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Principios sobre Hidráulica de PerforaciónIPM
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Principios sobre Hidráulica de Perforación
Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores
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• Contenido:
• Objetivos,
• Conceptos básicos de Hidráulica,
• Pérdidas de Presión y Densidad Equivalente de Circulación,
• Selección de Toberas para la Barrena,
• Optimización Hidráulica.
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• Objetivos:• Al final de esta presentación USTED PODRA:
• Entender los conceptos básicos de la hidráulica de la perforación,
• Describa varias pérdidas de presión
• Factores que afectan la DEC
• Seleccione las toberas de la barrena para optimizar la hidráulica de la barrena
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• Circulación de Fluidos:
• La circulación del fluido tiene que diseñarse para remover los recortes con eficiencia y también para enfriar la cara de la barrena,
• Estos requerimientos pueden satisfacerse al aumentar 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.
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• Barrena de Conos de Rodillo:
• La velocidad de penetración es función de muchos parámetros incluyendo:
• Peso Sobre la Barrena, WOB,
• Velocidad de Rotación de la barrena, RPM,
• Propiedades del Lodo,
• Para evitar un influjo de fluidos desde la formación al agujero, la presión hidrostática del lodo debe ser ligeramente más alta que la presión de la formación (margen de seguridad),
• Eficiencia Hidráulica.
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• Eficiencia Hidráulica :
• Los efectos del aumento de caballaje hidráulico en la barrena son similares a su efecto sobre las barrenas de cono,
• El fabricante con frecuencia recomienda un caudal de flujo mínimo en un intento por asegurar que la cara de la barrena se mantenga limpia y la temperatura del cortador se mantenga al mínimo,
• Este requerimiento para la tasa de flujo puede tener un afecto adverso sobre la optimización del caballaje hidráulico en la barrena, HHP.
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• Importancia de una buena Hidráulica para perforar:• Remoción de recortes en el espacio anular,• Presión hidrostática para balancear la presión del poro y
prevenir que se colapse el agujero del pozo,• DEC (Densidad Equivalente de Circulación),• Presiones de Surgencia / suaveo durante los viajes de
entrada y salida de la sarta en el pozo• Limitación de la capacidad de bombeo,• Optimización del proceso de perforación (Max HHP
consumido en la barrena o Max Impacto del Chorro),• Efectos de Presión y Temperatura.
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• Limpieza del Agujero:
• Velocidad Anular,
• Velocidad de penetración (ROP),
• Viscosidad,
• Angulo del Agujero,
• Densidad del Lodo,
• Ensanchamiento del Agujero por erosión (lavado)
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• Sistema de Circulación:
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Bomba de lodos
Tubería de Perforación
Espacio Anular
BarrenaBarrena
Agujero Abierto
Tubería de Revestimiento & cemento
Presa de Lodo
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• Pérdidas de Presión en el Sistema Circulante:• Pérdida de presión en el equipo de la superficie,
• De la bomba al “stand pipe”, manguera rotaria, Kelly o Top Drive, hasta la parte superior de la tubería de perforación.
• Pérdida de presión a través de la sarta de perforación,• Pérdida de presión en las herramientas del fondo:
• PDM / Turbinas,• Absorbedores de impacto / Martillos de Perforación,• MWD / LWD.
• Pérdida de presión a través de las toberas en la barrena,• Pérdidas de presión en el espacio anular.
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• Margen Operativo de las Presiones del Lodo:
Presión
Hidráulica de la PerforaciónP
rofu
nd
idad
Presión de porosDEC
Presión de Fractura
Presión Hidrostática del Lodo
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• Conceptos Básicos de Hidráulica;• Velocidad promedio del fluido,
• Velocidad del fluido a través del espacio anular Vf (pies/min);
vQ
d df =∗
−24 51
22
12
.
• Velocidad del fluido a través de la sarta de perforación Vf (pies/min):
vQ
df =∗24 51
2
.
• Q = Gasto o tasa de bombeo (gal/min, gpm),• d2 = Diámetro del agujero (pulgadas),• d1 = Diámetro externo de la sarta de perforación (pulgadas),• d = Diámetro interno de la sarta de perforación (pulgadas).
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• Número Reynolds (para flujo en el espacio anular):
( )[ ] ''2
22300 *69.8**/*69.43 NN
qN DpDhDpDh
QEMWR −
−
Θ=−
Laminar si RN < 2000Transición RN está entre 2000 y 3000Turbulento si RN >3000
Donde:
RN , Número Anular de Reynolds (sin dimensión)MW, Densidad del Lodo (lbs/gal)EqΘ300 Lectura del Viscosímetro Fann a 300 RPMDh, Diámetro del Agujero (pulgadas)Dp, Diámetro de la tubería (pulgadas)N’, valor “n” en la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300)
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• Cálculos para el Flujo Crítico: • La velocidad de bombeo (gasto) a la cual el perfil de flujo en el
espacio anular más pequeño pasa de laminar a turbulento. • Es importante mantener el flujo en laminar al perforar a través
de formaciones mecánicamente inestables.
{ }n
nNC
c )DpDh(..R
)DpDh(Q−
−
−=2
1
30022
6986443 ρθ
Qc, Gasto o tasa de bombeo ,gpmRNC , Número Reynolds crítico , usualmente 2,000Dh , diámetro del agujero en pulgadasDp , diámetro de la tubería en pulgadas n, valor “n” de la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300)
Θ300 , lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM.
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• Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Laminar:
• Si la tasa de bombeo (gasto) está por debajo del Número Reynolds crítico en el espacio anular el cálculo de pérdida de presión en psi/1000 ft. es:
n
n
DpDhQ
DpDhAPL
+
−= +
)(69.8)/(75.3 12
300θ
Q,,, Gasto o tasa de bombeo, gpmAPL, pérdida de presión en el espacio anular psi/1000 ft.Dh , diámetro del agujero en pulgadasDp , diámetro de la tubería en pulgadasn, valor “n” en laLey de potencia = log (Θ600 /Θ300 ) /log (600/300)
Θ300 , lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM
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• Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Turbulento:
• Si el gasto de flujo está por arriba del número Reynolds crítico, el cálculo de pérdida de presión del espacio anular en psi/1000 ft. será:
23
2
)()(67.163
DpDhDpDhRQ
APLNC −−
⋅=
ρ
Q,, Gasto o tasa de bombeo ,gpmAPL, pérdida de presión en el espacio anular en psi/1000 pies.Dh , diámetro del agujero en pulgadasDp , diámetro de la tubería en pulgadasRNC , Número Reynolds crítico , usualmente 2,000ρ densidad del lodo en lbs/gal
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•• Densidad Equivalente de CirculaciónDensidad Equivalente de Circulación (DEC):(DEC):
• DEC es la suma de pérdidas de presión en el espacio anular dividida (profundidad x factor). En unidades de campo se expresa como:
oa
TVDP
DEC ρ+∗
Σ∆=
052.
DEC, Desnsidad Equivalente de Circulación en lbs/gal∆pa, Pérdida de la presión en el espacio anularTVD, Profundidad vertical verdadera en pies ρο Densidad del lodo en el pozo en lbs/gal
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• Factores que afectan la DEC:• Densidad del lodo.• Pérdidas de presión en el espacio anular Pa. • Geometría del agujero, viscosidad efectiva,
temperatura, presión, gasto o tasa de bombeo,• Velocidad de penetración y tamaños de los
recortes,• Eficiencia de la limpieza del agujero
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•• Densidad Equivalente de CirculaciónDensidad Equivalente de Circulación (DEC):(DEC):
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• Pérdida de presión dentro de la tubería: • Suponiendo flujo turbulento dentro de la sarta de
perforación o el número Reynolds > 2100.
LD
VfP pp
p ×∗
=81.25
2 ρ
Pp , Pérdida de presión en la tubería en psifp , Factor de fricción para la tubería ρ Densidad del lodo en lbs/galVp, Velocidad de promedio dentrode la tubería en pies/segD, Diámetro interno de la tubería en pulgadasL, Longitud de la tubería en pies
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• Pérdida de fricción en las Toberas de la Barrena:
[ ] 22
2156
nb D
QP
Σ=∆
ρ
∆Pb , Pérdida de presión en la barrena en psiQ , Gasto o tasa de bombeo en galones por minuto, gpmDn , Diámetro de las toberas en 1/32 de pulgadaρ , Densidad del lodo en ppg
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• Caballaje Hidráulico:
• HHP en la barrena = (∆Pb Q ) / 1714• Donde;
• HHP , caballaje hidráulico,
• .∆Pb , pérdida de presión en la barrena en psi,• Q , gasto o tasa de bombeo en gpm.
• HHP en la bomba = (∆Pt Q) / 1714• Donde;
• HHP , caballaje hidráulico,
• ∆Pt , pérdida total de presión en el sistema, psi (SPP),• Q , gasto o tasa de bombeo en gpm.
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• Velocidad del chorro en las Toberas: • Se relaciona muy estrechamente con la acción de limpieza
que se está dando en la barrena,• Puede llevar a la erosión del agujero a altas velocidades en
formaciones frágiles,• Se expresa como:
2
3.418
nDQ
VnΣ
=
• Donde: • Vn , velocidad del chooro en la tobera en pies/seg• Q, gasto o tasa de bombeo en gpm• .ΣDn
2, suma del cuadrado de los diámetros de las toberas en 1/32 de pulg
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• Fuerza de Impacto del Chorro: • La fuerza ejercida por el fluido de salida por debajo de la
barrena,• Se expresa como:
1930
ρni
QVF =
Donde:Fi , Fuerza de impacto del chorro en libras, Q, gasto o tasa de bombeo en gpm,Vn , velocidad del chorro en la tobera en pies/segρ , Densidad del lodo en lbs/gal
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• 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.
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• Máximo Caballaje Hidráulico
Debe adoptarse para uso en formaciones blandas a medias.
• Máxima Fuerza de Impacto del Chorro
Debe adoptarse para uso en formaciones medias a duras..
• Máxima Velocidad del Chorro
Se basa en la presión máxima permisible en la superficie a un gasto o tasa de bombeo seleccionado.
Optimización de la Hidráulica en la Barrena
Cálculo del flujo:
1. Después de determinar el modelo de reología, calcule la capacidad de transporte del fluido.
2. Calcule la caída de presión para el agujero usando ya sea el Max HHP o JIF3. Decida la combinación de Toberas.4. Calcule los requerimientos de caballaje de la Bomba.
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• Ahora USTED podrá:
• Entender los conceptos básicos de hidráulica de la perforación
• Describir y calcular las pérdidas de presión en el sistema
• Describir los factores que afectan la DEC
• Entender el proceso para optimizar la hidráulica de la barrena
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