Hidraulica De Perforacion

Introducción a la Hidráulica de Perforación

La Hidráulica de perforación influye directamente en el desarrollo de las operaciones y en este artículo presentaremos los principios básicos de la Hidráulica de Perforación.

SISTEMA DE CIRCULACIÓN DEL TALADRO

Generalmente, el sistema de circulación del Taladro esta compuesto por las Bombas de Lodo las cuales proporcionan el Fluido de perforación desde los tanques hasta los manguerotes y líneas de circulación, de donde llegará al fondo del pozo a través de la tubería. El Lodo se traslada a través de la mecha hacia el espacio anular. regresando finalmente a superficie por los Equipos de control de sólidos a los Tanques, como lo muestra el siguiente diagrama:

PERDIDAS DE PRESIÓN POR FRICCIÓN

La caída de presión por fricción es una pérdida de presión creada cuando el lodo de perforación pasa a través de una trayectoria de flujo. La caída de presión por fricción afecta a la presión de Bomba debido a que a mayor perdida friccional de presión, mayor presión de bomba se requiere para mantener la tasa de bombeo .

Los parámetros que afectan la Pérdida de Presión por Fricción son los que se presentan a continuación:

• Diámetro Interno de la Tubería de Perforación (DP), Portamechas (DC) y Tubería Pesada (HWDP).

• Herramientas de Fondo, como Motor de Fondo, RSS (Sistema de Navegación Rotatoria), Herramientas MWD/LWD, entre otros.

• Longitud de la Tubería de Perforación (DP), Portamechas (DC) y Tubería Pesada (HWDP).

• Propiedades del Fluido de Perforación – Peso del Lodo, Propiedades reologicas (Viscosidad Plástica / Punto Cedente)

• Diámetro del Hoyo

• Longitud del Pozo

• Diámetro Interno del revestidor anterior. ¡

• Area de Flujo en la Mecha (TFA)

• Tasa de Flujo (Galonaje)

Para entender mayor esto, el diagrama siguiente muestra las pérdidas de presión por fricción durante una operación de Perforación-

VENTAJAS DE LA HIDRÁULICA DE PERFORACIÓN

• Optimiza el desarrollo de la perforación, sobre todo en la ROP.

• Mejora la Limpieza del Hoyo

• Busca estabilizar el hoyo

• Refrescar y lubricar la mecha de perforación

• Transmitir información desde el fondo telemétricamente a través de las Herramientas (MWD/LWD)

• Proveer de presión adicional a la Presión Hidrostática, es decir, la llamada densidad Equivalente de Circulación (ECD)

HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN: La hidráulica en la perforación de pozos se refiere a la interrelación de los efectos de viscosidad, tasa de flujo y presión de circulación sobre el comportamiento eficiente del fluido de perforación. La determinación de la presión mientras se circula un fluido en un pozo, a una tasa dada, es muy compleja debido a que la mayoría de los fluidos utilizados para perforar son no newtonianos, lo que hace que el tratamiento matemático del problema sea muy difícil de formular.

A pesar de ello los cálculos de las presiones en el sistema de circulación son importantes y esenciales para determinar los requerimientos operacionales de la bomba, la tasa de flujo óptima y los diámetros óptimos de los orificios de la mecha que generan una tasa de perforación máxima. La Reología e hidráulica de fluidos son términos de ingeniería que describen el comportamiento de fluidos en movimiento.

HERRAMIENTAS BÁSICAS:

1. Sistema de circulación

2. Bombas de perforación

3. Reologia.

4. Fluidos de perforación.

5. Regímenes de flujo.

6. Modelos reológicos.

7. Pérdidas de presión en el sistema de circulación.

1. SISTEMA DE CIRCULACIÓN: En la perforación de los pozos por el método rotatorio se circula un fluido a través de un sistema que se conoce con el nombre de sistema de circulación, donde dicho sistema, tiene que diseñarse para remover los recortes con eficiencia y también para enfriar la cara de la barrena. Estos requerimientos pueden satisfacerse al aument

ar el caudal o gasto de la bomba, sin embargo, el incremento en la velocidad de bombeo del fluido (gasto) puede causar una erosión excesiva de la cara y una falla prematura de la barrena. Este sistema de circulación está Constituido por las siguientes partes:

2. BOMBAS DE PERFORACIÓN: Las bombas se utilizan para transmitir al fluido la energía necesaria para vencer las pérdidas de presión por fricción en cada parte del sistema. Las bombas para perforar son de pistón0, que pueden ser dobles o triples. Además las bombas se identifican por su capacidad y características de operación tales como:

- Presión máxima de operación, lpc.

- Potencia máxima permisible, Hp.

- Longitud de la embolada, pulg.

- Diámetro de vástago, pulg.

- Emboladas máximas y mínimas recomendadas por unidad de tiempo, Epm.

3. REOLOGIA: Es la ciencia que estudia el comportamiento de flujo de un fluido cuando circula a través de una tubería u otro conducto. Esta se realiza estableciendo la relación existente en el esfuerzo de corte y la tasa o velocidad de corte. Estas son propiedades físicas abstractas que están relacionados con los procesos de deformación de un fluido al estar en movimiento.

4. FLUIDOS DE PERFORACIÓN: a continuación se presentan los distintos comportamientos de cada uno de los fluidos.

5. REGIMENES DE FLUJO: son patrones de comportamiento de las características del movimiento de un fluido a través de una tubería o un anular. Considerando el número

adimensional de reynodls el régimen de flujo se clasifica de la siguiente forma:

- Flujo tapón o de transición: NR [pic] 100.

- Flujo laminar: 100 [pic] NR [pic] 2100.

- Flujo turbulento: NR [pic] 2100.

El flujo laminar: este tiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte en que las capas de fluido pasan unas junto a otras en forma ordenada. Este movimiento es paralelo a las paredes del cauce a través del cual se mueve el fluido. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es menor en este tipo de flujo. Los parámetros reológicos del lodo son importantes para el cálculo de las pérdidas de presión por fricción en lodos de flujo laminar.

El flujo turbulento: este se produce a altos índices de cizallamiento, cuando el fluido se mueve en forma caótica. En flujo turbulento las partículas son arrastradas por giros al azar y remolinos de corriente. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es mayor para este tipo de flujo. Los parámetros reológicos no son de gran significación en el cálculo de las pérdidas de presión friccional para lodos en flujo turbulento.

Tiene lugar flujo transicional: cuando el flujo cambia de flujo laminar a flujo turbulento o viceversa. La velocidad crítica de un fluido es la velocidad particular a la cual el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa.

Características de cada patrón de flujo:

[pic]

6. MODELOS REOLOGICOS: Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfue

zo de corte y la velocidad de corte. La ley de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidos newtonianos. También se llama modelo newtoniano. Sin embargo, como la mayoría de los fluidos de perforación son fluidos no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo. En realidad, como no existe ningún modelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidos de perforación, numerosos modelos han sido desarrollados para describir el comportamiento de flujo de los fluidos no newtonianos.

Además los modelos reologicos son aproximaciones matemáticas del comportamiento real de un fluido en régimen de flujo laminar. Un buen modelo reologico debe cumplir los siguientes requisitos:

- Aproximarse estrechamente a la relación verdadera entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte.

- Basarse en mediciones que puedan realizarse en el campo en forma rutinaria.

- Ser suficientemente simple, de modo que los cálculos y las inferencias que se basen ele el puedan aplicarse en el campo.

Así como también ayudan a predecir el comportamiento de los fluidos sobre una amplia escala de velocidades de corte. La mayoría de los fluidos de perforación son fluidos seudoplásticos no newtonianos. Los más importantes modelos reológicos aplicables a ellos son:

1. Modelo de Bingham

2. Modelo de la ley de la potencia

3. Modelo de Herschel-Bulkley (punto cedente-ley de la potencia [MHB])

A continuación se proporciona una descripción de los modelos de Flujo Plástico de Bingham, de Ley Exponencial y de Ley Exponencial Modificada. El uso de estos modelos requiere medidas del esfuerzo de corte a dos o más velocidades de corte. A partir de estas medidas, se puede calcular el esfuerzo de corte a cualquier otra velocidad de corte.

[pic]

Figura 9-1: Comparación de los comportamientos del fluido. Este gráfico muestra que los modelos de fluido de Bingham, ley de la potencia y newtoniano no predicen el mismo comportamiento que un fluido de perforación típico.

Cada pozo es único, por lo tanto es importante que estas propiedades sean controladas respecto a los requisitos para un pozo en particular y del fluido que se está usando. Las propiedades reológicas de un fluido pueden afectar negativamente un aspecto, al mismo tiempo que producen un impacto positivo importante sobre otro. Por lo tanto se debe lograr un equilibrio para maximizar la limpieza del pozo, minimizar las presiones de bombeo y evitar los influjos de fluidos o de la formación, además de impedir la pérdida de circulación hacia la formación que se está perforando.

La reología y la hidráulica son estudios del comportamiento del fluido que están relacionados entre sí. La reología es el estudio de la manera en que la materia se deforma y fluye. Se trata de una disciplina que analiza principalmente la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, y el impacto que éstos tienen sobre las características de flujo dentro de los materiales tubulares y los espacios anulares. La hidráulica describe la manera en que el flujo de fluido crea y utiliza las presiones. En los fluidos de perforación, el comportamiento de flujo del fluido debe ser descrito usando modelos reológicos y ecuaciones, antes de poder aplicar las ecuaciones de hidráulica.

1. MODELO PLÁSTICO DE BINGHAM: El modelo de Flujo Plástico de Bingham ha sido usado más frecuentemente para describir las características de flujo de los fluidos de perforación. Éste es uno de los más antiguos modelos reológicos que son usados actualmente. Este modelo describe un fluido en el cual se requiere una fuerza finita para iniciar el flujo (punto cedente) y que luego demuestra una viscosidad constante cuando la velocidad de corte aumenta (viscosidad plástica). La ecuación para el modelo de Flujo Plástico de Bingham es la siguiente:

τ = τ0 + μpγ

Donde:

τ = Esfuerzo de corte.

τ0 = Punto cedente o esfuerzo de corte a una velocidad de corte de cero (intersección de Y).

μp = Viscosidad plástica o tasa de aumento del esfuerzo de corte con el aumento de la velocidad de corte (pendiente de la línea).

γ = velocidad de corte.

Las normas corrientes de API requieren que el cálculo de PC y VP se haga usando las ecuaciones siguientes:

VP = 2600 – 2300

PC = 2300 – VP, o

PC = (2 × 2300) – 2600

Debido a que el modelo asume comportamiento verdaderamente plástico, el índice de flujo de un fluido que concuerde con este modelo debe tener n = 1. Lamentablemente, no es frecuente que esto ocurra y el modelo por lo común predice en exceso los esfuerzos de punto cedente (esfuerzo de corte a una velocidad de corte cero) en un 40 a 90 por ciento. Un método rápido y fácil para calcular esfuerzos de punto cedente más realistas consiste en suponer que el fluido muestra comportamiento verdaderamente plástico únicamente en la escala de bajo índice de cizallamiento.

Cuando se convierte la ecuación para su aplicación con las indicaciones del viscosímetro, la ecuación resultante es la siguiente:

Θ = YP + PV x [pic]

La mayoría de los fluidos de perforación no son verdaderos fluidos Plásticos de Bingham. Para el lodo típico, si se hace una curva de consistencia para un fluido de perforación con los datos del viscosímetro rotativo, se obtiene una curva no lineal que no pasa por el punto de origen, según se muestra en la Figura 11. El desarrollo de los esfuerzos de gel hace que la intersección de Y se produzca en un punto por encima del punto de origen, debido a la fuerza mínima requerida para romper los geles e iniciar el flujo. El flujo tapón, condición en que un fluido gelificado fluye como un “tapón” que tiene un perfil de viscosidad plano, comienza a medida que esta fuerza aumenta. A medida que la velocidad de corte aumenta, el flujo pasa del flujo tapón al flujo viscoso. Dentro de la zona de flujo viscoso, los incrementos iguales de la velocidad de corte producirán incrementos iguales del esfuerzo de corte, y el sistema adopta la configuración del flujo de un fluido newtoniano.

2. MODELO DE LA LEY DE LA POTENCIA: Este modelo describe el comportamiento reológico de fluidos de perforación base polímero que no presentan esfuerzo de punto cedente (p.ej., salmueras claras viscosificadas). Algunos fluidos con biopolímeros se pueden describir también por comportamiento de la ley de la potencia.

El modelo de Ley Exponencial procura superar las deficiencias del modelo de Flujo Plástico de Bingham a bajas velocidades de corte. El modelo de Ley Exponencial es más complicado que el modelo de Flujo Plástico de Bingham porque no supone que existe una relación lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, como lo indica la Figura 14. Sin embargo, como para los fluidos newtonianos, las curvas de esfuerzo de corte vs. velocidad de corte para los fluidos que obedecen a la Ley Exponencial pasan por el punto de origen. Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el modelo de Ley Exponencial se expresa como:

τ = Kγn

Donde:

τ = Esfuerzo de corte

K = Índice de consistencia

γ = Velocidad de corte

n = Índice de Ley Exponencial

Al ser trazada en un gráfico en escala log-log, la relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte de un fluido que obedece a la Ley Exponencial forma una línea recta, como lo indica la Figura15 La “pendiente” de esta línea es “n”. K’ es la intersección de esta línea. El índice “n” de Ley Exponencial indica el grado de comportamiento no newtoniano de un fluido sobre un rango determinado de velocidades de corte. Cuanto más bajo sea el valor de “n”, más el fluido disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte sobre dicho rango de velocidades de corte, y más curvada será la relación de esfuerzo de corte/velocidad de corte, como se muestra en la Figura 16.

Según el valor de “n”, existen tres tipos diferentes de perfiles de flujo y comportamientos del fluido:

1. n < 1: El fluido es un fluido no newtoniano que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte.

2. n = 1: El fluido es un fluido newtoniano.

3. n > 1: El fluido es un fluido dilatante que aumenta su viscosidad con el esfuerzo de corte (los fluidos de perforación no están incluidos en esta categoría).

La Figura 17 muestra una comparación entre un fluido de perforación típico y un fluido que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte, un fluido newtoniano y un fluido dilatante. El efecto de “n” sobre el perfil de flujo y el perfil de velocidad es muy importante para los fluidos no newtonianos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte.

El índice de consistencia “K” es la viscosidad a una velocidad de corte de un segundo recíproco (seg-1). Este índice está relacionado con la viscosidad de un fluido a bajas velocidades de corte. La eficacia con la cual un fluido limpia el pozo y su spende los materiales densificantes y los recortes puede ser mejorada aumentando el valor de “K”. El índice de consistencia “K” está generalmente expresado en lb-seg-n/100 pies2, pero también se puede expresar en otras unidades.

Los términos “K” y “n” sólo son verdaderamente pertinentes cuando están relacionados con una velocidad de corte específica. Sin embargo, cuando la curva de un fluido está descrita por un número finito de medidas, los segmentos de la línea para estas medidas describen a “K” y “n”. Los valores de “K” y “n” pueden ser calculados a partir de los datos del viscosímetro. Las ecuaciones generales para los valores de “n” y “K” son las siguientes:

[pic]

SEGUNDO PONENTE

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3. MODELO DE HERSCHEL - BULKLEY (PUNTO CEDENTE-LEY DE LA POTENCIA MODIFICADA [MHB]): Debido a que la mayoría de los fluidos de perforación presentan esfuerzo cortante, el modelo de Herschel- Bulkley (punto cedente-ley de la potencia modificada [MHB]) describe el comportamiento reológico de los lodos de perforación con mayor exactitud que ningún otro modelo. El modelo MHB usa la siguiente ecuación para describir el comportamiento de un fluido:

[pic] = [pic] 0+ (K × [pic])

Donde

[pic] Es el esfuerzo de corte medido en lb/100 [pic]

[pic] 0 es el esfuerzo de punto cedente del fluido (esfuerzo de corte a velocidad de corte cero) en lb/100 [pic]

K es el índice de consistencia del fluido en cP ó lb/100 [pic] [pic]

n es el índice de flujo del fluido

[pic] Es la velocidad de corte en [pic]

Los valores de K y n en el modelo MHB son calculados de manera diferente que sus contrapartes en el modelo de la ley de la potencia. El modelo MHB se reduce al modelo de Bingham cuando n = 1 y se reduce al modelo de la ley de la potencia cuando [pic]0= 0. Una ventaja evidente que tiene el modelo MHB sobre el modelo de la ley de la potencia es que, de un conjunto de datos metidos, se calcula un solo valor para n y un solo valor para K.

Nota: El modelo MHB requiere:

- Un algoritmo de computadora para obtener soluciones.

- Un mínimo de tres mediciones de esfuerzo cortante e índice de cizallamiento para la solución. La precisión del modelo es mayor cuando se introducen más datos adicionales.

[pic]

7. PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN EL SISTEMA DE CIRCULACIÓN: El sistema de circulación de un pozo deperforación 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. La Figura 23 es un diagrama esquemático del sistema de circulación. Esta Figura puede ser simplificada de la manera indicada en la Figura 24, la cual ilustra el área relativa de flujo de cada intervalo. Puede haber cualquier número de subintervalos dentro de las categorías enumeradas en la siguiente tabla.

0 Tubo vertical/rotaria viajera/Kelly.

1 Dentro de la tubería de perforación.

2 Dentro de los portamechas.

3 Dentro de las herramientas de fondo.

4 Tobera.

5 Espacio anular del pozo abierto/columna de perforación.

6 Espacio anular del pozo abierto/columna de perforación.

7 Espacio anular de la tubería de revestimiento o riser/columna de perforación.

La pérdida de presión total para este sistema se puede describir matemáticamente como:

[pic] = [pic] + [pic] + [pic] + [pic]

Cada uno de estos grupos de presión puede dividirse en sus componentes y en los cálculos apropiados.

[pic]

Figura 23: Diagrama esquemático de un sistema de circulación. Figura 24: Sistema de circulación simplificado.

PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEL EQUIPO SUPERFICIAL: 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 de presión en la tubería de perforación. Las geometrías comunes del equipo superficial están indicadas en la siguiente tabla.

CONEXIONES SUPERFICIALES DE LA ROTARIA VIAJERA: Actualmente no hay ningún caso estándar para las unidades de rotaria viajera. Las conexiones superficiales de la mayoría de estas unidades se componen de un tubo vertical de 86 pies y 86 pies de manguera con un diámetro interior (DI) de 3,0 ó 3,8 pulgadas. Además, hay una tubería en “S” que es diferente en casi todos los equipos de perforación.

PÉRDIDAS DE PRESIÓN DE LA COLUMNA DE PERFORACIÓN: 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 cualquier otra herramienta de fondo.

PÉRDIDA DE PRESIÓN EN LOS INTERVALOS DE TUBERÍAS: Los intervalos de la columna de perforación (incluyendo los portamechas) son determinados por el DI de la tubería. La longitud de un intervalo es la longitud de la tubería que tiene el mismo diámetro interior. La siguiente ecuación es usada para calcular la pérdida de presión para cada intervalo de la columna de perforación.

[pic]

Donde:

Vp = Velocidad (pies/min)

D = DI de la tubería (pulg.)

ρ = Densidad (lb/gal)

L = Longitud (pies)

FACTOR DE FRICCIÓN: Antes de calcular la pérdida de presión, se calcula el factor de fricción de Fanning (fp) usando diferentes ecuaciones para el flujo laminar y el flujo turbulento. Este factor de fricción constituye una indicación de la resistencia al flujo de fluido en la pared de la tubería. El factor de fricción en estos cálculos supone una rugosidad similar para todos los materiales tubulares.

PÉRDIDAS DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LOS MOTORES Y DE LAS HERRAMIENTAS: Si la columna de perforación contiene un motor de fondo; una herramienta de MWD, LWD o PWD; una turbina o un impulsor sus pérdidas de presión deben estar incluidas en las pérdidas de presión del sistema para calcular la hidráulica del sistema. Las pérdidas de presión pueden afectar considerablemente la presión disponible en la barrena, así como derivar el flujo alrededor de la barrena. 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 Motores de Desplazamiento Positivo (PDM) (Moyno), impulsores y turbinas es más grande que las pérdidas a través de las herramientas de MWD y LWD, y es afectada por más variables. Con un PDM o impulsor, el peso adicional sobre la barrena aumenta el torque y la pérdida de presión a través del motor. La caída de presión a través de una turbina es proporcional al caudal, al peso del lodo y al número de etapas de accionamiento de la turbina. 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 BARRENA (PÉRDIDA DE PRESIÓN POR FRICCIÓN EN LAS TOBERAS): La pérdida de presión a través de la barrena se calcula con la siguiente ecuación:

[pic]

PÉRDIDAS TOTALES DE PRESIÓN EN EL ESPACIO ANULAR: La pérdida total de presión en el espacio anular es la suma de todas las pérdidas de presión del intervalo anular. Los intervalos anulares son divididos por cada cambio del diámetro hidráulico. Algún cambio del diámetro exterior de la columna de perforación y/o algún cambio del diámetro interior de la tubería de revestimiento, tubería de revestimiento corta o pozo abierto resultaría en un cambio del diámetro hidráulico. Como con las ecuaciones de pérdida de presión de la columna de perforación, el factor de fricción debe ser determinado antes de calcular la pérdida de presión para cada sección anular.

TERCER PONENTE

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TÉRMINOS USADOS EN LOS CÁLCULOS DE HIDRÁULICA DE FLUIDOS: Se usan ecuaciones matemáticas para predecir el comportamiento de los fluidos de perforación que circulan a través de las tuberías y espacios anulares. Las velocidades y caídas de presión encontradas durante la circulación son de particular importancia para las operaciones de perforación. Varios importantes términos usados en cálculos de hidráulica se definen debajo.

Número de Reynolds ([pic]): Un término numérico adimensional decide si un fluido circulante estará en flujo laminar o turbulento. A menudo un número de Reynolds mayor de 2,100 marcará el comienzo de flujo turbulento, pero no siempre es así. La fórmula general para el número de Reynolds es la siguiente:

NRe = [pic]

Donde:

V = Velocidad

D = Diámetro

ρ = Densidad

μ = Viscosidad

El número de Reynolds para dentro de la tubería es:

NRep = [pic]

El número de Reynolds para el espacio anular es:

NRea = [pic]

Donde:

D = Diámetro interior de la tubería de perforación o los portamechas.

D2= Diámetro interior del pozo o de la tubería de revestimiento.

D1= Diámetro exterior de la tubería de perforación o los portamechas.

μep= Viscosidad efectiva (cP) de la tubería.

μea = Viscosidad efectiva (cP) del espacio anular.

Número crítico de Reynolds ([pic] ): Este valor corresponde al número de Reynolds al cual el flujo laminar se convierte en flujo turbulento.

Factor de fricción (f): Este término adimensional es definido para fluidos de la ley de la potencia en flujo turbulento y relaciona el número de fluido de Reynolds con un factor de “aspereza” de la tubería. La Figura 9-2 muestra la relación entre el número de Reynolds y el factor de fricción para flujo laminar (N < 2,100), y de diversos valores de n para fluidos en flujo turbulento (Re > 2,100).

Figura 9-2: Factores de fricción para fluidos de la ley de la potencia. Este gráfico muestra los factores de fricción en función de los números de Reynolds para fluidos de la ley de la potencia que tienen diferentes valores de n.

Número de Hedstrom ([pic] ): Este término adimensional predice el comienzo de flujo turbulento para fluidos que siguen el modelo de Bingham. Se correlaciona con el número crítico de Reynolds ([pic] ), tal como indica la Figura 9-3.

Figura 9-3: Números críticos de Reynolds para fluidos plásticos de Bingham. Este gráfico muestra los números de Hedstrom en función de los números de Reynolds para fluidos plásticos de Bingham

Viscosidad efectiva ([pic]): Este término describe la viscosidad del fluido que fluye a través de una geometría particular. Es diferente de la viscosidad determinada con el viscosímetro porque las geometrías o espacios entre paredes han cambiado. De manera similar, el fluido que fluye dentro del tubo de perforación y en el espacio anular tendrá distintas viscosidades efectivas. Los fluidos de la ley de la potencia tendrán entonces distintos índices de flujo ([pic] y [pic]) y p a distintos índices de consistencia ([pic] y [pic]) en comparación con los valores de n y K calculados con viscosímetro [pic]600 y [pic]2300.

Velocidad Crítica: La velocidad crítica se usa para describir la velocidad a la cual la transición del flujo laminar al flujo turbulento ocurre.

El flujo dentro de la tubería de perforación es generalmente turbulento. Las ecuaciones para la velocidad crítica en la tubería y en el espacio anular están enumeradas a continuación. El caudal crítico puede ser calculado a partir de estas ecuaciones.

Caída de presión ([pic]P/[pic]L): Cuando los fluidos circulan a través de un tubo o espacio anular se desarrollan fuerzas de fricción. Como resultado, se disipa energía del fluido. Estas fuerzas friccionales se conocen como caídas de presión, y comúnmente se designan en forma de presión por longitud unitaria. Cuanto más largo sea un tubo o espacio anular, tanto mayor será la caída de presión. Los factores que pueden afectar la magnitud de la caída de presión

Incluyen:

- Longitud

- Índice de flujo (régimen de flujo de tipo laminar o turbulento)

- Propiedades reológicas del fluido

- Excentricidad del tubo

- Geometría del tubo/espacio anular

- Aspereza del tubo, etc.

Excentricidad ([pic]): Este término adimensional se refiere a la posición de un tubo dentro de otro tubo. En el campo petrolero generalmente se refiere a la posición del tubo de perforación en un espacio anular. Cuando el tubo de perforación se encuentra justo en el medio del espacio anular, la posición del tubo de perforación es concéntrica y el factor de excentricidad es 0. Ver la Figura 9-4 (a). Al moverse el tubo de perforación hacia un lado del espacio anular, el tubo de perforación se vuelve cada vez más excéntrico. Si los costados del tubo de perforación hacen contacto con la pared del espacio anular, el tubo de perforación estará completamente excéntrico y el factor de excentricidad será igual a 1.0. Ver la Figura 9-4 (b).

Figura 9-4: Excentricidades de un tubo en un espacio anular. Al moverse el tubo de perforación hacia un lado del espacio anular, el tubo de perforación se torna cada vez más excéntrico.

En pozos de gran ángulo u horizontales, el tubo de perforación se encuentra generalmente en el lado bajo del pozo y su factor de excentricidad es de 1> = [pic] > = 0. Si el tubo de perforación se encuentra en el lado alto del pozo, su factor de excentricidad es negativo 0 > = [pic] > = -1. La excentricidad del tubo de perforación puede afectar las caídas de presión en el espacio anular por reducción de las fuerzas fricciónales de flujo del fluido. Un tubo de perforación perfectamente concéntrico en un espacio anular tiene las máximas caídas de presión.

CÁLCULOS DE HIDRÁULICA DE LA BARRENA: Además de la pérdida de presión de la barrena, varios cálculos de hidráulica adicionales son usados para optimizar el rendimiento de la perforación. Éstos incluyen cálculos de la potencia hidráulica, de la fuerza de impacto y de la velocidad del chorro.

Potencia Hidráulica: El rango de potencia hidráulica (hhp) recomendado para la mayoría de las barrenas para rocas es de 2,5 a 5,0

Caballos de Fuerza por Pulgada Cuadrada (HSI) del área de la barrena. Una potencia hidráulica baja en la barrena puede producir bajas velocidades de penetración y un rendimiento deficiente de la barrena.

Potencia Hidráulica En La Barrena: La potencia hidráulica en la barrena no puede exceder la potencia hidráulica total del sistema.

hhpb = [pic]

Donde:

Q = Caudal (gpm).

PBit = Pérdida de presión de la barrena (psi).

Velocidad De Tobera (Pies/Seg): Aunque se pueda utilizar más de un tamaño de tobera en una barrena, la velocidad de tobera será la misma para todas las toberas. Velocidades de tobera de 250 a 450 pies/seg son recomendadas para la mayoría de las barrenas. Las velocidades de tobera mayores que 450 pies/seg pueden desgastar la estructura de corte de la ba rrena.

Vn (pies/seg) = [pic]

Donde:

Q = Caudal (gpm).

Dn = Diámetro de la tobera (1/32 pulg.).

CUARTO PONENTE MIGUEL DURANT C.I: 19.430.475

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ECUACIONES USADAS EN HIDRÁULICA DE FLUIDOS: Las ecuaciones de la hidráulica de fluidos han sido construidas usando parámetros reológicos de los modelos de Bingham y de la ley de la potencia. Típicamente, los cálculos de caída de presión para situaciones de flujo laminar efectuados usando los parámetros del modelo del Bingham dan predicciones excesivas de las caídas de presión reales, mientras que los efectuados usando parámetros del modelo de la ley de la potencia hacen 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 (DEC). Las ecuaciones hidráulicas han sido escritas usando el modelo MHB y sus soluciones se pueden calcular usándolos programas de computadora. Debido a que el modelo MHB predice mejor el comportamiento reológico de fluidos de perforación a bajas velocidades de corte, resultan valores más exactos de caídas de presión en flujo laminar, DECs, etc.

Información Sobre Bombas Y Circulación:

Caudal de la bomba por embolada:

Bomba Duplex (bbl/carrera):

[pic]

Bomba Triplex (bbl/carrera):

[pic]

Donde

Eficiencia es el porcentaje de eficiencia volumétrica

Camisa es el diámetro de la camisa de la bomba en pulgadas

Carrera es el largo de carrera de la bomba en pulgadas

Caudal de la bomba:

Caudal bomba, bbl/min (POBPM).

caudal bomba (bbl/emb.) × emboladas por minuto

Caudal bomba, gal/min (POGPM) = POBPM × 42

Velocidad anular:

Velocidad anular (Va), pies/min:

[pic]

Densidad Equivalente De Circulación: 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).

ECD (lb/gal) = Pa (psi) ρ (lb/gal) + 0,052 x TVD (pies)

Una ECD excesiva puede causar pérdidas al exceder el gradiente de fractura en un pozo. Es importante optimizar las propiedades reológicas para evitar una ECD excesiva.

HIDRÁULICA DE BARRENAS:

PAUTAS PARA LA OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA: La presión máxima admisible de circulación y la velocidad de circulación son recursos limitados que pueden ser desperdiciados o aprovechados al máximo. La reología y los cálculos de hidráulica proporcionan los medios necesarios para ajustar las propiedades del lodo, el caudal y las toberas con el fin de optimizar estos recursos bajos las restricciones impuestas por los aparatos del equipo de perforación. 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 densidad y las propiedades reológicas del fluido son los parámetros que afectan esta eficacia hidráulica. Si se supone que la densidad del fluido es mantenida a un nivel mínimo seguro para el control del pozo y la estabilidad del pozo, entonces la optimización de la hidráulica depende de las propiedades reológicas del fluido y del caudal. En muchos casos, los equipos de fondo tales como los motores de fondo, impulsores e instrumentos de medición al perforar y registro al perforar, requieren un caudal mínimo para funcionar correctamente. Esto hace que las propiedades reológicas del fluido constituyan la única variable en el proceso de optimización.

OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÁULICA DE LA BARRENA: En muchas regiones del mundo, la hidráulica de la barrena para rocas puede ser optimizada para mejorar la velocidad de penetración (ROP). Muchos factores afectan la ROP, incluyendo el tamaño de la barrena, el tipo de barrena, las características de la barrena, el tipo y la solidez de la formación, y la hidráulica de la barrena. En las áreas de rocas duras, la interacción entre la barrena y la formación tiene un mayor impacto sobre la ROP que la hidráulica de la barrena. La hidráulica de la barrena puede ser optimizada en lo que se refiere al impacto hidráulico, la potencia hidráulica, la potencia hidráulica por pulgada cuadrada del pozo debajo de la barrena o la velocidad de tobera. En general, el objetivo es usar de 50 a 65% de la presión máxima admisible de circulación proporcionada a la barrena. Se considera que los sistemas se optimizan para la fuerza de impacto cuando la pérdida de presión en la barrena es igual a 50% de la presión de circulación. Cuando la pérdida de presión en la barrena es igual a aproximadamente 65% de la presión de circulación, se considera que el sistema está optimizado para la potencia hidráulica. La Figura 24 compara la optimización mediante la potencia hidráulica y la fuerza de impacto. La optimización de un aspecto en relación con otro produce un equilibrio entre estos aspectos.

Cuando se perforan lutitas duras a grandes profundidades, la retención de recortes y los finos son los factores que limitan las velocidades de penetración. Bajo estas condiciones, aumentos relativamente pequeños de la velocidad de penetración pueden reducir considerablemente los costos del pozo.

OTRAS APLICACIONES DE LA HIDRÁULICA:

Para calcular o estimar las velocidades de asentamiento de los recortes perforados con o sin circulación.

Para calcular las presiones de surgencia y de suabeo.

Para calcular velocidades seguras en corridas de sartas de perforación y de revestimiento.

Para calcular la máxima velocidad de penetración para un gradiente de fractura dado.

QUINTO PONENTE

HASTA AQUI

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Donde:

n = Índice de Ley Exponencial o exponente

K = Índice de consistencia o índice de fluido de la Ley

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