la presión superficial máxima permisible y el caudal óptimo.

• Asegurar una evaluación adecuada de la formación: la evaluación correcta de la formación es esencial para el éxito de la operación de perforación, especialmente durante la perforación exploratoria.

• Controlar la corrosión: Los componentes de la sarta de perforación en contacto con el fluido de perforación están propensos a varias formas de corrosión. Los gases disueltos tales como el O2, CO2 y H2S pueden causar graves problemas de corrosión, tanto en la superficie como en el fondo del pozo. En general, un pH bajo agrava la corrosión. Por lo tanto, una función importante del fluido de perforación es mantener la corrosión a un nivel aceptable. El fluido de perforación además no debería dañar los componentes de caucho o elastómeros. Cuando los fluidos de la formación y/o otras condiciones de fondo lo justifican, metales y elastómeros especiales deberían ser usados.

• Facilitar La Cementación y Completación: El fluido de perforación debe producir un pozo dentro del cual la tubería de revestimiento pueda ser introducida y cementada eficazmente, y que no dificulte las operaciones de completación. La cementación es crítica para el aislamiento eficaz de la zona y la completación exitosa del pozo. Durante la introducción de la tubería de revestimiento, el lodo debe permanecer fluido y minimizar el suabeo y pistoneo, de manera que no se produzca ninguna pérdida de circulación inducida

• Minimizar el Impacto sobre el Medio Ambiente: Con el tiempo, el fluido de perforación se convierte en un desecho y debe ser eliminado de conformidad con los reglamentos ambientales locales. Los fluidos de bajo impacto ambiental que pueden ser eliminados en la cercanía del pozo son los más deseables. La mayoría de los países han establecido reglamentos ambientales locales para los desechos de fluidos de perforación. Los fluidos a base de agua, a base de petróleo, anhidros y sintéticos están sujetos a diferentes consideraciones ambientales y no existe ningún conjunto único de características ambientales que sea aceptable para todas las ubicaciones. Esto se debe principalmente a las condiciones complejas y cambiantes que existen por todo el mundo, la ubicación y densidad de las poblaciones humanas, la situación geográfica local (costa afuera o en tierra), altos o bajos niveles de precipitación, la proximidad del sitio de eliminación respecto a las fuentes de agua superficiales y subterráneas, la fauna y flora local, y otras condiciones.

¿Cómo se realiza una propuesta de fluidos de perforación?

Este es un paso DETERMINANTE que permitirá llevar a cabo la perforación. Para ello, el ingeniero de Proyecto deberá manejar mínimamente los siguientes tres puntos principales:

• Formaciones a Perforar.

• Propiedades Físico-Químicas de las rocas.

• Espesor de las formaciones a atravesar.

• Propuesta de Perforación (Diámetros de pozo, CSG, etc.).

• Importancia del Proyecto (Objetivo: sumidero, gasífero,etc).

• Máxima información de Roca Reservorio.

• Información de pozos cercanos y/o antecedentes del área.

• Otros Fluidos de Perforación usados en proyectos similares.

3. Composición de los fluidos de perforación.

Según sea el requerimiento para las operaciones de perforación variaremos los componentes del lodo a utilizar. Los lodos a base de agua y arcilla están constituidos por las siguientes fases:

• Fase liquida: la componen los elementos que mantendrán en suspensión a los diferentes aditivos q constituyen las otras fases, estas generalmente pueden ser agua o emulsión.

• Fase inerte: integrada principalmente por barita, material que generalmente se utiliza para aumentar la densidad del lodo, también hay otras arenas, cortes, etc.

• Fase coloidal: está compuesta por arcilla, mineral que aparte de darle esas propiedades de gelatinosidad al fluido, le también un efecto coloidal.

• Fase química: está formada por iones y sustancias en solución que controlan el comportamiento de la arcilla. Dicha sustancia puede ser: emulsificante, controladores de filtrado, neutralizadores de pH, dispersantes, reductores de viscosidad, etc.

4. Relación entre funciones y propiedades del fluido.

a) Físicas.

PROPIEDAD DESCRIPCIÓN

Densidad o peso Es la propiedad del fluido que tiene por función principal mantener en sitio los fluidos de la formación. La densidad se expresa por lo general en lbs/gal, y es uno de los dos factores, de los cuales depende la presión hidrostática ejercida por la columna de fluido. Durante la perforación de un pozo se trata de mantener una presión hidrostática ligeramente mayor a la presión de la formación, para evitar en lo posible una arremetida, lo cual dependerá de las características de la formación.

Viscosidad API Es determinada con el Embudo Marsh, y sirve para comparar la fluidez de un líquido con la del agua. A la viscosidad embudo se le concede cierta importancia práctica aunque carece de base científica, y el único beneficio que aparentemente tiene, es el de suspender el ripio de formación en el espacio anular, cuando el flujo es laminar. Por esta razón, generalmente no se toma en consideración para el análisis riguroso de la tixotropía del fluido. Es recomendable evitar las altas viscosidades y perforar con la viscosidad embudo más baja posible, siempre y cuando, se tengan valores aceptables de fuerzas de gelatinización y un control sobre el filtrado. Un fluido contaminado exhibe alta viscosidad embudo.

Viscosidad plástica Es la viscosidad que resulta de la fricción mecánica entre: Sólidos y líquidos Líquido y líquidos Esta viscosidad depende de la concentración, tamaño y forma de los sólidos presentes en el fluido, y se controla con equipos mecánicos de Control de Sólidos. Este control es indispensable para mejorar el comportamiento reológico y sobre todo para obtener altas tasas de penetración (ROP). Una baja viscosidad plástica aunada a un alto punto cedente permite una limpieza efectiva del hoyo con alta tasa de penetración

Punto cedente Es una medida de la fuerza de atracción entre las partículas, bajo condiciones dinámicas o de flujo. Es la fuerza que ayuda a mantener el fluido una vez que entra en movimiento. El punto cedente está relacionado con la capacidad de limpieza del fluido en condiciones dinámicas, y generalmente sufre incremento por la acción de los contaminantes solubles como el carbonato, calcio, y por los sólidos reactivos de formación. Un fluido floculado exhibe altos valores de punto cedente.

La floculación se controla de acuerdo al causante que lo origina. Se usan adelgazantes químicos cuando es causada por excesos de sólidos arcillosos y agua cuando el fluido se deshidrata por altas temperaturas.

Resistencia o fuerza de gel Esta resistencia o fuerza de gel es una medida de la atracción física y electroquímica bajo condiciones estáticas. Está relacionada con la capacidad de suspensión del fluido y se controla, en la misma forma, como se controla el punto cedente, puesto que la origina el mismo tipo de sólido (reactivo). Las mediciones comunes de esta propiedad se toman a los diez segundos y a los diez minutos, pero pueden ser medidas para cualquier espacio de tiempo deseado. Esta fuerza debe ser lo suficientemente baja para: Permitir el asentamiento de los sólidos en los tanques de superficie, principalmente en la trampa de arena. Permitir buen rendimiento de las bombas y una adecuada velocidad de circulación Minimizar el efecto de succión cuando se saca la tubería Permitir el desprendimiento del gas incorporado al fluido, para facilitar el funcionamiento del desgasificador.

Filtrado API y a HP –HT (Alta presión –Alta temperatura) El filtrado indica la cantidad relativa de líquido que se filtra a través del revoque hacia las formaciones permeables, cuando el fluido es sometido a una presión diferencial. Esta característica es afectada por los siguientes factores: Presión Dispersión Temperatura Tiempo

Se mide en condiciones estáticas, a baja temperatura y presión para los fluidos base agua y a alta presión (HP) y alta temperatura (HT) para los fluidos base aceite.

Su control depende del tipo de formación. En formaciones permeables no productoras se controla desarrollando un revoque de calidad, lo cual es posible, si se tiene alta concentración y dispersión de sólidos arcillosos que son los verdaderos aditivos de control de filtración. Por ello, es práctica efectiva usar bentonita prehidratada para controlar el filtrado API.

pH El pH indica si el lodo es ácido o básico. La mayoría de los fluidos base acuosa son alcalinos y trabajan con un rango de pH entre 7.5 a 11.5. Cuando el pH varía de 7.5 a 9.5, el fluido es de bajo pH y cuando varía de 9.5 a 11.5, es de alto pH.

% Arena La arena es un sólido no reactivo indeseable de baja gravedad específica. El porcentaje de arena durante la perforación de un pozo debe mantenerse en el mínimo posible para evitar daños a los equipos de perforación. La arena es completamente abrasiva y causa daño considerable a las camisas de las bombas de lodo.

% Sólidos y líquidos El porcentaje de sólidos y líquidos se determina con una prueba de retorta. Los resultados obtenidos permiten conocer a través de un análisis de sólidos, el porcentaje de sólidos de alta y baja gravedad especifica. En los fluidos base agua, se pueden conocer los porcentajes de bentonita, arcilla de formación y sólidos no reactivos de formación, pero en los fluidos base aceite, no es posible conocer este tipo de información, porque resulta imposible hacerles una prueba de MBT.

b) Químicas.

PROPIEDAD DESCRIPCIÓN

Dureza Es causada por la cantidad de sales de calcio y magnesio disuelta en el agua o en el filtrado del lodo. El calcio por lo general, es un contaminante de los fluidos base de agua.

Cloruros Es la cantidad de iones de cloro presentes en el filtrado del lodo. Una alta concentración de cloruros causa efectos adversos en un fluido base de agua.

Alcalinidad La alcalinidad de una solución se puede definir como la concentración de iones solubles en agua que pueden neutralizar ácidos. Con los datos obtenidos de la prueba de alcalinidad se pueden estimar la concentración de iones OH– CO3 = y HCO3 –, presentes en el fluido.

MBT (Methylene Blue Test)

Es una medida de la concentración total de sólidos arcillosos que contiene el fluido.

5. Cálculos generales.

REVISION DE TANQUES y CAPACIDADES.

La revisión constante de los volúmenes en cada uno de los tanques es responsabilidad vital de los Ingenieros de Lodos. Ya que con ello monitorean la funcionabilidad del circuito cerrado, identificando cualquier situación que conduzca a problemas con el fluido (pérdida de circulación, por ejemplo) y responder a tal situación de la manera correcta.

El ingeniero de Fluidos por lo general emplea una serie de fórmulas para estimar el comportamiento teórico de cada desplazamiento. Entre las fórmulas mas empleadas están:

TANQUES RECTANGULARES:

V = L (pies) x W (pies) x h (pies) / (5,61 bls/ft3)

Donde L es la longitud, w el ancho y h la altura del tanque. Todas estas medidas están en pies, y para transformar los pies cúbicos en barriles dividimos entre la constante 5,61.

REVISION DE PARAMETROS DE LODO.

Para monitorear el comportamiento del lodo siempre es bueno hacerle un seguimiento o revisión a sus parámetros de manera constante y continua, y así detectar si el lodo está cumpliendo con las propiedades del plan. Generalmente el Ingeniero de Lodos coordina tres pruebas diarias: 4:00 am , 12:00 pm y 8:00 pm.

En cada una de ellas se revisan una serie de propiedades de acuerdo al tipo de lodo que se está preparando y si es base Aceite o base Agua. En los lodos base agua los parámetros a revisar son la densidad o peso, la Viscosidad de Embudo, filtrado API, Propiedades Reológicas, pH, y los Porcentajes de Arena, Agua, Aceite y sólidos.

La densidad se determina a través de una Balanza de Lodo, que brinda lecturas en lbs/gal y en lbs/pie3. Llenando la tasa de la balanza con lodo y tapándola se expulsa el exceso de fluido mediante un orificio, que luego es tapado con el dedo. Se coloca la balanza sobre el soporte y se va arrimando el cursor hasta que la balanza se estabilice y el “ojo de pescado” o burbuja niveladora esté en el centro.

Para la Viscosidad se emplea un embudo de Marsh, en donde se agrega lodo y se calcula el tiempo en que se desplaza un cuarto de galón (946 cc.) . Por esta razón, este parámetro se mide en unidades de seg/qt. Es decir, segundos por cuarto de galón.

La reología se determina a través de un viscosímetro de lectura directa, en el cual se miden las lecturas de 600 RPM, 300 RPM, 6 RPM y 3 RPM. Con estos datos podemos encontrar las siguientes propiedades reológicas:

- Viscosidad Plástica, expresada en centipoise (cp): se obtiene de Lect 600 RPM – Lect, 300 RPM.

- Punto Cedente, expresado en libras por cada 100 pies cuadrados (lbs/100 ft2): se obtiene de Lectura de 300 RPM – Viscosidad Plástica.

- Fuerza de Gel: se corre a 3 RPM.

- Viscosidad Aparente, expresada en cp, que se obtiene de dividir la lectura de 600 RPM entre 2.

Las otras propiedades físico-químicas que se revisan son:

- Filtrado API, mediante un Filtro Prensa.

- pH: empleando un pHmetro digital, solución Buffer y agua ionizada.

- Porcentaje de arena.

- % de Sólidos y Líquidos: empleando el instrumento llamado retorta

- Dureza.

- Alcalinidad del Filtrado (Pf).

- Alcalinidad del Filtrado (Mf).

- Alcalinidad del Lodo (Pm).

- MBT (Prueba de azul de Metileno).

Laboratorio de preparación de lodos.

Cálculos de presión de bombas, camisas, diámetros de hoyos.

Es muy importante para los Ingenieros de Lodo conocer y manejar los cálculos que permitan conocer las presiones de las bombas y del diámetro del hoyo perforado para tener un estimado del galonaje y el volumen que se requiera preparar de lodo. Entre las fórmulas empleadas para estos cálculos, están:

VOLUMEN EN HOYO ABIERTO

V= ID¨2/1029,4

Donde ID es el diámetro Interno del hoyo y 1029,4 es una constante que permite convertir las pulgadas cuadradas (in2) x pie a Barriles.

VOLUMEN EN REVESTIDOR SIN TUBERIA

V= (ID¨2 x L)/1029,4

En donde L es la longitud del revestidor.

VOLUMEN EN EL ESPACIO ANULAR.

V= (OD¨2 -ID¨2) x L/1029,4

Donde OD es el Diámetro externo del hoyo, también expresado en pulgadas.

DESPLAZAMIENTO DE BOMBAS

DUPLEX:

Fpd = 0.0068*(2dt2 – dr2)*(Ls)*Ev

TRIPLEX:

Fpt = 0.000243*(D2 )*(Ls)*Ev

En donde:

Fpd= Desplazamiento volumétrico de la bomba duplex (gal/emb)

Fpt = Desplazamiento volumétrico de la bomba triplex (gal/emb)

dt = Diámetro del pistón (pg)

dr = Diámetro del vástago (pg)

Ls = Longitud de la camisa (pg)

Ev = Eficiencia volumétrica (adimensional)

CALCULO DE HIDRAULICAS.

Una vez que se han determinado las propiedades reológicas del lodo y estimado su comportamiento, se hacen cálculos de hidráulica para determinar el efecto que tendrá el lodo en un sistema de presiones. De esta manera se balancea el control del pozo, la limpieza del hoyo, la presión de la bomba, el ECD (Densidad Equivalente de Circulación) y las pérdidas de presión debidas a la mecha.

De esta forma, los ingenieros de Lodos hacen cálculos de Hidráulica para determinar la velocidad de flujo en la tubería y en el espacio anular del hoyo. Ello se obtiene mediante el empleo de las siguientes ecuaciones:

Velocidad promedio en Tubería.

Vp= 24,48 x Q / D2

Donde:

Vp = es la velocidad en Tubería expresa en Pies por Minuto.

Q = es el caudal, expresado en Galones por minuto (gpm).

D = es el diámetro de la tubería expresado en pulgadas.

24,48 = es una constante que nos permite convertir las unidades involucradas a

pie/minuto.

Velocidad Promedio en Espacio Anular.

Va = 24,48 x Q / (D22 – D12)

Donde D2 es el diámetro externo y D1 el interno.

Otros cálculos de Hidraulica lo conforman el Numero de Reynolds, que permite

identificar si el comportamiento de fluido es laminar o turbulento, la velocidad crítica, que es la que tiene lugar cuando se está pasando de flujo laminar a turbulento, y las

pérdidas de presión.

6. Hidráulica de la perforación.

La hidráulica es la parte de la mecánica de los fluidos que se dedica al estudio de las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y se aplica a la resolución de los problemas planteados por la utilización de éstos. La hidráulica es uno de los factores más importantes en la perforación de cualquier pozo petrolero, ya que, el fluido circulado por las bombas del taladro a través del equipo de superficie, de la sarta de perforación y del espacio anular, es usado para limpiar continuamente la mecha y el hoyo cuando son generados los cortes y ayuda a fragmentar la formación, además de ser densificado para controlar la presión de ésta y mantener un hoyo estable. En este sentido, si no hay hidráulica no es posible perforar un pozo.

Una vez que son establecidas la densidad y las propiedades reológicas del fluido de perforación conforme con las características de la formación, se realizan los cálculos de la hidráulica con el fin de conocer la caída de presión en el sistema de circulación y en cada uno de sus componentes, el perfil de la velocidad anular, de la velocidad crítica y del caudal crítico, y la fuerza de impacto y la potencia hidráulica, que son los parámetros que deben ser optimizados para alcanzar una velocidad de penetración aceptable. Por otra parte, la pérdida total de presión en el sistema de circulación es calculada teniendo en cuenta la presión máxima permisible de funcionamiento de las bombas, que depende del diseño de las mismas y de las dimensiones del equipo de superficie, formado por la tubería vertical (stand pipe), la manguera (hose), la unión giratoria (swivel) y el cuadrante (kelly). Por tanto, la capacidad máxima de trabajo de las bombas influye mayormente en la planificación del caudal de operación, de las propiedades físicas del fluido y de la configuración de la sarta.

Parámetros que indican el comportamiento de la hidráulica de perforación.

Con el propósito de estudiar completamente la hidráulica de perforación, serán descritos los parámetros como el caudal, la presión medida en la tubería vertical, la velocidad anular, la velocidad en los chorros, la caída de presión en la mecha, la potencia hidráulica, la potencia hidráulica por pulgada cuadrada y la fuerza de impacto.

Caudal: El volumen de fluido a bombear por unidad de tiempo es influenciado por el diseño de la sarta de perforación, las propiedades reológicas y la densidad del fluido necesaria para el control de la presión de la formación. Cabe indicar que en muchos casos las herramientas del ensamblaje de fondo como el motor de desplazamiento positivo, el motor tipo turbina y los instrumentos de medición MWD y LWD, necesitan el bombeo de un caudal mínimo para funcionar correctamente.

Presión medida en la tubería vertical: La presión en la tubería vertical es determinada por la capacidad máxima de presión de las bombas, por lo que ésta es una condición del equipo de superficie. Mientras mayor es la profundidad del hoyo, más alta es la presión medida en la tubería vertical, de forma que este parámetro afecta los que serán explicados seguidamente.

Velocidad anular: La velocidad anular es imprescindible para transportar los recortes producidos por la mecha desde el fondo hasta la superficie. Si la velocidad anular es relativamente baja, los cortes no serán desplazados eficientemente y se acumularán en el anular, creando una obstrucción dentro del hoyo que luego restringiría la circulación del fluido y podría causar el atascamiento de la tubería. Por el contrario, si la velocidad anular es demasiado alta, hay la probabilidad de que el fluido erosione la pared del hoyo, por lo cual en éste habría una acumulación de los fragmentos de la formación y se requeriría un mayor volumen de cemento para cubrirlo.

La velocidad anular puede ser calculada a través de la ecuación siguiente:

Donde

Va = Velocidad Anular, en pies /minuto ó ft/min

Q = Tasa de Flujo, en Galones por Minuto ó GPM

Dh = Diámetro del Hoyo, en pulgadas

Dp = Diámetro Externo de la Tubería, en pulgadas

Comportamiento del fluido de perforación en el espacio anular.

Velocidad en los chorros de la mecha: La velocidad del fluido a través de cada uno de los chorros es necesaria para limpiar continuamente la mecha y contribuir con la remoción de los recortes de la roca. Para una formación blanda y problemática, más crítica es la velocidad en los chorros, parámetro que es determinado mediante la siguiente ecuación:

Dónde:

Ach: suma de las áreas de los chorros en pulgadas cuadradas (área total de flujo).

Vch: velocidad en los chorros en pies por segundo.

Potencia hidráulica: La potencia hidráulica es el número de caballos de fuerza con el cual el fluido sale a través de los chorros, para garantizar que los cortes sean retirados del fondo del hoyo.

La potencia hidráulica se calcula con la siguiente ecuación:

Dónde:

Ph: potencia hidráulica en caballos de fuerza

Sistemas de circulación y pérdidas de presión

Sistema de Circulación El sistema de circulación de un pozo de perforación consta de varios componentes o intervalos, cada uno de los cuales está sujeto a una caída de presión específica. La suma de las caídas de presión de estos intervalos es igual a la pérdida total de presión del sistema o a la presión medida del tubo vertical.

Sistema de circulación de un pozo

• Pérdidas de Presión en Superficie: Las pérdidas de presión superficiales incluyen las pérdidas entre el manómetro del tubo vertical y la tubería de perforación. Esto incluye el tubo vertical, la manguera del kelly, la unión giratoria y el kelly o la rotaria viajera. Para calcular la pérdida de presión en las conexiones superficiales, utilizar la fórmula para tuberías de API para la pérdida depresión en la tubería de perforación.

• Perdidas de presión en Sarta de Perforación: La pérdida de presión en la sarta de perforación es igual a la suma de las pérdidas de presión en todos los intervalos de la sarta de perforación, incluyendo la tubería de perforación (Drill Pipe), las botellas (Drill Collar), los motores de fondo, las herramientas de MWD/LWD/PWD o cualquier otra herramienta de fondo. La pérdida de presión a través de las herramientas de MWD y LWD varía considerablemente según el peso del lodo, las propiedades del lodo, el caudal, el diseño de la herramienta, el tamaño de la herramienta y la velocidad de transmisión de datos. La pérdida de presión a través de los motores y las turbinas no se puede determinar con precisión usando fórmulas; sin embargo, estos datos de pérdida de presión también pueden ser obtenidos de los proveedores.

• Pérdida de Presión en la mecha: El diferencial de presión con el cual el fluido es expulsado a través de los chorros es denominado caída de presión en la mecha, parámetro mediante el cual son removidos los cortes producidos debajo de esta herramienta para mantener una velocidad de penetración óptima.

La caída de presión en la mecha se calcula a través de la ecuación siguiente:

Dónde:

Df: densidad del fluido en libras masa por galón.

Pm:

caída de presión en la mecha en libras fuerza por pulgada cuadrada

• Perdida de Presión en el Espacio Anular La pérdida de presión para cada intervalo debe ser calculada separadamente y sumada para obtener la pérdida total de presión total del intervalo anular.

• Densidad equivalente de circulación (ECD): La presión en una formación durante la circulación es igual al total de las pérdidas de presión de circulación anular desde el punto de interés hasta el niple de campana, más la presión hidrostática del fluido. Esta fuerza se expresa como la densidad del lodo que ejercería una presión hidrostática equivalente a esta presión. Este peso equivalente del lodo se llama Densidad Equivalente de Circulación (ECD).

Calculo de la densidad equivalente de circulación

Análisis hidráulico.

Según Baker Hughes (2005), el objetivo del análisis hidráulico es el de evaluar los efectos de la viscosidad del fluido de perforación en ciertos parámetros críticos

Considerando lo siguiente:

 Las propiedades reológicas del fluido de perforación afectan directamente las caídas de presión en el sistema de circulación.

 Se hace necesario que el modelo reológico describa adecuadamente el comportamiento del fluido para garantizar un análisis hidráulico preciso.

 Estudiar las caídas de presión en el sistema de circulación permite realizar ajustes de los parámetros de perforación.

 La máxima presión admisible por el equipo de perforación limitará el caudal que puede ser manejado durante la perforación.

Aplicaciones para la optimización de la hidráulica de perforación.

Según Baker Hughes (2005), se puede optimizar la hidráulica de perforación con los siguientes pasos:

 Determinar las pérdidas de presión en el anular para establecer la densidad equivalente de circulación ECD.

 Evaluar los efectos de los cambios del fluido sobre el desempeño hidráulico del sistema.

 Optimizar la hidráulica para un mejor desempeño de la perforación (Por ejemplo: Una mayor ROP).

 Asegurar una buena limpieza del hoyo.

 Evitar la erosión del hoyo debido al flujo turbulento en el espacio anular.

 Evitar la inestabilidad del hoyo y problemas para el control de la presión, debido efectos de succión (Suabeo).

 Evitar pérdidas de circulación al correr la tubería en el hoyo muy rápidamente (Presiones de sugerencia).

7. Reología de los Fluidos de Perforación

La reología es la ciencia que estudia la capacidad y comportamiento del flujo de fluidos. Se define flujo como el movimiento de un fluido, entendiéndose por fluido cualquier sustancia que se deforma constantemente cuando es sometida a esfuerzos

8. Factores que Afectan la Reología

• Temperatura

La reología de un lodo depende de la temperatura. Si por ejemplo un lodo lignosulfonato se ensaya en un viscosímetro a 90º F y luego se calienta y se le vuelve a ensayar a 120º F, se obtendrán resultados marcadamente diferentes. Generalmente, la viscosidad decrece a medida que aumenta la temperatura.

Hay sus excepciones en caso de altas temperaturas, como ocurre con los algunos lodos de calcio en los cuales a unos 300˚ F empieza a producirse gelificación y aun cementación.

• Presión.

La presión ejerce poco efecto sobre la reología de los lodos base agua, pero puede afectar significativamente la reología de lodos base aceite. Hay instrumentos de laboratorio que pueden medir la reología de los lodos bajo diversa condiciones de temperatura y presión

• Tiempo

La reología de un lodo depende de un tiempo. Es como si el lodo recordara las velocidades de corte que ha experimentado en el pasado y permitiera que su tensión de corte a la velocidad de corte actual sea influida parcialmente por esa memoria

CONCLUSION

Para el desarrollo armónico de la perforación de pozos petroleros, se debe tener un entendimiento muy grande del comportamiento de estos, porque en ellos tenemos la columna vertebral del programa de perforación, ya que sin este elemento no sería posible desarrollar el mismo.

De las funciones de los fluidos de perforación, tenemos que las principales funciones de los fluidos de perforación incluyen suministrar la presión hidrostática para evitar que los fluidos de las formaciones entren al recinto del pozo; mantener la barrena fría y limpia durante la perforación; acarrear el ripio (cortes de perforación) y mantenerlo en suspensión cuando se detiene la operación y cuando el conjunto de perforación se mete y saca del pozo. El fluido de perforación usado en una tarea particular se escoge para evitar daños a la formación productora y limitar la corrosión. El objetivo principal que se desea lograr con un fluido de perforación, es garantizar la seguridad y rapidez del proceso de perforación, mediante su tratamiento a medida que se profundizan las formaciones de altas presione

Los fluidos de perforación son una pieza clave en la viabilidad económica del desarrollo en todas sus etapas de un pozo petrolero, ya que con la selección adecuada de los mismos podremos mantener los costos mínimos del proyecto. Así como el análisis inadecuado y selección errónea de estos nos puede traer consecuencias y daños catastróficos poniendo en peligro la integridad física de los trabajadores y un daño al ecosistema circundante

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