Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores

IPM

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´Fluidos e Hidráulica

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FLUIDOS E HIDRÁULICA DE LA PERFORACIÓN

Reología

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• Reo = Flujo • Logos = Estudio • La Reología es el estudio del flujo de fluidos.

Razones para estudiar la Reología • Se requiere la Reología para predecir:

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• Qué tan bueno es el transporte los recortes afuera del pozo • Qué tan buena es la limpieza de los ripios en la cara de la barrena. • Cuáles son las pérdidas de presión en el sistema. • Cómo se comporta el sistema de fluido con los regímenes de flujo que se emplean en el pozo. • En otras palabras se necesita entender la hidráulica de los fluidos de perforación.

Reología • Caracterización de los Fluidos Reología

v + dv

A v

-La fuerza de resistencia o arrastre es el esfuerzo de cortante -La diferencia en las velocidades dividido entre la distancia se llama la velocidad de cizallamiento.

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F

Reología El esfuerzo cortante y la velocidad de cizallamiento: • Esfuerzo Cortante :

Unidad : Lbf / 100 ft 2

área superficial de la lámina • Velocidad de cizallamiento: Unidad : 1 / seg (segundo recíproco)

Diferencia de velocidad entre 2 láminas Distancia entre 2 láminas

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Fuerza que causa el corte

En Unidades del sistema internacional de medidas, S.I.:

lbf 1 100 ft 2 IPM

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gm * cm 2 Dyne sec = 4 . 79 = 4 .79 2 cm cm 2 ´Fluidos e Hidráulica

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lbf 1 2 100 ft

 g   cm   454   980 2  lbf   sec  lbf  = * 2 2 100 ft  cm   30 . 48  ft  

Viscosidad • La viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir y se define como la Razón del Esfuerzo cortante a la velocidad de cizallamiento.

=

dyne • sec => Poise 2 cm

• La unidad “Poise” es algo grande, por lo que se prefiere expresar la viscosidad en “Centipoise” que es 1/100 de 1 Poise. IPM

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µ

τ γ

Fluidos Newtonianos Los fluidos Newtonianos son aquellos en los cuales la viscosidad permanece constante para todas las velocidades de cizallamiento siempre y cuando la temperatura y la presión permanezcan constantes. Ejemplos de Fluidos Newtonianos son: el agua, la glicerina y el aceite ligero.

Esfuerzo Cortante

IPM

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µ

Velocidad de Cizallamiento ´Fluidos e Hidráulica

=

τ γ

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El esfuerzo cortante es directamente proporcional a la velocidad de cizallamiento:

Fluidos No Newtonianos

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•Los fluidos no newtonianos no muestran una proporcionalidad directa entre el esfuerzo de cortante y la velocidad de cizallamiento. La mayoría de los fluidos de perforación son no newtonianos. •La gráfica que se muestra es un ejemplo un fluido no Newtoniano. • La viscosidad de un fluido no Newtoniano se conoce como la viscosidad efectiva y para obtener su valor se debe especificar una velocidad de cizallamiento específica.

Modelo Plástico de Bingham

Esfuerzo Cortante

Velocidad de Cizallamiento IPM

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Se han desarrollado varios modelos matemáticos para simular la reología de los fluidos de perforación. El que se usa más ampliamente en el campo es el Modelo Plástico de Bingham. Este modelo supone un comportamiento lineal de la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de cizallamiento, pero la línea no cruza el origen como sucede con los fluidos Newtonianos.

Modelo Plástico de Bingham La ecuación del modelo plástico de Bingham está dada por:

τ = µ pγ + τ y

Esfuerzo Cortante Pendiente = PV Intercepción = YP Punto de Cedencia

IPM

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Velocidad de Cizallamiento

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La intercepción τ y con el eje “y” se conoce como el Punto de Cedencia y es el esfuerzo que se requiere para hacer que el fluido se ponga en movimiento. La pendiente de la curva se conoce como la Viscosidad Plástica.

Modelo Plástico de Bingham

En el campo la PV se considera como una guía para el control de sólidos. Se incrementa conforme el porcentaje volumétrico de sólidos se incrementa o si el porcentaje volumétrico permanece constante pero el tamaño de partículas disminuye. Por lo tanto, la PV se puede reducir al reducir la concentración de sólidos o disminuyendo el área superficial. IPM

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Viscosidad Plástica, PV: Los lodos de perforación normalmente están compuestos por una fase líquida continua en la cual están dispersos los materiales sólidos. La Viscosidad Plástica es la resistencia al flujo relacionada con la fricción mecánica que es causada por: •La concentración de sólidos. •El tamaño y forma de los sólidos. •La viscosidad de la fase líquida.

Modelo Plástico de Bingham Punto de Cedencia, YP - El punto de cedencia es la resistencia inicial al

IPM

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flujo debida a las fuerzas electroquímicas entre las partículas. Estas fuerzas son causadas por las cargas localizadas en la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida. El punto de cedencia depende de: •Las propiedades superficiales de los sólidos en el lodo. •La concentración volumétrica de los sólidos. •El ambiente iónico del líquido que rodea a los sólidos. El YP se puede controlar por medio de un tratamiento químico adecuado. •Las cargas positivas en las partículas se pueden neutralizar por la adsorción de grandes iones negativos. Estos pueden ser aportados por productos químicos como: taninos, lignitos, lignosulfonatos, etc. •En caso de contaminación de iones como calcio o magnesio, estos se pueden remover como precipitados insolubles. •La dilución con agua también puede reducir el YP. Sin embargo, si la concentración de sólidos es demasiado elevada no va a ser efectiva.

Medición de la Reología

IPM

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láminas paralelas infinitas

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Las propiedades reológicas de los fluidos de perforción se determinan en equipos como el mostrado aquí, llamado Reómetro o Viscosímetro Rotacional

Reometro (Viscosímetro Rotacional) Cubierta

τ = f (γ )

fluido •Esfuerzo de Cortante = f (Lectura observada) •Velocidad de cizallamiento = f (RPM de la cubierta) •Esfuerzo de Cortante = f (Velocidad de Cizallamiento)

τ (TAU), el esfuerzo cortante, depende del valor de γ (GAMMA), la velocidad de cizallamiento IPM

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CILINDRO

Viscosímetro Rotacional • La plomada y el cilindro están dispuestos de tal forma que cuando las RPM vistas en la escala, al ser multiplicadas por una constante (1.7) tienen unidades de segundos recíprocos.

Lectura x 1.0678 x 4.79

Tiene unidades de

RPM de la Camisa x 1.7

IPM

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Dinas ⇒ Poise 2 −1 cm x Sec

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• La lectura observada x 1.0678 = (lb/100ft2) ö multiplicado por 5.11 ( 1.0678 x 4.79 ) lo convierte a dinas/cm2

Reómetro – Caso base

RPM x 1.703 = seg-1 IPM

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seg-1 5.11 10.22 170 340 511 1022

RPM 3 6 100 200 300 600

Velocidades de Cizallamiento típicas en un Pozo Loclización

Velocidad de Cizallamiento (sec-1)

IPM

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100-500 700-3000 10,000 – 100,000 10 - 500 1-5

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Tub. de Perf. Lastra barrena Toberas de la barrena Eapacio Anular Presas de Lodo

De Regreso al Modelo Plástico de Bingham

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PV =Pendiente, YP = Intersección INTERSEPTO

PENDIENTE

φ 600 −φ 300 5.11 Pendiente= x x100 600 − 300 1.7 φ 600 −φ 300 = x3x100 300 Pendiente= PV = φ 600 −φ 300 Unidades = cp IPM

20

φ0=Yp ∴Yp = φ300− PV lbf Unidades= 2 100pie

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φ300−φ0 5.11 Pendiente= x x100 300− 0 1.7 PV =φ300−φ0

φ 600 −φ 300 5.11 x 600 − 300 1.7 esta tendráunidadesde Poise ∴en Centipoises Pendiente=

Limitaciones del Modelo Plástico de Bingham Los fluidos de perforación típicos tienen valores más bajos a velocidades de cizallamiento bajas. Por lo tanto, el modelo plástico de Bingham no funciona para predecir la reología del lodo en el espacio anular por ejemplo. Schlumberger Private

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´Fluidos e Hidráulica

Otros Parámetros que se Miden con el Viscosímetro Fann VG LSRYP: Low Shear Rate YP

LSRYP = ( φ 3 x 2) − φ 6 Como una regla práctica el LSRYP debe estar cerca al diámetro del pozo en pulgadas.

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Punto de cedencia a baja velocidad de cizallamiento – Medida de la viscosidad del lodo a baja velocidad de cizallamiento. Mide la capacidad del lodo para transportar recortes en el espacio anular. Mientras más grandes sean los recortes más elevado será el valor LSRYP requerido. Se calcula con la expresión:

Otros Parámetros que se Miden con el Viscosímetro Fann VG

IPM

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Fuerza de Gel – Fuerzas de Gel de 10 seg y 10 minutos indican las fuerzas de atracción desarrolladas en el fluido cuando se encuentra bajo condiciones estáticas durante dichos intervalos de tiempo. Los valores excesivos son una indicación de que hay una alta concentración de sólidos. La gráfica muestra los tipos de fuerza de gel.

Otros Parámetros que se Miden con el Viscosímetro Fann VG

Viscosidad Efectiva =

300 φ N µe = N

Viscosidad aparente =

µa =

300 φ 600 600

φ 600 = 2

Es un indicador de que individualmente o en forma simultánea el YP y la PV están incrementando

IPM

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Se usa para encontrar la viscosidad real a unas RPM dadas.

Ejemplo de cálculo • Dadas las lecturas del Viscosímetro Fann V – G de: 64 @ 600 RPM 40 @ 300 RPM

φ 600 - φ 300 YP = φ 300 – PV = PV =

= 64 – 40 = 24 40 – 24 = 16

Visc. Ap.@ 600 = 300 x lectura@ 600/rpm= 300x64/600 = 32 Visc. Efect.@ 300 = 300 x lectura@300/300 = 40 IPM

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Calcular la PV, el YP y la Viscosidad Aparente a 600 y la viscosidad efectiva a 300 RPM

Otros Modelos de Reología Modelo de la Ley de Potencia – Se utiliza para simular el comportamiento de fluidos de perforación basados en polímeros que no tienen un esfuerzo de cedencia. (por ejemplo las salmueras transparentes viscosificadas). La ecuación general para este modelo es: n

τ = Kγ

Esfuerzo Cortante

Modelo de la Ley de Potencia

IPM

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Newtoniano

velocidad de cizallamiento ´Fluidos e Hidráulica

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K es el índice de consistencia, “n” es el índice de comportamiento de flujo. 0 < n < 1.0 Tanto K como n son particulares para cada fluido.

Otros Modelos de Reología

τ = Kγ

n

y sus unidades son adimensionales.

511 * φ 300 “K” se puede obtener de : K = 511 n y sus unidades están en centipoise.

IPM

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φ 600 “n” se puede obtener de : n = 3 .32 log φ 300

Otros Modelos de Reología Modelo de la Ley de Potencia Modificado = Modelo Herschel-Bulkley

Modelo usado para simular el comportamiento de la mayoría de los fluidos de perforación. Toma en cuenta el esfuerzo de cedencia para iniciar el flujo, que tiene la mayoría de los fluidos.

τ =τy + Kγ

Modelo de Ley de Potencia Modificado Newtoniano

Velocidad de Cizallamiento IPM

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Esfuerzo Cortante

n

Otros Modelos de Reología

τ =τy + Kγ

n

IPM

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Los valores para “K” y “n” se obtienen en la misma forma que para el modelo de la ley de potencia para flujo en tubería; sin embargo varían ligeramente para flujo anular. Esto se va a mostrar posteriormente.

Ejercicio para Fluido Newtoniano ( Ejercicio 4.16 del Libro de texto Applied Drilling Engineering)

20 cm2

• Distancia entre láminas =

1 cm

• Fuerza requerida para mover la lámina superior a 10 cm/s=

100 dynes.

• ¿Cuál es la viscosidad del fluido?

IPM

30

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• Área de la lámina superior =

SOLUCIÓN AL EJERCICIO 4.16

5 dina − s = = 0 .5 = 0 .5 poise 2 10 cm

µ = 50 cp IPM

31

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esfuerzo cor tante F / A 100/ 20 dinas/cm µ= = = -1 Velocidad de Corte V / L 10/1 seg

2

Ejercicio para Fluido Plástico Bingham ( Ejercicio 4.17 del libro de texto ADE )

•Fluido Plástico Bingham 20 cm2 1 cm

• 1. Fuerza Min. Para hacer mover la lámina = 200 dinas • 2. Fuerza para mover la lámina a 10 cm/s = 400 dinas

• IPM

Calcular el Punto de Cedencia y la Viscosidad Plástica

32

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•Área de la lámina superior= •Distancia entre las láminas=

SOLUCIÓN AL EJECICIO 4.17

• Punto de cedencia:

Fy

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200 dinas dinas τy = = = 10 2 A 20 cm cm 2

lbf dinas p ero 1 = 4 . 79 2 2 100 p ie cm 10 ∴τ y = = 4.79 IPM

33

2.09 lbf/100 pie ´Fluidos e Hidráulica

2

SOLUCIÓN AL EJERCICIO 4.17 • Viscosidad plástica,

µ p está dado por τ = τ y + µ pγ

20 − 10 dina − s ∴µp = =1 = 1 poise 2 10 cm IPM

34

i.e. µp = 100 cp ´Fluidos e Hidráulica

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400 dinas 200 dinas  10 cm/s  = + µ p  2 2 20 cm 20 cm  1 cm 

Ejercicio para Fluido de Ley de Potencia ( Ejercicio 4.18 del libro de texto ADE)

Área de la lámina superior = Distancia entre láminas = Fuerza sobre la lámina superior = Fuerza sobre la lámina superior =

• •

20 cm2 1 cm 50 dinas si v = 4 cm/s 100 dinas si v = 10 cm/s

Calcular el índice de consistencia (K) y el índice de comportamiento de flujo (n)

IPM

35

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• • • •

Solución para el Ejemplo 4.18 • v = 4 cm/s

4

= K γ

n 4

50  4  = K   20  1  2 .5 = K IPM

36

n

(4 )

n

(i) ´Fluidos e Hidráulica

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τ

⋅

• Área de la lámina superior = 20 cm2 • Distancia entre láminas = 1 cm • Fuerza sobre la lámina superior = 50 dinas si V = 4 cm/s

Solución al Ejemplo 4.18 • v = 10 cm/s ⋅

 10  = K    1 

100 20

5 = K (10 IPM

37

n

• Área de la lámina superior = 20 cm2 • Distancia entre láminas = 1 cm • Fuerza sobre la lámina superior = 100 dinas , si V = 10 cm/s

)

(ii)

n

´Fluidos e Hidráulica

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τ 10 = K γ 10

n

Solución al Ejemplo 4.18

2 .5 = K

(4 ) (i)

5 = K (10

2 .5 de .... i : K = n 4

log 2 = n log 2 . 5

n = 0.7565 IPM

38

´Fluidos e Hidráulica

)

n

(ii) Schlumberger Private

• Despejando K y sustituyendo en ii encontramos que n es :

n

Ejemplo de Solución 4.18

5 = K (10

) (ii) n

• De la Ecuación (ii):

K = 87.6 eq. cp. IPM

39

L Br

´Fluidos e Hidráulica

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5 5 ∴ K = n = 0 .7565 = 0 .8760 eq. poise 10 10

Tipos de Flujo

Perfil de Velocidad ( Movimiento en flujo de tapón) La velocidad es igual en el centro y en la pared. IPM

40

´Fluidos e Hidráulica

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Reología – Flujo de Tapón

Tipos de Flujo

Perfil de Velocidad ( Movimiento deslizante ) La velocidad es máxima en el centro IPM

41

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Reología – Flujo Laminar

Tipos de Flujo

Perfil de Velocidad ( Movimiento en remolinos, pero un perfil plano) Velocidad promedio de partículas es uniforme (no cerca de la pared). IPM

42

´Fluidos e Hidráulica

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Reología – Flujo Turbulento

¿Flujo Turbulento o Laminar?

Flujo Turbulento Flujo Laminar

Punto de transición Velocidad crítica

Velocidad de Cizallamiento IPM

43

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Esfuerzo de cortante

Reología – Velocidad Crítica

¿Flujo Turbulento o Laminar?

El régimen de flujo particular de un fluido de perforación durante la perforación puede tener un efecto importante en parámetros tales como pérdidas de presión, limpieza del fondo y estabilidad del pozo.

IPM

44

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Reología – Número de Reynolds • El número de Reynolds toma en consideración los factores básicos del flujo en la tubería: • La tubería, el diámetro, la velocidad promedio, la densidad del fluido y la viscosidad del fluido. • Re = Velocidad x diam del tubo / diámetro del espacio anular x densidad / viscosidad efectiva del fluido • Laminar < 2100 - Transición - 3000 < Turbulento

Hidráulica del Equipo de Perforación •

•

Objetivos

•

Introducción a la hidráulica del equipo de perforación

•

Cálculos hidráulicos

•

Optimización de los aspectos hidráulicos

45

´Fluidos e Hidráulica

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IPM

Contenido:

Objetivos

Al final de este Módulo USTED va podrá entender:

2. Ejemplos de cálculos 3. La optimización de la hidráulica de perforación

IPM

46

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1. El sistema de circulación

Hidráulica de la Perforación • Sistema de Circulación:

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Bomba de lodos presa

Tubería de Perforación Espacio Anular

Barrena IPM

47

´Fluidos e Hidráulica

Tubería de Revestimiento & cemento

Agujero Abierto Barrena

Presiones en el Sistema Circulante PSuperf

PBomba Schlumberger Private

P6 Pdp Padp

Padc

Pdc Pbarrena

IPM

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Pérdidas de Presión Las caídas de presión en el sistema son PBomba = PSuperf + Pdp + Pdc + Pde barrena +Padp + Padc

PBomba = Pbarrena+(PSuperf. + Pdp + Pdc +Padp + Padc ) Todas las pérdidas de presión que están del lado derecho de la pérdida de la barrena con frecuencia se llaman las pérdidas «Parásitas »

PT = Pbit +Pc

IPM

49

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Reacomodando

Cálculo de las Pérdidas de Presión Pérdidas de Superficie Pérdidas en la Sarta – Modelo Plástica de Bingham Pérdidas en la Sarta – Modelo de la Ley de Potencia Caída de Presión a través de la Barrena

IPM

50

´Fluidos e Hidráulica

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• • • •

Pérdidas de presión en los Equipos de Superficie

IPM

51

´Fluidos e Hidráulica

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En la práctica, únicamente hay sólo cuatro tipos de Equipos de Superficie. Cada tipo se caracteriza por las dimensiones del “stand pipe”, la kelly, la manguera rotaria y la unión giratoria. La tabla que sigue resume los cuatro tipos de Equipo de Superficie y su equivalencia en longitud con una tubería de 3.826 pulgadas de ID.

Cálculo de las Pérdidas de Presión Pérdidas en Superficie Pérdidas de Sarta con el modelo Plástico de Bingham Pérdidas de Sarta de Ley de Potencia Caída de Presión a través de la Barrena

IPM

52

´Fluidos e Hidráulica

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• • • •

Modelo Plástico de Bingham (Tubería) A. Flujo en la Tubería

V =

24 . 5Q ..... pie / min D2

97 PV + 97 PV 2 + 8 . 2 ρ D 2 YP Vc = .... pie / min ρD

IPM

53

´Fluidos e Hidráulica

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Determine la velocidad promedio y la velocidad crítica (V y Vc):

Modelo Plástico de Bingham (Tubería) Si V > Vc, el flujo es turbulento; utilice

Si V < Vc, el flujo es laminar; utilice

Lµ V L * YP P= + .. psi 2 1500 D 225 D IPM

54

´Fluidos e Hidráulica

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ρ 0 .75 v 1 .75 µ 0.25 L ρ 0.75 Q 1.75 µ 0.25 L P= = .. psi 1.25 4.75 1800 * d 8624 * d

Modelo Plástico de Bingham (Espacio Anular) B. Flujo Anular

V =

24 . 5Q ..... pie / min 2 2 D h − OD

97 PV + 97 PV 2 + 6 .2 ρ ( D e )YP Vc = .... pie / min ρ De 2

donde: De = Dh - OD IPM

55

´Fluidos e Hidráulica

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Determine la velocidad promedio y la velocidad crítica ( V y Vc):

Modelo Plástico de Bingham (Espacio Anular) Si V > Vc, el flujo es turbulento; utilice

Si V < Vc, el flujo es laminar; utilice

LµV L (YP ) P= + 2 1000 ( d 2 − d 1 ) 200 ( d 2 − d 1 ) IPM

56

´Fluidos e Hidráulica

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ρ 0. 75 v 1. 75 µ 0.25 L P= .. psi 1.25 1396 * (d 2 − d 1 )

Cálculo de las Pérdidas de Presión Pérdidas en Superficie Pérdidas de Sarta Plástica de Bingham Pérdidas de Sarta con la Ley de Potencia Modificado Caída de presión a través de la Barrena

IPM

57

´Fluidos e Hidráulica

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• • • •

Pérdidas de Sarta con la Ley de Potencia Modificado El modelo de la Ley de Potencia Modificado o Modelo de Herschel-Bulkley es el modelo matemático que describe mejor el comportamiento de los fluidos de perforación. Schlumberger Private

IPM

58

´Fluidos e Hidráulica

Pérdidas de Presión dentro de la Tubería

IPM

59

´Fluidos e Hidráulica

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Factor de fricción de Fanning

Pérdida de Presión dentro de la Tubería

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D = Diámetro interno del tubo (pulgadas)

IPM

60

´Fluidos e Hidráulica

Pérdidas de Presión en el Espacio Anular

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IPM

61

´Fluidos e Hidráulica

Pérdidas de Presión en el Espacio Anular

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IPM

62

´Fluidos e Hidráulica

Cálculos Hidráulicos •

63

´Fluidos e Hidráulica

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IPM

Cuando se calculan las pérdidas de presión utilizando el modelo de la Ley de Potencia modificado, la siguiente secuencia se debe usar para cada uno de los intervalos de tubería y de espacio anular, utilizando las ecuaciones para el tubo y el espacio anular de manera correspondiente: 1. Derive las lecturas θ600 y θ300 de PV & YP. 2. Derive la lectura θ100 de las lecturas θ600 y θ300. 3. Encuentre los parámetros n y k 4. Obtenga la velocidad global promedio 5. Encuentre la viscosidad efectiva ( µe ) 6. Encuentre el número de Reynolds. ( Nre ) 7. Obtenga el factor de fricción de Fanning. 8. Calcule la pérdida de fricción para la sección especificada.

Cálculo de las Pérdidas de Presión

IPM

64

´Fluidos e Hidráulica

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• Pérdidas de Superficie • Pérdidas de Sarta Plástica de Bingham • Caída de Presión a través de la Barrena

Cálculo de la hidráulica en la Barrena • Pérdida de Presión a través de las Toberas de la Barrena;

En tér min os de Toberas (1 / 32" avos)    

∆Pb , Pérdida de presión en la barrena en psi Q , Velocidad de bombeo en gpm Nn , Diámetro de toberas en 1/32 de pulgada ρ , densidad de lodo en ppg

En ter min os de TFA ( pu lg 2 )   Q ∆ Pb = ρ    104.24 xAt  IPM

65

2

´Fluidos e Hidráulica

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 12.51Q  ∆ Pb = ρ  2 2 2 2 N + N + N + .... N 2 3 n  1

2

Cálculo de la hidráulica en la Barrena • Velocidad de chorro o tobera.

•Nota: Aunque se puede correr más de un tamaño de tobera en una barrena, la velocidad de tobera va a ser la misma para todas la toberas:

Otra ecuación para la velocidad de las toberas es:

∆ Pb V n = 33 .4 ρ IPM

66

El área de flujo total se puede obtener de :

´Fluidos e Hidráulica

Q A = 0 .32 Vn

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418 . 3Q Vn = Σ D n2

• donde: • Vn , velocidad en la tobera en pies/seg • Q, velocidad de bombeo en gpm • .Σ Dn 2, suma de los diámetros de la tobera al cuadrado en 1/32 de pulgada.

Cálculos Hidráulicos Ejercicio # 1 = 9000 pies

13 3/8” a

= 7980 pies 72# P110

Q

= 500 gpm

Peso de Lodo

= 17.5 lb/gal

PV

= 40

YP

= 30

3 RPM lectura

=8

Tubería de Perforación

= 5” ( 4.276 ” ID )

Collares de perforación

= 8” ( 3” ID ) , 350 pies

Presión de bombeo máxima

= 3500 psi

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121/4 ” pozo

Equipo de Superficie Caso 3. Calcule:

1. Las pérdidas de presión totales

2. Perd de P. en la barrena

3. Tamaños de tobera

4. ECD

USE AMBOS MODELOS EL DE BINGHAM Y EL DE LEY DE POTENCIA MODIFICADO IPM

67

´Fluidos e Hidráulica

Hidráulica de la Perforación

El objetivo de la optimización hidráulica es obtener un buen equilibrio en controlar las presiones en el pozo, el gasto o tasa de bombeo, la limpieza del pozo, la presión de bombeo, ECD y la caída depresión a través de la barrena. La presión y la velocidad de circulación máximas son restricciones limitadas ligadas a las capacidades del equipo de perforación. IPM

68

´Fluidos e Hidráulica

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En general, los aspectos hidráulicos de la barrena se optimizan para mejorar la velocidad de perforación; sin embargo, hay muchos factores que afectan la velocidad de perforación: • Tamaño de la barrena • Tipo de la barrena • Características de la barrena • Tipo y resistencia de la formación • Aspectos hidráulicos de la barrena

Cálculos Hidráulicos Ejercicio # 2

IPM

69

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Si la profundidad total de la sección de pozo de 12 ¼” está a 14,000 pies, y el objetivo era perforar toda la sección con una barrena, ¿qué tamaño de toberas escogería? (suponga que la tasa de bombeo y la reología del lodo permanecen constantes).

Hidráulica de la Perforación En general la meta es usar del 50% al 65 % de la presión de circulación máxima permisible en la barrena. Se considera que el sistema está optimizado para fuerza de impacto cuando la pérdida de presión en la barrena se aproxima al 50 %

•

Se considera que el sistema está optimizado para potencia hidráulica cuando la pérdida de presión en la barrena se aproxima a 65 %.

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•

Hidráulica de la Perforación La siguiente gráfica tomada del manual de MIDF ilustra la diferencia entre optimizar para potencia hidráulica y para fuerza de impacto.

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Cálculos de Presión Ejercicio # 3

Si el ejercicio # 2 fuera continuado, cuál sería la presión de bombeo al perforar a 9000 pies ? ¿Qué podría usted hacer para aprovechar esta situación?

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¿Cuál es el porcentaje de caída de presión a través de la barrena en los ejercicios 1 y 2?

Hidráulica de la Perforación

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• Potencia Hidráulica; • HHP en la barrena = (∆Pb Q ) / 1714 • Donde; • HHP , potencia hidráulica, • .∆Pb , pérdida de presión en la barrena en psi, • Q , gasto o caudal de la bomba en gpm. • HHP en la bomba = (∆Pt Q) / 1714 • Donde; • HHP , potencia hidráulica, • ∆Pt , pérdida de presión total en psi ( SPP), • Q , gasto o caudal de la bomba en gpm.

Hidráulica de la Perforación Potencia hidráulica por pulgada cuadrada de área de la barrena ( HSI )

H.S.I = HHP disponible en la barrena/área de la cara de la barrena

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Hay un término que se usa en la hidráulica de perforación para tener una mejor idea de la magnitud de la potencia hidráulica. A este término se le llama potencia hidráulica por pulgada cuadrada de área de cara de la barrena (H.S.I, por sus siglas en inglés) y básicamente se obtiene al dividir la potencia hidráulica entre el área del diámetro del pozo que está perforando la barrena.

Cálculos de Presión Ejercicio # 4

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Calcule la Potencia Total, la Potencia en la Barrena y el H.S.I. para el Ejercicio1, 2 y la segunda pregunta del ejercicio 3.

Cálculos de la hidráulica en la Barrena

Fi =

QV

n

ρ

1930

Donde: Fi , la fuerza del impacto de chorro en libras Q, gasto o tasa de bombeo en gpm, Vn , velocidad del chorro en las toberas en pies/seg ρ , densidad de lodo en ppg IPM

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• Fuerza de Impacto del Chorro; • La fuerza que ejerce el fluido al salir por debajo de la barrena, • Se expresa como:

Cálculos de Presión Ejercicio # 5

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Calcule la fuerza de impacto de chorro para los ejercicios 1, 2 y la segunda pregunta del ejercicio 3.

Cálculos de Presión Ejercicio # 6 Realice el ejercicio 1 utilizando “drilling office” de tal manera que:

¿Cuáles son las configuraciones de tobera en cada corrida y a qué profundidad se debe realizar el viaje para cambiar las toberas?

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•Se realicen dos corridas de barrena. •Cada corrida de barrena se optimice para H.S.I.

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