ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN
ibrahin6724 de Junio de 2011
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Dyna, Año 73, Nro. 150, pp. 5-19. Medellín, Noviembre de 2006. ISSN 0012-7353
ANÁLISIS DE LA HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN CON
REVESTIMIENTO
ANALISYS OF CASING DRILLING’S HYDRAULIC
CLAUDIA MARCELA RENGIFO ABADIA
Ingeniera de Petróleos, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín
cmrengif@unalmed.edu.co
JUAN MANUEL ARROYAVE ZULUAGA
Ingeniero de Petróleos, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín
jmarroya@unalmed.edu.co
CARLOS MARIO SIERRA RESTREPO
Ingeniero de Petróleos, Profesor Asociado Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín
cmsierra@unalmed.edu.co
Recibido para revisar 3 de Octubre de 2005, aceptado 13 de Marzo de 2006, versión final 2 de Mayo de 2006
RESUMEN: En este estudio se presentan los modelos para calcular las pérdidas de presión por fricción en anulares
para la perforación con revestimiento en los que se incluye el modelo convencional y los desarrollados por Díaz [1] y
Wei [2] con los cuales se pretende mostrar el efecto de parámetros como la geometría del pozo, la rotación y la
excentricidad sobre la hidráulica de este tipo de perforación. Previo a la presentación de los modelos se muestran los
conceptos básicos y el ensamblaje de fondo usados en esta técnica. Para estudiar estos modelos se realiza una
aplicación en Visual Fortran 6.0 y se construyen gráficos que permiten analizar los conceptos planteados en la teoría y
observar como afectan las condiciones de perforación el diseño hidráulico.
PALABRAS CLAVE: Perforación con revestimiento, Flujo helicoidal, Rotación, Excentricidad, Hidráulica, Pérdidas
de presión anulares.
ABSTRACT: In this study some models for calculating the annular pressure losses in casing drilling are presented. The
conventional one as well as a model developed by Wei and Diaz are included. The models try to show the effect of
some parameters such as well geometry, eccentricity and rotation on the hydraulics of this type of drilling. Before the
exposition of the models, the basic concepts and the Bottom Hole Assembly used by the technique are presented. In
order to study these models a Visual Fortran 6.0 routine was made. Additionally, some graphs, allowing to analyze the
theoretical concepts and to observe the effect of drilling conditions on the hydraulic design, were constructed.
KEYWORDS: Casing Drilling, Flow helical, Rotation, Eccentricity, Hydraulic, Annular losses of pressure.
1. INTRODUCCIÓN
La perforación con revestimiento es una tecnología
emergente que permite perforar y revestir de forma
simultánea. La sarta de revestimiento se usa para
transmitir energía mecánica e hidráulica a la broca
y el pozo se perfora por la rotación de ésta o se usa
un motor de fondo.
Al perforar con revestimiento la geometría de la
trayectoria del fluido es diferente a la que se tiene
en la perforación convencional, por dentro del
revestimiento no se tienen restricciones y las
pérdidas de presión son muy pocas. Por el
contrario, el anular ofrece mayor restricción al flujo
y las pérdidas de presión son más altas que las que
se dan en anulares convencionales.
En este trabajo se presentan los principios de este
tipo de perforación partiendo de conceptos básicos
Rengifo et al
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de la perforación convencional y teniendo en
cuenta dos parámetros importantes en la
perforación de pozos estrechos: la rotación de la
sarta y la excentricidad de la tubería en el hueco.
Combinando todo esto se llega a predecir la
hidráulica de la perforación con revestimiento para
visualizar las diferencias en las pérdidas de presión
debidas a estos factores.
El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de
la hidráulica de los fluidos en la perforación con
revestimiento teniendo en cuenta factores
particulares que afectan la presión de circulación en
el fondo del pozo.
En general, los resultados encontrados muestran un
mayor efecto de la excentricidad que de la rotación,
tanto sobre el cálculo de las pérdidas de presión
anulares como del área total óptima de boquillas.
2. LA PERFORACIÓN CON
REVESTIMIENTO
La compañía Canadiense Tesco Corp [3] ha
propuesto una nueva tecnología que usa
componentes de la perforación convencional para
perforar y revestir de forma simultánea,
denominada como perforación con revestimiento
(“Casing Drilling”). Gracias a ella se logra reducir
el tiempo en viajes de tubería, se disminuyen los
eventos no programados y se genera así una
disminución de costos.
Sarta de revestimiento-ensamblaje de fondo
de pozo
En la parte inferior de la sarta se encuentran
conectadas las herramientas de fondo y accesorios
necesarios para desarrollar este tipo de perforación,
todas se diseñan para que el proceso sea eficiente
en tiempo y costos. En la Figura 1 se ilustra la
configuración de este sistema el cual se compone
de dos cuerpos principales que se acoplan el uno en
el otro.
3. MODELOS PARA CALCULAR LAS
PÉRDIDAS DE PRESIÓN
Existen varios modelos para calcular las pérdidas
de presión cuando se perfora con revestimiento.
Algunos se basan en el análisis hidráulico
convencional mientras otros tienen en cuenta
efectos adicionales como la excentricidad y la
rotación de la tubería [1,2,5,6,7,8].
3.1 Modelo Convencional [3]
Se basa en la teoría que se aplica en la perforación
tradicional. En general, no se considera la rotación
de la tubería, se asume tubería concéntrica en el
hueco y se desprecian las variaciones de
temperatura a lo largo del pozo. Este modelo tiene
dos vías para determinar las pérdidas de presión;
usar el modelo reológico Ley de Potencia o el
Plástico de Bingham. La Tabla A.1 presenta las
ecuaciones que se usan bajo esta perspectiva.
Figura 1. Ensamblaje de fondo de pozo para la
perforación con revestimiento [3].
Figure 1. Bottom Hole Assembly in Casing Drilling.
3.2 Modelo de Luo y Peden [8]
Utiliza ecuaciones dimensionales para calcular
parámetros como viscosidad aparente, velocidad
angular y axial, tasa de flujo y gradiente de
presión. Además introduce tres parámetros
adimensionales: velocidad de rotación de la tubería,
índice de comportamiento de flujo y la relación de
diámetros anulares. Estos se usan para calcular el
efecto de la rotación sobre las pérdidas de presión
en anulares concéntricos.
El modelo parte del supuesto de que el
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revestimiento rota a una velocidad angular ω 1
mientras que el tubo exterior (pozo) se mantiene
estacionario. El fluido se comporta según el modelo
ley de potencia y fluye a través del anular por la
acción de un gradiente de presión constante Pg en
dirección axial. Para determinar este gradiente se
requiere de los parámetros dimensionales y
adimensionales mencionados, y definidos en las
ecuaciones A.22 a A.34.
3.3 Modelo de Wei [2]
Se basa en los parámetros reológicos del modelo
Ley de potencia y calcula las pérdidas de presión en
anulares en los que se considera el efecto
combinado de la rotación y la excentricidad de la
sarta.
Wei extiende la aproximación de Luo y Peden [8] a
configuraciones excéntricas. La extensión se hace
posible al considerar el flujo helicoidal en infinitos
anulares concéntricos que tienen un radio interior
constante y un radio exterior variable.
La Figura 2 ilustra la aproximación. La cara del
pozo tiene un radio r2 con centro en o2 y una tubería
de radio r1 con centro en o1. Para hallar la
distribución de velocidad en anulares concéntricos
se requiere conocer un gradiente de presión,
propiedades reológicas del fluido (valores de índice
de consistencia, k e índice de comportamiento de
flujo, n) y parámetros geométricos del pozo (r1 y
r2).
Figura 2. Ilustración de la aproximación de flujo
helicoidal en configuraciones excéntricas [2].
Figure 2. Illustration of the approach of helical flow in
an eccentric annulus.
Al usar la aproximación de Luo y Peden [8], la
distribución de velocidad en un anular excéntrico a
lo largo de un radio con dirección dada por el
ángulo 1 θ , se aproxima a la distribución de
velocidad de un anular concéntrico con radio
interno r1 y radio externo re( 1 θ )tal como se muestra
en la Figura 2.
La Figura 3a muestra el flujo helicoidal en una
configuración excéntrica, donde r1 es el radio
interior, r2 es el radio exterior y δ es el
desplazamiento del eje de la tubería interior con
respecto al eje de la tubería exterior. Tomando o1,
centro de la tubería interna como el origen del
sistema
...