Hidráulica de Perforación

Hidráulica de Perforación Hidráulica es el estudio de un fluido en movimiento. Proveer el uso eficiente del sistema de circulación del Equipo de Perforación para proveer la máxima energía hidráulica, potencia o fuerza al fondo de pozo. Disminuir el Costo Total de Perforación.

Presión (lb./sq. in.) Una Fuerza o empuje se necesita para mover el fluido y vencer las resistencia al movimiento (inercia). Esta fuerza o empuje es definido como presión medida en Libras por pulgada cuadrada. (psi) La Presión es desarrollada por los pistones en la bomba empujando contra el fluido. A mayor magnitud de la presión indica que hay mayor dificultad en empujar el fluido a través de un sistema de circulación.

Mecánica de fluidos Presion hidrostática Aumenta con la profundidad y la densidad Controla la presión de la formación a medida que se perfora Cuando la presión hidrostática es alta, disminuye la ROP

Mecánica de fluidos Presión hidráulica Presión necesaria para que el fluido pase por la tubería. En pozos petroleros, es la presión generada por la bomba de lodo para que el fluido fluya alrededor del sistema. Caída de presión Cantidad de presión necesaria para que el fluido alcance una distancia determinada. La fricción, la gravedad y las propiedades del fluido son algunos de los factores responsables de la caída de presión.

Mecánica de fluidos Pérdida total de presión La pérdida de presión en todo el sistema es la suma de: Presión hidrostática Presión hidráulica Presión impuesta

Sistema de Circulación Cuello de Ganso Vastago Manguerote Kelly Standpipe Bombas Tanques Tubería de Perforación Presas Porta Mechas Anular Trepano

A. Equipo desarrolla Potencia

B. El motor entrega potencia a la bomba y la bomba potencia al fluido de circulación

C. El fluido en movimiento provee potencia a través de las Boquillas del Trepano

El medio es: El Fluido de Perforación

Funciones del Fluido de Perforación Llevar Recortes de Roca a la superficie Limpiar Recortes debajo del Trepano Lubricar y enfriar la sarta de perforación y del Trepano Estabilizar las paredes del Pozo Controlar las presiones de la SubSuperficie

Resistencias al Movimiento del Fluido Restricciones en el sistema Superficies Ásperas Longitud del Sistema Propiedades del Fluido Cantidad de Fluido Circulando (caudal)

MODELO HIDRÁULICO Δ P P1 P2 Gran parte del modelo está determinado por la geometría de las secciones –diámetros internos externos, longitudes-. La hidráulica consiste básicamente en calcular caídas de presión en cada sección El fluído al pasar a través de un tubo o restricción sufre una caída de presión Δ P TP Lodo con Presión Inicial P1 Lodo con Presión Final P2 D L

Principales Factores que afectan la Presión 1. Caudal 2. Área de Flujo 3. Longitud o Distancia 4. Propiedades del Fluido (Peso & Viscosidad)

1. Caudal es el volumen de fluido circulando en un determinado lapso de tiempo.

El caudal afecta la Presión en las Bombas Longitud de Tubería = 300 Mts Diámetro de Tubería = 4½ pulgada Caudal 400 GPM 800 GPM (2 veces) Presión 67 PSI 244 PSI (casi 4 veces)

2. Area de Flujo

El Area de Flujo Afecta Presión de la Bomba Caudal = 400 GPM Longitud de Tubería = 300 Mts Diam Tubería 5 pulgada 4½ pulgada Area de Flujo 14.4 in2 11.5 in2 Presión 38 PSI 67 PSI (76% mayor)

3. Longitud del Sistema o distancia que el fluído se mueve afecta la Presión.

La Distancia Afecta la Presión de la Bomba Caudal = 400 GPM Diam Tubería = 4½ pulgada Longitud de Tubería 300 Mts 600 Mts (2 veces) Presión 67 PSI 134 PSI (2 veces)

4a. Peso del Fluido afecta la Presión.

Diam Tubería = 4½ pulgada Las Propiedades del Fluido Afectan la Presión de la Bomba Peso del Lodo Caudal = 400 GPM Diam Tubería = 4½ pulgada Peso del Lodo 9 PPG 9.7 PPG Presión 69 PSI 75 PSI (8% more)

4b.Viscosidad del Fluido – Resistencia a Fluir

Viscosidad Plástica Caudal 400 GPM Longitud 300 Mts. Diam Tubería 4½” Peso del Lodo 10 PPG PV = 15 CP. Presión = 125 PSI PV = 50 CP. Presión = 148 PSI

Modelo Hidráulico de Perforación Trepanos ( boquillas) Sarta de Perforación (MF+DC+DP+HW+MWD) Espacio Anular Equipo de perforación LODO LODO Δ PEQUI. Δ PSP Δ PTNO Δ PANN

Presión Superficie (Standpipe) La Presión Total requerida para empujar el fluido a través del sistema

RESUMIENDO Incremento de Presión de la Bomba Incremento del Caudal Reducción del Area de Flujo Incremento de longitud o distancia Mayores Peso de Lodo Mayores Viscosidades

RESUMIENDO Variables Perdidas del sistema Potencia en el Trepano Decremento del Caudal Disminuye Incremento del Area de Flujo Aumenta Incremento de Longitud Decremento del Peso del Lodo Decremento de la Viscosidad

Maximizar potencia o impacto en el Trepano Ajustar Principales Factores de tal manera que la Máxima Presión permitida en superficie no sea excedida. Entre estos limites nosotros haremos los ajustes para entregar la máxima potencia o impacto al fondo de pozo.

Teorías en la Limpieza del Fondo del Pozo JIF: Máxima Fuerza de Impacto de las Boquillas HSI: Máxima Potencia Hidráulica del Trepano (caballaje)

Fuerza de Impacto de las Boquillas (JIF) Kelly Hose Standpipe Bombas Sistema Fuerza Máxima Trepano

Fuerza de Impacto de las Boquillas (JIF) 2800 Standpipe Bombas Sistema 1456 psi - 52% 1342 psi - 48% Trepano

Potencia (caballaje) Hidraulica (HSI) Kelly Hose Standpipe Bombas Sistema Maxima potencia Trepano

Potencia (caballaje) Hidraulica (HSI) 2800 Standpipe Bombas Sistema 980 psi - 35% 1820 psi - 65% Trepano

¿Cuál Teoría debería ser usada? ¿Fuerza de Impacto? ¿Potencia (caballaje) Hidráulica?

¿Cuál usar? Fuerza de Impacto de Boquillas (JIF) 20% mas Caudal Somero / Diámetro de Pozo Grande Potencia Hidráulica (HSI) 14% Velocidad de salida de Jet más alta 35% Presión más alta Profundo / Diámetro de Pozo Menores

Tipos de Flujo y Remoción de Recortes Hidráulica Anular Tipos de Flujo y Remoción de Recortes

Número de Reynolds < 2000 Flujo Laminar Número de Reynolds < 2000 (para agua)

Flujo Laminar

Número de Reynolds > 4000 Flujo Turbulento Número de Reynolds > 4000 (para agua)

Flujo Turbulento Velocidad V Max r r Radio

Velocidad Crítica Flujo Laminar Flujo Turbulento

AREA ANULAR Es el espacio entre la Tubería de Perforación & la pared del pozo Tubería de menor diámetro permite un espacio anular más grande. Tubería de mayor diámetro deja un espacio anular más pequeño.

Velocidad Anular (AV) La velocidad de fluido Subiendo por el anular medido en PPM (FPM) AV es menor alrededor de la tubería donde el anular es mayor AV es más alta alrededor de los DC o juntas donde el anular es más pequeño

Transporte de Recortes Velocidad de Caida Velocidad de Transporte de Recortes Eficiencia de Transporte Concentración de Recortes Efecto Centrifugo Rotando Efecto de Torque No Rotando Gradiente Velocidad

Velocidad De Caida Velocidad de Caida Velocidad Anular

Velocidad de Transporte Velocidad de Caida Velocidad de Transporte de Recortes Velocidad Anular

Eficiencia de Transporte Velocidad Caida V t E t % = V a Velocidad de Transporte de Recortes Velocidad Anular

Factores que afectan la Concentración de Recortes ROP Diametro de Pozo Eficiencia de Transporte Caudal

Densidad Equivalente de Circulación Densidad equivalente de circulación (ECD) En condiciones estáticas, el fluido ejerce presión en el fondo del pozo debido a la gravedad. A medida que el fluido comienza a moverse en el espacio anular, debe contrarrestar la gravedad, las fuerzas de fricción y la resistencia interna. La suma de todos estos factores se mide por la pérdida total de presión en el anular. Cuando se lo expresa como peso de lodo, se lo conoce como Densidad Equivalente de Circulación (ECD)

Densidad Equivalente de Circulación Densidad Equivalente de Circulación es el peso del fluído en el pozo más el peso incremental equivalente a la Presión requerida para mover el fluído a través del anular. Por ejemplo, lodo de 10 ppg a 10,000 Pies con caída de Presión anular de 500 psi .052 X 10 ppg X 10,000 ft = 5200 psi = Presión de fluido estática ECD = (5200 psi + 500 psi) / (.052 X 10,000) = 10.96 ppg

Densidad Equivalente de Circulación La caída de presión en el interior de la herramienta no afecta la ECD. La ECD no debe exceder la integridad del pozo: LOT (test de formación), presión de fractura. Una ECD alta puede ocasionar pérdida de lodo. Una ECD alta reduce la tasa de penetración. La concentración de recortes en el anular aumenta la ECD.

Densidad Equivalente de Circulación más recortes El peso del fluído en el pozo más el peso incremental equivalente a la Presión requerida para mover el fluído a través del anular. + El efecto generado por el peso de los recortes.

Densidad Equivalente de Circulación más recortes ECD - Densidad Equivalente A todas las Presiones actuando en las paredes del hueco abierto. Presión Hidrostática Pérdida de Presión en Anular Peso de los Recortes

Punto de Fluencia (Yield Point-YP) Punto en el cual el movimiento de fluido inicia Algunos fluidos requieren una fuerza dada para iniciar a fluir. El esfuerzo producido por esa fuerza es el punto cedente o punto de Fluencia. Punto de Fluencia es la atracción eléctrica entre las partículas de arcilla y el lodo.

Lavado de las Paredes del Pozo

Velocidad requerida para Remover Recortes Antecedentes Limpieza del Pozo Tasa de Penetración esperada Capacidad de Acarreo de recortes del fluido Ángulo del Pozo Propiedades de la Formación perforada

Buen Programa Hidráulico Usa el equipo eficiente No excede los limites especificados Asiste en los objetivos de Perforación Provee un pozo en buenas condiciones Considera diferencias en aplicaciones

Un Sistema Óptimo Hidráulico provee Máxima Potencia o Fuerza Hidráulica en el Trepano Hidráulica Anular adecuada Reducir los Costos Generales de Perforación

Ejemplo Lodo: 9 PPG Profundidad: 1400 Mts

TFA: 5x15/32”

TFA: 5x14/32”

TFA: 5x13/32”

Ejemplo Lodo: 9.6 PPG Profundidad: 2300 Mts

TFA: 5x15/32”

TFA: 5x14/32”

TFA: 5x13/32”