brocas y lodos U 2

71

Ingeniería de Perforación

Brocas e

Hidráulica de

Perforación

72


BROCAS E HIDRÁULICA

Tipos de Brocas. Descripción

Mecanismos de corte de las Brocas. Conceptos generales

Selección y Evaluación de Brocas (Código IADC)

Reología de los Fluidos. Definiciones

Métodos Hidráulicos. Definiciones y aplicaciones

Factores limitantes involucrados. Definición y cálculos

Diseño y optimización de los Métodos Hidráulicos para Brocas tricónicas y para Brocas PDC. Cálculos

Método Hidráulico de Campo. Aplicación y Procedimiento. Cálculos

73



Broca o Mecha Herramienta básica del proceso de

perforación, conocida igualmente con el nombre de Barrena ó Trepano

Se utiliza para cortar y penetrar las distintas formaciones que se encuentran en la envoltura rocosa que constituye la corteza terrestre

Lutitas, arcillas y limolitas

Areniscas

Carbonatos, yeso y dolomitas

Domo de sal

74



Su selección dependerá de ese tipo de formación a penetrar en sus distintas fases, tal que la misma pueda atravesarlas en el mejor tiempo posible, garantizando la optimización de su velocidad de penetración (ROP)

Tipos de Brocas o Mechas

De Conos: Maquinadas ó de Insertos

De Diamantes Policristalinos (PDC)

De Diamantes Naturales

Para la toma de núcleos

75



Brocas de Conos Maquinados ó de Insertos CT

76



Broca de ConosCojinete de Fricción y Canal de lubricidad interna

77



Broca de DiamantesPolicristalinos (PDC)

Broca de Diamante Natural

78



Mecanismo de Corte de la Broca

El mecanismo de corte de una broca o mecha, representa la forma como la misma penetra en la formación y realiza la separación de la corteza en partespequeñas conocidas como ripios o sólidos

Este mecanismo, esta relacionado con los factoresmecánicos aplicados (PSM y RPM) y dependerá del esfuerzo de la matriz de la roca para su vencimiento

De allí, que existen diferntes mecanismos de cortes, dependiendo el tipo de broca y por ende del tipo de formación

A continuación, una muestra de los mecanismos de corte de las brocas:

79



BrocaBroca de de InsertosInsertos de de CarburoCarburo de de TungstenoTungsteno ((TricTricóónicanica))

MecanismoMecanismo: : TrituraciTrituracióónn

80



BrocaBroca P.D.C P.D.C

MecanismoMecanismo: : CizallamientoCizallamiento

81



BrocaBroca de Diamante Natural de Diamante Natural

MecanismoMecanismo: : FricciFriccióónn óó AbrasiAbrasióónn

82



Concepto de Descentralización de las Brocas de Conos (Off-Set) .

La acción de perforación de una Broca o Mecha de conos depende de la descentralización de los mismos

Se conoce como Off-Set la medida o distancia de cuanto los conos están movidos tal que sus ejes axialesno se intersectan en un punto común de la línea central del hoyo

Este Off-Set, se expresa algunas veces como el ánguloque el eje del cono haría al ser rotado para hacerle pasarpor el eje central

83


Concepto de Descentralización de las Brocas de Conos (Off-Set) .

Para formaciones blandas donde se utiliza una brocade dientes fresados o maquinados largos los cualespenetran fácilmente, el mecanismo de rotación y la acción de raspado alternada del cono con Off-Set o sea descentralizado hace que se remueva o penetre mejor la formación

Una broca sin Off-Set o sea cero grado posee un mecanismo de corte el cual es esencialmente la trituración

Se recomienda en formaciónes blandas un Off-Set de hasta 4 grados, con tendencia a 0 grados en formacionesduras


84



Selección y Evaluación IADC

La IADC por años ha implementado una forma internacional de poder realizar una Selección y Evaluación de las Brocas en la Industria Petrolera

En principio, esta Selección y Evaluación estabafocalizada en las Brocas de Conos, posteriormente estase expandió hasta la Brocas PDC y de Diamantes Naturales

La foma tradicional de Evaluación tambien se extendióhasta estos diferentes tipos de Brocas, esto a permitido a los Ingenieros de Diseño mejorar la Selección de la misma debido a que se realiza una información integral de la Broca al finalizar su trabajo

85



Selección y Evaluación IADCLa forma de Selección IADC tradicional de las Brocas

de Conos, esta referida a tres dígitos, estos representan lo siguiente:

1er Dígito:Distingue el Tipo de Broca

1 , 2 y 3: Broca de dientes maquinados4, 5, 6, 7 y 8: Broca de insertos de CT

2do Dígito:Distingue el Rango de Dureza o características

de la formación1: Suave – Blanda / 2: Semi – Dura3: Dura / 4: Extremadamente Dura

3er DígitoDistingue las características de la Broca

86



Selección y Evaluación IADCLa forma de Evaluación IADC tradicional de las Brocas

de Conos, esta referida a tres aspectos de comparación de una Broca nueva y posterior a su uso, estos representan lo siguiente:

Dientes de la Broca:Distingue el desgaste del diente

T1 hasta T8

Conos de la Broca:Distingue el estado del cono

B1 a B4: Bueno, B5: Duda, B6 a B8: Malo

Calibre (Gage) de la Broca:Distingue el desgaste del calibre o diámetro

original de la brocaIngage o Outgage

87



Selección y Evaluación IADCAsí mismo, tal como lo mencionamos anteriormente el

Sistema IADC de Evaluación nos permite conocer en másdetalle las características de su Estructura de Corte y suestado final una vez finalizada la perforación, así como la razón que conllevo a decidir sacar la Broca del pozo

A manera de ejemplo:BC: Broken cone (cono roto)BT: Broken teath (dientes rotos)LC: Lost cone (cono perdido)RO: Ring out (anillada)LN: Lost nozzle (jets perdido)BHA: Cambio del BHALOG: Corrida de registrosPR: Tasa de penetraciónTO: Torque

88



Selección y Evaluación IADC Brocas o Mechas PDC: Estos tipos de brocas

consta de cuatro caracteres:

1ero: Define el material de la matriz de la mecha. Se utiliza “M” para carburo de tungsteno y “S” para acero.

2do : Identifica la densidad de corte que posee la mecha. Se utilizan cuatro dígitos que van del 1 al 4. El dígito “1”representa menor número de cortadores y el dígito “4” el mayor número de cortadores.

3ero: Identifica el tamaño o diámetro de los cortadores. Se utilizan los números del 1 al 4. Dígito 1, para mechas con cortadores de 24 mm. Dígito 2, para mechas con cortadores entre 14 mm a 24 mm. Dígito 3, para mechas con cortadores entre 9 mm a 14 mm. Dígito 4, para mechas con cortadores menores a 9 mm

89



Selección y Evaluación IADC

Brocas o Mechas PDC

4to : Se utiliza para identificar el perfil de la mecha; de acuerdo al siguiente criterio: Dígito 1, mechas tipo cola de pescado. Dígito 2, mechas de perfil corto. Dígito 3, mechas de perfil mediano. Dígito 4, mechas de perfil largo.

90



Hidráulica de Perforación:A fin de poder incorporarnos al campo de la

Optimización de los Métodos Hidráulicos, debemos hacer un repaso de los aspectos asociados a la Reología de los Fluidos y algunos conceptos de interés general

Esto serviría de plataforma para poder analizar la procedencia de los Métodos Hidráulicos, de allí su importancia

ReologíaCiencia de la fluidez de la materia que describe el

comportamiento del flujo de fluido

FluidoCualquier sustancia que se deforma continuamente

cuando se somete a un esfuerzo de cizallamiento por muy pequeño que éste sea

91



Esfuerzo de Cizallamiento o de Corte:Esfuerzo tangencial que tiende a deformar el elemento

fluyente

Régimen o Tasa de Corte: Régimen al cual se desenvuelve el esfuerzo de

cizallamientoe ó el fluido en comportamiento dinámico de desplazamiento

Funciones de los Fluidos El Ingeniero de lodo es dentro del equipo de trabajo en un

Taladro de Perforación, uno de los más importantes y de mayor responsabilidad

Dado que el fluido de perforación es considerado la sangre del pozo, podemos establecerlo como el control primario de dichas operaciones y que la optimización de todas sus propiedades garantizarán el cumplimiento de todas sus funciones

92



Funciones de los FluidosExisten una serie de funciones de los Fluidos de Perforación,

las cuales benefician de una manera directa a la Optimización de los Parámetros Hidráulicos y Mecánicos utilizados durante el proceso de construir un hoyo útil, a continuación se mencionan y analizan algunas de ellas:

Remover y transportar los cortes del hoyoProveer presión hidrostática – control del pozoTransmitir potencia hidráulica a la broca o mechaRefrigerar y lubricar la sarta de perforación en su

conjuntoRefrigerar y lubricar la broca o mechaMantener los sólidos o cortes en suspensiónProveer de una torta o revoque a la pared del pozo.Proveer información sobre el pozoPrevenir la corrosiónProveer transmisión de datos de las herramientas de fondoBrindar seguridad al personal y medio ambiente

93



Propiedades de los FluidosCada una de las funciones mencionadas anteriormente,

requieren la adecuación y la vigilancia permanente de sus Propiedades, las cuales cumplen un propósito especifico durante la perforación y/o reparación de los pozos petroleros

A continuación se muestra una Tabla de Propiedades, así como los equipos necesarios para su determinación, sus unidades, su uso y algunas observaciones importantes a fin de ser consideradas por el Ingeniero de Diseño y Planificación

94



CURSOS HRS

Propiedad Prueba Unidades Uso Observaciones

Peso o densidad del lodo

Viscosidad el embudo

Viscosidad PV

plástica

Punto de cedencia YP

Geles

pH

Pf/Mf/Pm

Balanza de lodo despresurizado o

presurizado

Embudo Marsh

Reómetro (VG meter) de

velocidad múltiple

pH metro o papel tornasol

Pruebas químicas


velocidad múltiple


velocidad múltiple

Gravedad específica o libras por galón

Segundos por cuarto

Centipoise

Libras por 100 pie2

Libras por 100 pie2

ninguna

cc’s

Para suministrar presión hidrostática en el fondo del hueco.

Indica las tendencias en las condiciones del lodo

Indica concentración de sólidos

Indica la capacidad de arrastre del lodo.

Indican las cualidades de suspensión del lodo cuando está estacionario y es

importante para la limpieza del hueco. Se mide normalmente después de 10

segundos y 10 minutos.

Determinar si el lodo es ácido o alcalino.

Determinar los diferentes niveles de alcanilidad del lodo.

Balanza presurizada, usada principalmente lodo espumoso o gas-

cortado.

En los lodos base aceite, el agua actúa como un sólido, así un lodo 50/50 tiene

mayor VP que un lodo 80/20.

Incrementada directamente por la adición de viscosicifantes. El ingeniero de lodos

tiene control directo sobre el YP, pero indirecto sobre la PV

Los geles iniciales y finales deberían ser muy cercanos o iguales. Mostrando que el sistema no se ha espesado excesivamente. Altos niveles de geles requieren una alta presión de bombas para romper la circulación.

Polímeros en lodos base agua requieren un pH alcalino pasa funcionar

apropiadamente.

Determina si la alcanilidad determinada por el pH es derivada de la fuente iónica

correcta.

Tabla de Propiedades de los Fluidos

95



CURSOS HRS

Propiedad Prueba Unidades Uso Observaciones

Pérdida de fluido API

Pérdida de fluido HPHT

Porcentaje de sólidos y aceite

MBT

Cal

Cloro

Celda de pérdida de fluido API

Celda HPHT

Retorta

Pruebas químicas

cc’s

Porcentaje de volumen (%)

Libras por barril

Libras por barril

Gramos por litro o parte por millón

(ppm)

Indica las características del filtrado del lodo.

Indica las características del filtrado del lodo.

Determinar las concentraciones de agua, aceite y sólidos en el lodo

Determinar las concentraciones de bentonita o sólidos equivalentes en lodos poliméricos (en lodos base

agua)

Determinar el nivel de exceso de cal en lodos base aceite.

Determinar el nivel de cloruros en el lodo y de aquí su habilidad para

inhibir hinchamiento de la arcilla en la formación.

El lodo es filtrado por 30 min. @ 100psi

Usado para dar advertencia de influjos de agua y también usado para

determinar pérdidas de aceite en descarga de sólidos.

Indica que tan bien el lodo estáinhibiendo a la formación de

dispersarse dentro del sistema.

La cal tiene dos usos en lodos base aceite: a) proveer un pH alcalino en la fase de agua, en caso de un influjo de

gas ácido, y b) facilitar la acción de emulsificantes.

Puede ser usado para lodos base agua o aceite, expresada también

como salinidad.

Pruebas químicas

Prueba de azul de metileno

cc’sNormalmente se lleve a cabo a

500psi y 250° F o BHST. Usado en lodos base agua y aceite

Tabla de Propiedades de los Fluidos

96



Tipos de FluidosLos fluidos que se circulan durante la perforación de un

pozo, se pueden clasificar según el comportamiento reológico o característica de flujo

Esto se traduce según la relación entre el esfuerzo de cizallamiento o de corte y el gradiente de velocidad o tasa de corte, de acuerdo a este criterio existen dos clases de fluidos:

Fluidos Newtonianos

Fluidos No Newtonianos

97



Fluidos Newtonianos:Son aquellos fluidos en los cuales el esfuerzo de

cizallamiento o de corte es directamente proporcional a a la tasa de corte

Características generales:El esfuerzo de cizallamiento o corte es directamente

proporcional a régimen de cizallamiento o tasa de corte

La viscosidad es independiente del régimen de cizallamiento o corte y disminuye con la temperatura

Fluido incompresibleLa relación de YP/VP = 0 No tiene capacidad de suspensiónÍndice de comportamiento de flujo (n) igual a unoPerfil de velocidad constante

98



Fluidos No Newtonianos:Son aquellos que presentan una amplia variedad de

relaciones entre el esfuerzo de cizallamiento o corte y la tasa de corte, lo cual conlleva a una clasificación

Características:La incorporación de sólidos cambia el

comportamiento reológico de un fluido Newtoniano a uno No Newtoniano

La viscosidad depende las condiciones de flujoSe requiere de un esfuerzo de cizallamiento inicial

para comenzar a deformar el fluidoPoseen capacidad de suspensiónLos fluidos de perforación son considerados fluidos

No Newtonianos

99



Fluidos No Newtonianos:Estos fluidos se clasifican de la siguiente manera:

Fluidos cuyo comportamiento es independiente del tiempo:

Plástico de Bingham:Requieren de una velocidad mínima de cizallamiento

igual al punto cedente para iniciar el movimiento

PseudoplásticoLa viscosidad aparente disminuye al aumentar el

régimen o tasa de corte.

Dilatante:La viscosidad aparente aumenta al aumentar el

régimen o tasa de cizallamiento. Los Fluidos Plásticos y Pseudo plásticos disminuye su viscosidad al aumentar el régimen o tasa de cizallamiento, en los Fluidos Dilatantes ocurre lo contrario

100



Regímenes de Flujo:Para realizar un análisis del comportamiento de los

fluidos, se han establecidos unos Regímenes de Flujo que dependen de la velocidad del fluido y de las propiedades del mismo

De allí que, podemos definir como Régimen de Flujo, aquellos patrones de comportamiento de las características del movimiento de un fluido a través de una tubería o un espacio anular. Es necesario también definir lo siguiente:

Número de Reynolds (Nº Re):Parámetro adimensional que relaciona la

velocidad y las propiedades de un fluido

101



Número de Reynolds (Nº Re):Considerando el número adimensional de Reynolds, los

Regímenes de Flujo se han clasificado de la siguiente manera:

- Flujo Tapón: Nº Re ≤ 100

- Flujo Laminar: 100 ≤ Nº Re ≤ 2100

- Flujo Turbulento: Nº Re > 4000

Como podemos observar, existe un régimen de transición entre Laminar y Turbulento, para el cual no se han desarrollado ecuaciones para aproximar el comportamiento real del fluido.

102



Regímenes de Flujo:Etapas de Flujo. Análisis

El comportamiento gráfico de los Regímenes de Flujo se muestra en esta secuencia en Etapas:

Perfiles de Velocidad

Flujo Tapón Flujo Laminar

Flujo de Transición Flujo Turbulento

103



Velocidad Crítica (Vc):Otra forma de considerar si un flujo puede ser

clasificado como Laminar o Turbulento, es utilizando el concepto de Velocidad Crítica.

Esto sería comprando la Velocidad Anular (Va) en la sección más pequeña con la Velocidad Crítica, es decir:

Va < Vc Flujo Laminar

Va > Vc Flujo Turbulento

104



Modelos ReológicosSe define como Modelo Reológico aquellas

aproximaciones matemáticas del comportamiento real de un fluido en régimen de Flujo Laminar

En la caracterización del comportamiento de los fluidos que son circulados durante el proceso de la perforación de un pozo, numerosos estudios se han realizado con el objeto de obtener una descripción matemática de las fuerzas viscosas presentes

Esta descripción, permite desarrollar unas ecuaciones para poder determinar las pérdidas de presión por fricción que se producen al circular el fluido de perforación en un Sistema de Circulación (ver gráfico anexo)

105



Mud Pump

Swivel

Kelly or Topdrive

Annulus

Rotary Hose

Standpipe

Drillpipe

Wellbore

12 ¼” Bit

Drill Collars

Rig Floor

Flow Line

Formations

Casing

BOP

Drilling Mud

Shakers

Mud Pits

Oil/Gas

Standpipe or Circulating Pressure

Sistema de Circulación

106



Modelos ReológicosUn buen Modelo Reológico, debe cumplir los siguientes

requisitos:

Aproximarse estrechamente a la relación verdadera entre el esfuerzo de cizallamiento o corte y la velocidad o tasa de corte

Debe basarse en mediciones que puedan realizarse a nivel de campo en forma rutinaria

Debe ser suficientemente simple, de modo que sus cálculos y las inferencias que se basen en él puedan ser aplicadas en el campo

107



Modelos ReológicosLos Modelos Reológicos más utilizados en la Industria

Petrolera, son los siguientes:

Modelo Newtoniano Utilizado para Fluidos Newtonianos

Modelo Plástico de BinghamUtilizado para Fluidos Plásticos

Modelo Ley de Potencia (Power Law) o Exponencial

Utilizado para Fluidos Pseuplásticos y Fluidos Dilatantes

108



Modelos ReológicosFórmulas Generales

Para determinar las caídas de presión en el Sistema de Circulación, es necesario determinar las pérdidas por fricción en cada sección por donde el fluido transitará durante el proceso, para luego obtener la caída total de presión en el sistema

Las pérdidas por fricción en cada parte del sistema, dependerá principalmente de los siguientes parámetros:

.- Diámetros de tubería o anulares

.- Velocidad del Fluido

.- Viscosidad del Fluido

.- Número de Reynolds

109



Fórmulas GeneralesLos valores de los diámetros referidos a los tubulares,

están en función de la configuración final del hoyo previamente diseñado. Así como los valores de Viscosidad Plástica en función del tipo de fluido y sus características

Los valores de Velocidad podrán ser calculados de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

Vi = 24.5 x Q (pie/min) Van = 24.5 x Q (pie/min)di ( DM – dm )

Vi: Velocidad interna (pies/min) di: Diámetro interno, pulgsVan: (Velocidad anular (pies/min) DM: Diam. Mayor, pulgsQ: Caudal o Gasto, gal/min dm: Diam. menor, pulgs

2 22

110



Fórmulas GeneralesLa siguiente ecuación representa las diferentes caídas de

presión que existen en un Sistema de Circulación

Ps = ∆Pcs + ∆Pdp + ∆Pdc + ∆Pb + ∆Ph-dp + ∆h-dc

donde:Ps: Presión total en el sistema∆Pcs: Caída de presión en las conexiones superficiales∆Pdp: Caída de presión en la tubería de perf. (drill pipe)∆Pdc: Caída de presión en las barras (drill collars)∆Pb: Caída de presión en la barrena o mecha∆Ph-dp: Caída de presión anular hoyo – drill pipe∆Ph-dc: Caída de presión anular hoyo – drill collars

111


Fórmulas GeneralesEn general, podemos concluir que la Presión Total del

Sistema es:

Ps = ∆Pc + Pb

donde:Ps: Presión Total en el Sistema a nivel de la bomba de circulación del fluido, psi

∆Pc: Pérdidas de presión por fricción a través de todo el Sistema de Circulación excluyendo la broca o mecha, psi

Pb: Pérdida de presión por fricción a través de la broca o mecha, psi


112



Fórmulas GeneralesA continuación se presentas las formulaciones generales

para los Modelos más comúnmente utilizados partiendo de sus ecuaciones base

Estas formulaciones estarán orientadas a conocer la pérdidas de presión por fricción en las secciones donde el fluido realiza su recorrido durante el proceso de circulación.

Las siguientes fórmulas serán para:Flujo Laminar y Turbulento para Fluidos

Newtonianos en Tubería y Anular - Modelo Newtoniano

Flujo Laminar y Turbulento para Fluidos No Newtonianos en Tubería y Anular - Modelo Plástico de Bingham y Modelo Ley de Potencia

113



Flujo Tubería Anular

Laminar

Turbulento

∆P = µ x L x V90.000 x di

∆P = µ x L x V60.000 x (DM – dm)2 2

∆P = f x ρ x L x V 2

25.8 x di∆P = f x ρ x L x V

25.8 x (DM – dm)

2

Fluido Newtoniano - Modelo Newtoniano

µ = Viscosidad, cpsL: Longitud, piesV: Velocidad, pie/mindi: Diámetro interno, pulgs

DM: Diámetro mayor, pulgsdm: Diámetro menor, pulgsf: Factor de fricción de Fanning, adimf = 0.02 / (Nº Re ) (Blaisus)ρ: Densidad del fluido, ppg

0.14

114




Laminar

Turbulento

∆P = µ x L x V + YP x L

90.000 x di 225 x di

∆P = µ x L x V + YP x L

60.000 x (DM – dm) 200 x (DM – dm)2 2

∆P = f x ρ x L x V2

25.8 x di

∆P = f x ρ x L x V

25.8 x (DM – dm)

2

Fluido No Newtoniano - Modelo Plástico de Bingham

µ: Viscosidad, cpsYP : Punto cedente, lbs/100 pieL: Longitud, piesV: Velocidad, pie/mindi: Diámetro interno, pulgs


2

0.14

115




Laminar ∆P = 1.6 x V 3n + 1 k x L

Turbulento

di 4n 300 di

∆P = 2.4 x V 2n + 1 k x Ln

∆P = f x ρ x L x V2

25.8 x di

∆P = f x ρ x L x V

25.8 x (DM – dm)

2

Fluido No Newtoniano - Modelo Ley de Potencia

n: Índice de potencia, adimk: Índice de consistencia, lbs/100 pieL: Longitud, piesV: Velocidad, pie/mindi: Diámetro interno, pulgs

2

(DM – dm) 3n 300 (DM – dm)

n


0.14

116



Densidad Equivalente de Circulación (E.C.D)Si una mayor presión en el fondo del hoyo existiese

generada por una mayor densidad del fluido, podría producirse un retraso considerable en la velocidad o tasa de penetración (ROP)

Esto significa, que si existe una condición dinámica, existirá una mayor presión en el fondo ejercida por una densidad dinámica del fluido de perforación, de allí el concepto de E.C.D (Equivalent Circulation Density)

Se conoce como E.C.D, a la densidad existente dentro del hoyo cuando se realiza la actividad de circulación de un fluido y referida al fondo la densidad que se ejerce en contra de la formación que se esta atravesando

117



Densidad Equivalente de Circulación (E.C.D)Al existir la circulación en el proceso de perforación

las probabilidades de arremetidas o amagos son menores que cuando se esta realizando los viajes con la tubería, esto representa un ventaja para las condiciones dinámicas

El cálculo del E.C.D en el fondo del pozo, se podráobtener por la siguiente ecuación:

E.C.D = ρo + [ Σ ∆P anular ]0.052 x TVD

ρo: Densidad original del fluido, ppgΣ∆P anular: Sumatorias de las pérdidas de presión por fricción anular, psiTVD: Profundidad Vertical Verdadera, pies

118



Ejercicio:Datos

L600 = 50 lbs/100 pieL300 = 30 lbs/100 pieL200 = 25 lbs/100 pieL100 = 18 lbs/100 pieL6 = 6 lbs/100 pieL3 = 4.5 lbs/100 pieProfundidad: 10000´DP´s: 5”, 19.5 lbs/pie, “S-135”DC´s: 6 ¼” DE x 2 ¼” DI, Longitud DC´s: 650´Diámetro del hoyo: 8 3/8”ρo : 10 ppgDiámetro del revestidor: 9 5/8”, “N-80”, DI: 8.681”, TVD zap:

6000´Caudal (Q): 300 gal/min

Calcular el E.C.D utilizando el Modelo Plástico de Bingham y el de Ley de Potencia. Evaluar comparación

119



Hidráulica de PrerforaciónEl uso de la Hidráulica de Perforación, se inició con la

utilización de los orificios o jets de la broca o mecha en el año de 1948. Desde ese entonces hasta la actualidad han sido utilizados y mejorados los programas de circulación para lograr optimizar la velocidad o tasa de penetración (R.O.P)

El concepto de Hidráulica de Perforación, se refiere a la limpieza efectiva del fondo del pozo mediante el desalojo de los cortes o sólidos producidos por la acción de la barrena contra la formación

Fundamentalmente, la velocidad o tasa de penetración de un pozo, está gobernada por la eficiencia en la remoción de los sólidos desde el fondo del hoyo hasta la superficie

120



Hidráulica de PerforaciónAdicionalmente, dicha velocidad es directamente

proporcional al peso sobre la broca y se comporta de manera exponencial a la velocidad de rotación o RPM seleccionados, considerado estos como Factores Mecánicos

De allí que para obtener una apropiada remoción y penetración, se diseñan a su vez Programas Hidráulicos, los cuales establecen una óptima selección de caudales o gastos para la circulación, así como tamaños de los orificios o jetsde la broca

En conclusión, esta combinación de Factores Mecánicos y Factores Hidráulicos producen una mejor rentabilidad en los costos finales del pozo dado que se genera una óptima penetración de la roca

121



R.P.MP.S.M

HIDRÁULICA(Caudal y Área de los jets)

R.O.P opt.

Factores Mecánicos e Hidráulicos

122



Descripción General de los MétodosLos Métodos Hidráulicos están definidos como el

procedimiento a seguir en un Programa de Circulación del fluido de perforación, el cual podrá a través de un diseño óptimo del caudal y del tamaño de los orificios de la broca o mecha generar una limpieza efectiva del fondo del hoyo

De allí que, análisis realizados por investigadores confirman dos diferentes teorías en el diseño de los Programas de Circulación o Hidráulicos apropiados

Estos análisis concluyen la existencia de dos Métodos Hidráulicos comúnmente utilizados en el proceso de construir un pozo y un hoyo útil

123



Hidráulica de Perforación

Métodos HidráulicosMétodo de Máximo Impacto Hidráulico

Impacto que se produce al salir los fluidos de la mecha o barrena. Utilizado para formaciones poco consolidadas.

Representa el 48 % de la Presión de Circulación o de Superficie a nivel de la Broca o Mecha

ΔPr. Broca = m x Pr. Superficiem + 2

donde: m = Pendiente = 1,86

124



Hidráulica de Perforación

Métodos HidráulicosMétodo de Máxima Potencia Hidráulica

Maximizando la Potencia al salir los fluidos de la mecha. Utilizado para formaciones consolidadas

Representa el 65 % de la Presión de Circulación o de Superficie a nivel de la Broca o Mecha

Δ Pr. Broca = m x Pr. Superficiem + 1

donde: m = Pendiente = 1,86

125



Factores LimitantesCaudal mínimo

Garantiza la limpieza de los cortes del fondo del pozo

Caudal máximoLimitado por las características de la bomba del taladro

Caudal críticoPara evitar problemas de cavernas o lavado del hoyo

Presión máximaDepende de las características de la bomba del taladro

Caudal óptimoGarantiza la pérdida de presión óptima en la mecha de

acuerdo al Método Hidráulico seleccionado

126



Desplazamiento de la bomba (Db)

Bomba Duplex (bls/stk)

Db = 0,000162 x (2dc – dv ) x Lv = bls/stk

Bomba Triplex (bls/stk)

Db = 0,000243 x (dc ) x Lv = bls /stk

donde:dc = Diámetro de la camisa, pulgsdv = Diámetro del vástago, pulgsLv = Longitud del vástago, pulgs0,000162 = Cte para Bomba Duplex0,000243 = Cte para Bomba Triplex

2 2

2

127



Caudal de la bomba (Q)

Q = No. stk . x Db x EV = bls/min

donde:No. stk . = Número de strokes o emboladas de la bomba (duplex o triplex)Db = desplazamiento de la bomba, bls/stkEV = Eficiencia Volumétrica, %

Caudal mínimo (Qmin)

Qmin = Vamin x (Dh – DE tp ) /24,5 = GPM

donde:Vamin = Velocidad mínima entre hoyo y tubería, pies/minDh = Diámetro del hoyo, pulgs y DE tp = Diámetro externo de tubería, pulgs, / 24,5 = Factor de conversión

2 2

128



Caudal máximo (Qmax)

Qmax = No. stk max. x Db x EV = bls/stk

donde:No. Stk max. = No. de strokes máximos de una bomba (duplex o triplex). Si se poseen dos bombas dichos strokes deben ser sumados

Caudal Crítico (Qcrit)

Qcrit = Vacrit x (Dh – db ) / 24,5 = GPM

donde:Vacrit = Velocidad crítica entre hoyo y las barras de perforación, pies/minDh = Díametro del hoyo, pulgs y db = Diámetro de las barras, pulgs24,5 = Factor de conversión

22

129



Velocidad Crítica (Vc):La ecuación utilizada para el Modelo Plástico de

Bingham es la siguiente:

Vc = 60 [1,08 µp + 1,08 √(µp) + 9.26 (DM – dm) YP ρ]ρ (DM – dm)

donde:Vc: Velocidad crítica, pies/minµp: Viscosidad plástica, cpsDM: Diámetro mayor, pulgsdm: Diámetro menor, pulgsYP: Punto cedente, lbs/100 pieρ: Densidad del fluido, ppg

2 2

2

130



Modelo Ley de Potencia (Power Law)

Los valores de los parámetros “n” y “k” se pueden determinar utilizando el Viscosímetro FANN V.G a través de las siguientes ecuaciones:

n = 3,32 log (L600 / L300) = 3,32 (L200 / L100)

k = 1,066 [ L300 ] = 1,066 [ L100 ](1,703 x 300) ( 1,703 x 100)

donde:n = Índice de Potencia o de comportamiento de flujo (n < !)K = Índice de ConsistenciaL600, L300, L200, L100: Lecturas del Viscosímetro a las distintas velocidades de 600, 300, 200 y 100 rpm

n n

131



Velocidad Crítica (Vc):La ecuación utilizada para el Modelo Ley de Potencia

es la siguiente:

Vc = [ 3,878 (10 ) K ] x [ 2.4 ] ρ (DM – dm)

donde:Vc: Velocidad crítica, pies/minK: Índice de consistencia, lbs/100 pien: Índice de potencia, adimDM: Diámetro mayor, pulgsdm: Diámetro menor, pulgsρ: Densidad del fluido, ppg

4 1/(2 – n) n /(2 – n)

132



Presión de Superficie máxima de la Bomba (Psmax)

Psmax = HP bomba x 1.714 = psiQmax

donde:HP bomba = Potencia de la Bombas del fluido de petforación, HPQmax = Caudal máximo de una sola bomba, GPM1.714 = Factor de conversión

Caudal óptimo (Qopt)

Qopt = Q ref (ΔPc opt / ΔPc ref) = GPM

donde:Q ref = Caudal original de referencia, GPMΔPc opt = Caída de presión óptima de acuerdo al Método, psiΔPc ref = Caída de presión de referencia, psi

0,538

133



> Q min < Qmax< Qcrit

Max. Impacto ΔPm = 48% Psup

Max. PotenciaΔPm = 65% Psup

(debe ser)

(debe proporcionar)

Caudal òptimo (Qopt)

Qopt

Qopt

134



Potencia por pulgadas cuadradas (HSI)

HSI = HHPm / A = hp / pulgs

donde:HHPm = Potencia en la Mecha, hpHHPm = ( ΔPm x Q) / 1714 A = Área del hoyo, pulgs = A = (π / 4) x DhNota: El valor de HSI debe mantenerse en la manera de lo posibledentro de un rango de: 2,0 < HSI < 6,0

2

22

Velocidad de los chorros o jets (Vjets)

Vjets = Q / (3,12 x TFA) = pie / min

donde:Q = Caudal de la bomba en uso, GPMTFA = Total Fluid Area, de los jets de la broca en uso, pulgs3,12 = Factor de conversión

135



Ejercicio para el Diseño Hidráulico:Datos

Dhoyo = 12 ¼”Tubería DP´s = 5” OD x 4,276” ID, 19,5 lbs/pieBarras DC´s = 7 ¼” OD x 2 13/16” IDLong b = 700 piesDlodo = 10 ppgVP = 20 cpsYP = 10 lbs / 100 pie cuadrados2 Bombas FA-1300 , Triplex, Dc = 6” x Lv = 12”, EV = 95%Strokes por min = 120 spm c/uTipos de Equipos de Superficie = No. 3Presión de trabajo en superficie recomendada = 2.500 psiProfundidad del pozo para el diseño: 6.000 a 10.000 pies

Calcular las caídas de presión utilizando el mecanismo de Tablas.

Utilice para los cálculos de optimización de la hidráulica los dos Métodos sugeridos

136



Prof(pies)

Δpces(psi)

ΔPtp(psi)

ΔPb(psi)

ΔPh-b(psi)

ΔPh-tp(psi)

ΣΔPc(psi)

Fc ΔPcc(psi)

Tabla para el Diseño Hidráulico

137



Prof(pies)

ΔPcc(psi)

Qopt(GPM)

Qtrab(GPM)

ΔPcopt(psi)

ΔPbitopt(psi)

TFA(p c)

%Efic.

HSI(Hp/pc)


138



Prof(pies)

Δpces(psi)

ΔPtp(psi)

ΔPb(psi)

ΔPh-b(psi)

ΔPh-tp(psi)

ΣΔPc(psi)

Fc ΔPcc(psi)


139



Prof(pies)

ΔPcc(psi)

Qopt(GPM)

Qtrab(GPM)

ΔPcopt(psi)

ΔPbitopt(psi)

TFA(p c)

%Efic.

HSI(Hp/pc)


140



Criterios Hidráulicos modificados

El flujo cruzado es el volumen de fluido moviéndose a través del fondo del pozo y es función directa de la tasa de circulación. En algunas oportunidades se expresa en unidades de gal/min., por pulgada de diámetro de la mecha.

Es una medida de la eficiencia de la limpieza del fondo del pozo, necesaria para prevenir retriturar los cortes de formación ya originados y/o dañar la mecha

En algunos casos, debido a deficiencias en el flujo circulando en la cara de la mecha (flujo cruzado), los cortes no son removidos eficientemente fuera del fondo del pozo.

141




Esto origina una reducción de la tasa de penetración, pegas de tubería e innecesarias pérdidas de circulación. Para eliminar éstas posibilidades, es aconsejable mantener el máximo volumen de bombeo y calcular la tasa de penetración máxima permisible, de acuerdo a la hidráulica disponible

La máxima tasa de penetración debe calcularse antes de perforar hoyos de 14 ¾” y mayores.

Esta máxima tasa se calcula inicialmente basada en el peso del lodo anticipado entrando, el máximo peso del lodo tolerable saliendo, incluyendo el peso de los cortes y la máxima tasa de circulación que puede usarse, sin exceder la velocidad anular crítica.

142

Ingeniería dePerforación



La densidad del lodo en el anular no debe exceder la densidad del lodo entrando, en más de 0.5 lbs/gal, para los cálculos iniciales. Después de iniciada la perforación, la experiencia de campo permitirá hacer ajustes mayores o menores

La siguiente regla de mano se usa en el campo con exactitud adecuada para calcular la tasa de penetración máxima:

ROP max = 67 (Dls – Del ) x Q(pies/min) Dhoyo

donde: Dls = Densidad del lodo saliendo, ppgDel = Densidad del lodo entrando, ppg

2

143




Como incrementar el flujo cruzado en mechas tricónicas ?

Estudios realizados por A. Sutko, R.H. Mclean, S.C. Townsend, L.H. Robinson y otros, además de experiencias operacionales, han demostrado que al taponar una boquilla a una mecha tricónica, conservando el TFA constante y con un caudal determinado, mejora la tasa de penetración, por una mejoría en la limpieza del hoyo, debida a un incremento en la velocidad del flujo cruzado.

La fuerza de remoción de las cortes para mechas con 2 boquillas es mayor que la fuerza para una mecha con 3 boquillas. Investigadores han desarrollado formulaciones para determinar la velocidad del flujo cruzado en el borde del área inmediata de la boquilla.

144



Hidráulica en Brocas PDC

El diseño hidráulico para las Brocas PDC, se reduce a la búsqueda efectiva del área de los jets o chorros requeridos para circular con el Caudal mínimo sugerido por el fabricante

Igualmente que produzca los HSI pre-seleccionados y que los valores de presión de circulación o bombeo sean manejables por las bombas del Taladro

La información necesaria para poder implementar un Diseño son:

Qmin (proporcionado por el fabricante)HSI (rangos en 2,5 y 6,0)Densidad del fluido

145




Procedimiento de DiseñoSeleccione un valor de HSI sugerido por el fabricante

Calcular el Qmin, Qmax y Qcrítico

Qmin = 12,72 x Dh

Seleccione un valor de Caudal de Trabajo (Qtrab) que este dentro de los valores mínimos y máximos y que no exceda el Qcrítico. Compare este Qtrab con el valor mínimo que sugiere el fabricante

Calcule el valor de Caída de Presión en la Broca (ΔPb)

ΔPb = 1.346,2 xHSI x Dh = psiQtrab

1,47

2

146




Procedimiento de Diseño:

Calcule en Área de los Jets y distribuya en diámetro de acuerdo al número de jets que la Broca posea

Ajets = [ (Qtrab x Dlodo) / (10.860 x ΔPb) ]

Con el Qtrab calcule las distintas caídas de presión del Sistema de Ciirculación (ΔPc)

Calcule la Presión en la Superficie

Pr. superf = ΔPb + ΔPc

1/22

147



Ejercicio para el Diseño Hidráulico de PDC:Datos

Dhoyo = 12 ¼”Tubería DP´s = 5” OD x 4,276” ID, 19,5 lbs/pieBarras DC´s = 7 ¼” OD x 2 13/16” IDLong b = 750 piesDlodo = 16 ppgVP = 30 cpsYP = 16 lbs / 100 pie cuadrados2 Bombas FA-1300 , Triplex, Dc = 6” x Lv = 12”, EV = 95%Strokes por min = 120 spm c/uTipos de Equipos de Superficie = No. 3Presión de trabajo en superficie: 2.700 a 3.300 psiProfundidad del pozo para el diseño: 7.000 piesHSI recomendado = 3,0 y 4,0Qmin recomendado por el fabricante = 600 GPM Jets de la broca PDC = 5 jets

148



Hidráulica de campoLas relaciones analizadas para el criterio de máximo impacto

hidráulico han sido profundamente utilizadas en todos los programas hidráulicos existentes en la actualidad, con las consiguientes observaciones y objeciones sobre su exactitud, porlas razones siguientes:

El valor del exponente o pendiente igual a 1,86 es aproximado.

No existe ningún modelo reológico que represente fielmente el comportamiento de los fluidos utilizados en perforación, además, se asume que en todo el pozo el patrón de flujo es turbulento.

Los modelos reológicos utilizados más frecuentemente para el cálculo de las caídas de presión en el sistema de circulación son: el modelo plástico o de Bingham y el modelo de Ley de Potencia, así como otros más sofisticados, como el de Casson, son igualmente modelos empíricos

149



Hidráulica de campo

En base a lo expuesto anteriormente las caídas de presión obtenidas con éstos modelos son referenciales

Se considera que en todo el pozo el flujo es turbulento, lo cual es aplicable para el cálculo de las caídas de presión dentro de la sarta de perforación, no así para los espacios anulares, donde normalmente se tiene flujo laminar o de transición

Para los cálculos con los modelos anteriores, se considera constante la reología del fluido en todo su recorrido, desde que abandona la bomba, hasta que retorna a los tanques activos, lo cual no es cierto, esto origina errores adicionales

Otra parte de error en los cálculos, es asumir que el hoyo a perforar estará a calibre, también, al ocurrir cualquier cambio en las características del hoyo perforado se deben ajustar los cálculos hidráulicos

150




En vista de lo mencionado anteriormente, se recomienda la utilización del denominado “Método Hidráulico de Campo”. Las ventajas de la aplicación de éste método durante la perforación de un pozo son las siguientes:

No es necesario el cálculo de las caídas de presión en el sistema de circulación con modelos matemáticos empíricos, puestos que éstos se obtienen de las presiones de bombas, observadas en los manómetros respectivos.

Esto dará el esfuerzo real (PB) necesario para mover el fluido de circulación, en el sistema de circulación, para una condición dada.

La única caída de presión a calcular, es la que se origina a través de los juets de la broca. Esta se determina con la fórmula utilizada para la caída de presión a través de los jets

151




Se obtiene el valor real de “m” y el ajuste de los parámetros hidráulicos se realiza a la profundidad donde sea necesario un cambio de mecha

En conclusión, el realizar un procedimiento de campo es realmente un mecanismo de absoluta confianza para el diseño de los jets de la broca que esta por entrar, este debe hacerse bajo las premisas de que se tienen reales condiciones del fluido y de tener con exactitud los valores de la verdaderas caídas de presión en un sistema de circulación y en un hoyo

A continuación el procedimiento sugerido para realizar un Método Hidráulico de Campo

152

Ingeniería Básica de Perforación



Procedimiento de Diseño

Seleccione dos valores de Caudal diferentes (Q1 y Q2) y observe los valores de presiones de la bomba (Psup1 y Psup2). Se recomienda que Q1 sea el valor de caudal que se está utilizando para la perforación

Calcule dos valores de la caída de presión en la broca para los dos caudales seleccionados. El área de los jets a utilizar deberá ser el de la broca que está por sacarse del hoyo

ΔPb1 = Dlodo x (Q1) ΔPb2 = Dlodo x (Q2)10.860 x TFA 10.860 x TFA

2

2

2

2

153

Ingeniería Básica de Perforación



Determine los valores de caídas de presión en el sistema de circulación (ΔPc) para los valores de caudal seleccionados:

ΔPc1 = Psup1 – ΔPb1 y ΔPc2 =Psup2 – ΔPb2

Determine el valor real de la pendiente “m”

m = log (ΔPc1 / ΔPc2)


log (Q1 / Q2)

Calcule el valor de “K”

K = (ΔPc1 / Q1 ) = (ΔPc2 / Q2 )m m

154




De acuerdo al Método Hidráulico que ha seleccionado, calcule el valor del ΔPcopt

Impacto: ΔPcopt = (2 / m + 2) x Ps1

Potencia: ΔPcopt = (1 / m + 1) x Ps1

Determine el valor de ΔPb opt = Ps1 – ΔPcopt

Calcule el valor de Qopt = (ΔPcopt / K )

Calcule el TFA de la fórmula conocida

Calcule los HSI y el Porcentaje de eficiencia real de las fórmulas conocidas

1/m


155



Ejercicio para Método de Campo:Datos

Dhoyo = 8 ½”Tubería DP´s = 5” OD x 4,276” ID, 19,5 lbs/pieBarras DC´s = 6 ¼” OD x 2 ¼” IDLong b = 700 piesDlodo = 14 ppgVP = 28 cpsYP = 16 lbs / 100 pie cuadrados2 Bombas FA-1300 , Triplex, Dc = 6” x Lv = 12”, EV = 95%Strokes por min = 120 spm c/uTipos de Equipos de Superficie = No. 3Jets de la broca en uso: 2 x 10/32 y 1 x 9/32Profundidad; 12.000 piesValores tomados: Q1 = 250 GPM y Ps1 = 2.700 psi

Q2 = 125 GPM y Ps2 = 690 psi

Calcule los nuevos tamaños de los jets de la próxima Broca

brocas y lodos U 2

Documents

Transcript of brocas y lodos U 2