OPTIMIZACIN DE LAPERFORACIN

HIDRULICA DE LA PERFORACIN

Instructor Hermilo MontesCurso Ingeniera de Perforacin de Pozos

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMADE MEXICO

FACULTAD DE INGENIERIA

Hidrulica de la perforacin

La ciencia de la mecnica de fluidos es muy importante para elingeniero de perforacin.

Presiones extremadamente grandes son creadas a lo largo del agujeroy en la sarta de tubera por la presencia del fluido de perforacin y elcemento.

Las relaciones necesarias para determinar la presin de fondo serdesarrollada para tres condiciones de pozo: a) Condiciones estticas

b) Condiciones de circulacin

c) Durante los viajes de tubera

Las condiciones a y b son complicadas por el comportamiento No-Newtoniano del fluido de perforacin y el cemento.

Hidrulica de la perforacin

Para un liquido no compresible P=FwvD+po La presin hidrosttica en unidades de campop= 0.052 * Den* Prof

La presin hidrosttica en una columna de gas En muchas operaciones de perforacin y terminacin, se tiene presencia de gas

en la ultima porcin del pozo. El comportamiento del gas se puede describir usando la ecuacin de los gases

reales: pV=znRT=z (m/M) RT

El factor desviacin z es una medida de como el comportamiento del gas sedesva de un gas ideal. Un gas ideal es aquel donde no hay fuerzas deatraccin entre las molculas del gas. El factor desviacin z han sidodeterminados de manera experimental como una funcin de su temp y presin

Hidrulica de la perforacin

La densidad del gas puede ser expresada en funcin de la presin Den= m/v= (pM)/zRT En unidades de campo Den= (pM)/80.3zT

Presin hidrosttica en columnas de fluidos Durante las operaciones de perforacin, la columna de fluido puede

contener varias secciones de fluidos con diferente densidad La presin en la parte superior de la figura es po La presion en la parte inferior de la seccin 1 es

p1= 0.052*Den1*(D1-D2) + po

Hidrulica de la perforacin La presin en la parte inferior de la seccin 1 es igual a la presin

en la parte superior de la seccin 2. Aun cuando una interfase estepresente. Entonces la presion en el fondo de la seccion 2 puedeexpresarse :

p2=0.052*Den2*(D2-D1)+0.052*Den1*(D1-D0)+p0 En general podemos expresar la presion p en cualquier prof vertical

DP= po+0.052* pi*(Di- Di-1)

Concepto de densidad equivalente La experiencia de campo en una rea conocida a menudo permite

tener guas para desarrollar una mxima densidad de fluido enformaciones donde a una profundidad conocida podr manejarse sinfractura en condiciones de perforacin normal

Esto es alguna veces ayuda para compara columnas de complejas defluidos con una columna de fluido simple que se encuentra abierta a laatmosfera

Hidrulica de la perforacin

pe

.

La densidad equivalente del fluido siempre deber ser referenciadauna profundidad especifica

Efecto de la entrada de solidos y gases en el fluido de perforacin Los ingenieros de perforacin raramente tienen que trabajar con

fluidos o gases puros. Como ejemplo, fluido de perforacin ycemento es una mezcla primaria de agua y solidos finos divididos

El fluido de perforacin en el anular contiene solidos de laperforacin provenientes de la roca triturada por la barrena y fluidosde la formacin que estaban contenidos en la roca

=

=

Hidraulica

Determinando la hidrulica

Factores que afectan la presin en un sistema: Gasto de las bombas. Profundidad del agujero. Peso de lodo. Viscosidad del lodo. Tamao de las toberas. Dimetros y longitudes en la sarta de perforacin. Volumen del anular.

A mayor cada de presin en el sistema, mayor potencia serequiere en las bombas.

Se disea de un 50% a 65% de la cada de presin enbombas en las toberas.

Variables principales

La hidrulica calcula el comportamiento de un liquido enmovimiento.

4 principales variables: Gasto. rea de flujo. Longitud del sistema. Propiedades del fluido.

Sistema de circulacin

Equipo de superficie: Tanques de lodo. Bombas Tubera fija (Standpipe). Junta giratoria. Kelly y mesa rotaria. Lnea de flujo. Temblorinas. Tanque de viajes.

Aparejo de perforacin: Tubera. Lastra barrenas. Herramientas de fondo.

Barrena Anular.

Sistema de circulacin

Funciones: Limpiar el fondo del pozo. Enfriar y lubricar la barrena. Acarrear los recortes a superficie.

Evitar que los fluidos de la formacin entren al pozo.

Equipo de superficie

Entrada de flujo Tanques. Bombas. Standpipe. Junta giratoria. Kelly o top drive.

Salida de flujo: Lnea de flujo. Equipo de limpieza de lodo (temblorinas, centrifugas etc). Tanque de viajes.

Presas de lodo

Las presas de lodo Tanques abiertos en su parte

superior Se almacena el lodo Se le agrega componentes Se prepara para ser bombeado al

pozo.

Bombas

Gasto: La salida del fluido de las bombas y se mide en unidadesde volumen por tiempo: Galones por minuto GPM. Litros por minuto LPM. Barriles por minuto BPM.

Se calcula: numero de emboladas por minuto x volumen de fluido que desplaza

Las bombas pueden ser: Duplex: 2 pistones y son de doble accin. Descargan fluido tanto cuando el

pistn se mueve hacia dentro y hacia afuera. Triplex: 3 pistones y son de una sola accin: Descargan fluido solamente

una vez por cada movimiento del pistn.

Ejercicio

Calcula el gasto del siguiente ejercicio: Informacion de la bomba

Triplex con una camisa de 6 de dimetro y un embolada de 9 de largo. La salida es 3.396 galones por embolada (0.129 m3por embolada).

Emboladas por minuto: 110 Clculo:

110 pistoneos por minuto X 3.396 galones por pistoneo= 374galones por minuto (GPM)

110 pistoneos por minuto X 0.129 m3 por pistoneo = 1.41 m3 porminuto.

Standpipe

Tubo metlico que se encuentrafijo al mstil. Provee de un conducto de alta

presin para que el lodo puedaviajar hasta la parte mas alta delmstil, donde se conecta con lamanguera flexible.

Manguera flexible

Es una lnea polimrica reforzadacon acero de 3 a 5 de dimetro Fluye el lodo del standpipe a la junta

rotatoria.

permite que el lodo fluya mientras elaparejo de perforacin se mueve dearriba a abajo.

Junta rotatoria (Swivel)

Es un aparejo mecnico que: Permite rotacin. Asegura que no haya perdidas de fluido

mientras este ltimo fluye de la mangueraflexible al kelly.

Contiene: Baleros: soporta el peso de la sarta

mientras se rota. Un sello de presin rotatorio: permite el

flujo de lodo. Con Kelly, la junta cuelga del gancho y

del block viajero. Con Top Drive, esta vendr integrada.

Kelly / Top Drive

Kelly es una tubera con forma hexagonal o cuadrada, que

encaja en un buje en la mesa rotaria. La funcin es de transferir la rotacin al resto de la sarta.

Top Drive Este combina las funciones de la mesa rotaria, bushing,

kelly y junta rotatoria, en una unidad compacta.

Sarta de Perforacion

Sarta de perforacin Conecta a la barrena con el equipo de superficie. Tramos de tubera con el ensamblaje de fondo

La sarta incluye: Tubera de perforacin. Tubera de perforacin extra pesada. Lastra barrenas. Herramientas de fondo.

Tubera de perforacin

Propsitos: Proveer de longitud a la sarta. Transferir la rotacin del Kelly a la

barrena. Formar un conductor para el fluido.

La tubera de perforacin tiene lamayor perdida de presin en elsistema.

BHA

Es la porcin de la sarta entre la tubera de perforacin y labarrena.

La cada de presin a travs de las herramientas de fondodebe ser considerada a la hora de optimizar la hidrulica.

Esta cada vara dependiendo del tipo y dimetro deherramienta que se utilice. Tubera extra pesada. Martillo. Estabilizadores. Rimadores/. Herramientas de ensanchado de agujero. Lastra barrenas. Amortiguadores. LWD y MWD. Motores de fondo.

Tubera de perforacin Extrapesada

Intermediario entre la tubera de perforacin y loslastra barrenas

Propsito: Reducir fallas por fatiga.

Mayor estabilidad.

Mejorar el control direccional

Importante considerarlo a la hora de hacer elclculo hidrulico.

Martillos

Dispositivo de impacto que genera vibraciones enla sarta de perforacin cuando se activa. Puede generar alto impacto para liberar la sarta de

atrapamientos.

Su cada de presin es despreciable.

Estabilizadores

Dispositivo que provee estabilizacin a la sarta Genera mayores puntos de contacto con la pared del

agujero. Centralizan a los lastra barrenas. Ayudan a mantener el agujero en dimetro nominal. Mejoran el control direccional.

Deben ser sumados al resto de la sarta.

Rimadores de Rodamientos (RollerReamers)

Componente con elementos cortantes, montadosverticalmente sobre baleros en diferentesposiciones. Ayudan a rimar y mantener el agujero en su dimetro

nominal.

Se les debe considerar en conjunto con el resto dela tubera, en cuestin de clculos hidrulicos.

Ampliadores

Dispositivo mecnico que ensancha el pozo puede serexcntrico o concntrico. Perforar un agujero mas grande que el casing que se

tiene mas arriba. Hay diferentes tipos:

Excntricos: RWD. Concntricos: Gauge Pro.

Afectan significativa y complicadamente al clculohidrulico Estas herramientas cuentan con toberas. Se debe considerar como un elemento separado del

resto del ensamblaje de Fondo.

Lastra barrenas

Tubera ms pesada Proveen de peso a la barrena. Ayudan a mantener la sarta en tensin. Ayudan al control direccional.

Afecta considerablemente al calculo hidrulico La velocidad anular mas rpida ocurre entre estos y la pared del

hueco.

Amortiguadores

Es un dispositivo mecnico que absorbe lasvibraciones axiales en la sarta. Herramienta que sirve para minimizar las vibraciones

en la sarta.

No se le considera como una herramientaaparte para el clculo hidrulico.

LWD y MWD

Utilizan pulsos elctricos Miden:

propiedades de la roca Desviacin e inclinacin del pozo.

LWD provee de registros elctricos en tiemporeal.

MWD mide en tiempo real la posicin del pozo.

Se los considera como elementos separados para elcalculo hidrulico.

Motores de fondo

Tienen un estator y un rotor de lbulos, el cual rotacuando un fluido pasa por su interior. Utiliza energa hidrulica para dar rotacin a la barrena,

independientemente de la rotacin de la rotaria. Se los utiliza para desviar los pozos.

Estas herramientas deben considerarse como elementosseparados para el calculo hidrulico ya que generanmucha cada de presin.

Barrenas

La hidrulica juega un papel muy importanteen el desempeo de la barrena.

La funcin clave de la hidrulica en la barrenaes: Remover el material de recorte

Limpiar el agujero

Enfriar la barrena.

Anular

El anular es el espacio que queda entredos objetos concntricos, tales como: Tubera de perforacin y pared del hueco. Tubera de revestimiento y pared del hueco. Tubera de perforacin y la tubera de

revestimiento. La cada de presin en el anular es

baja. La velocidad del fluido en el espacio

anular es importante. Entre mas chico sea este espacio, mayor es la

velocidad.

Temblorinas

Aparato vibrador Filtran el lodo

Impide el paso de recortes - en una malla Deja pasar el lodo hacia los tanques.

Las temblorinas rpidamente vibran,mientras el lodo y los recortes caen enella.

Los recortes son desplazados hacia untanque de recortes.

Tanque de reserva

Sirve para almacenar los recortes y lodo remanente que sale delas temblorinas.

Estas reservas son utilizadas para diferentes cosas. Muchos de los slidos en el lodo, se depositan dejando lodo en la

superficie, el cual puede ser rebombeado al sistema en caso deemergencia.

En operaciones marinas Este tanque es un contenedor dentro de la plataforma.

Lodo de perforacin

El fluido de perforacin Levantar los recortes. Proveer de potencia hidrulica a la barrena Mantener Presin de la formacin. Enfriar estructura de corte

Parmetros claves de perforacin para las hidrulicas son: Tipo de lodo. Peso del lodo. Viscosidad Plstica. Punto de cadencia.

Tipos de fluidos El fluido de perforacin: un liquido o un gas. Lodos base aceite o base agua son los ms comunes Aire o espuma: aplicaciones muy especificas. El lodo es una mezcla de:

Agua Aceite Arcilla Materiales que dan peso Otros qumicos.

Los lodos base aceite pueden ser sintetizados Biodegradables.

Peso de lodo

El peso de lodo (densidad) se mide en: Libras por galn. Kilogramos por metro cbico. Gravedad especifica.

La presin hidrosttica Es la presin que ejerce el lodo debido a su densidad

multiplicada por el alto de la columna del lodo. Funciones:

Prevenir la entrada de fluidos de la formacin alagujero.

Prevenir que la formacin se fracture. Optimizar tasas de penetracin. Evitar prdidas de circulacin.

Viscosidad Es la medida de la resistencia interna que tiene todo fluido a moverse. La viscosidad aparente est compuesta :

Viscosidad plstica (PV) (Centipoise). Causada por la friccin entre las partculas suspendidas en el lodo y la

viscosidad del liquido en si. Depende de la concentracin de los slidos presentes, tamao y forma de

los mismos. Punto de cedencia (YP) (lb/100ft^2).

Es la medida (mientras se fluye) de las fuerzas en el lodo que generan queel lodo desarrolle una estructura de gel mientras se encuentra en reposo.

Factores Principales Cadas de Presin La presin medida en el StandPipe

(SPP) es la suma de todas las cadasde presin de los diferentescomponentes del sistema decirculacin.

Las prdidas de presin se venafectadas por: Gasto. Propiedades del lodo. rea de flujo en los componentes.

Largo del sistema de circulacin.

Gasto

Es controlado por las salida de las bombas. Puede ser manipulado cuando se determinan las cadas de

presin en el sistema. Factor clave para determinar la velocidad anular del lodo. Determinar el gasto apropiado en un sistema es un balance de

dos cosas: Tener la suficiente velocidad anular para levantar los recortes de la

barrena.

Maximizar la energa hidrulica, obteniendo de un 50 a un 65%de cada de presin en la barrena.

Una buena prctica es tener de 35 a 50 gpm por pulgada deldimetro de la barrena.

Propiedades del fluido Las propiedades del fluido juegan un papel primordial en las cadas de presin. El lodo debe tener

Suficiente peso de lodo para controlar los fluidos de la formacin,especialmente cuando se entra en zonas de hidrocarburos.

Al aumentar el peso del lodo, las cadas de presin aumentan y por ende sereduce la cada de presin disponible en la barrena.

Efecto del incremento del peso del lodo tubera de 5 pulgadas de 300m de largo, DI de 4.276 pulgadas.

Area de flujo El rea de flujo es el rea trasversal del conducto por el cual

fluye el lodo. En cuanto mas se reduzca, las prdidas de presin se

aumentan.

A continuacin mostramos el efecto del aumento del rea de flujo de unatubera en la cada de presin.

Largo del sistema de circulacin

El largo del sistema debe ser considerado cuando se habla de perdidas depresin.

Al aumentar la tubera de perforacin aumenta la cada de presin en lamisma.

La energa hidrulica puede ser optimizada al inicio, al medio o al final de la seccin aperforar.

Prdidas de presin en el sistema decirculacin. Son generalmente segmentadas en 4 reas:

Equipo de superficie. Sarta. Barrena. Anular.

Prdidas de presin en superficie

Las cadas de presin en el equipo de Superficie son segmentadas deacuerdo a 4 casos.

Cada caso asume diferentes factores para el clculo de las prdidas.

Prdida de presin en la Sarta

Para facilitar el clculo de las cadas de presin el software que utiliza HCCtoma en consideracin lo siguiente: Dimensiones de tubera de perforacin. Dimensiones de tubera extra pesada de perforacin. Dimensiones de lastra barrenas. Motores o turbinas. MWDs. Ampliadores excntricos tipo RWD.

Despus de la barrena, la tubera de perforacin es donde mas presin sepierde.

Hay casos en que la tubera de perforacin pierde tanta presin como labarrena. Normalmente esto ocurre por los siguientes factores: Dimetro de tubera de perforacin muy chico ( ejemplo de 4 ). Pozos muy profundos. Pesos de lodo muy altos.

Hay muy poco que se pueda hacer en trminos de cambiar dimetro detoberas cuando la perdida de presin en la tubera es muy grande.

Perdida de presin en la barrena Distribuye su cada de presin en las diferentes toberas

esto combinado con el gasto genera energa hidrulica. La energa hidrulica

se expresada en trminos de caballos de fuerza hidrulicos. limpia la barrena limpia el fondo del pozo Permite que se alcance un alto rendimiento de perforacin.

Cada de presin en la barrena sea el 50 al 65% del total de las cadas de presin en el sistema.

Las barrenas tienen una variedad de tamaos de toberas que sepueden usar y combinar para utilizar efectivamente la potenciahidrulica.

Ejemplo de cada de presin en labarrena Clculo de la Cada de presin en la barrena de forma

rpida. 3 elementos claves:

peso de lodo Gasto rea total de flujo (TFA).

Sistema mtrico decimalSistema Ingles

Cada de presin Anular La cada de presin en el anular ocupa un pequeo

valor en el total de cadas de presin. El anular consiste en:

El area entre la tubera de perforacin y el ultimocasing cementado.

El area entre la sarta de perforacin y el agujeroabierto. El rea entre los lastra barrenas y el agujero

abierto rea mas chica de todas Tiene mayor cada de presin Tiene sus mayores velocidades anulares.

Velocidad Anular

La velocidad a la que se mueve el lodoen el anular es lo que se denominaVelocidad Anular.

Cuando una cierta cantidad de fluidopasa por el sistema, su velocidad ser: Mayor en los puntos donde el anular es mas

chico. Menor en los puntos donde el anular es mas

grande. Dependiente del gasto

A mayor gasto mayor velocidad.

Consideraciones de la velocidad Anular

La velocidad anular del lodo es muy importante cuando se hacenhidrulicas.

La velocidad anular es la clave para mover los recortes a lasuperficie Cuando se perfora con agua o con lodos que tienen muy bajo peso la

velocidad anualar debe ser lo suficientemente alta para: Mantener los recortes en movimiento y subiendo hacia afuera del hoyo No debe ser tan alta como para que lave las paredes del pozo.

Es muy importante checar con el cliente si tienen una velocidadanular mnima para considerar.

Factores que entran en juego: Tipo de formacin. Reactividad de la formacin. Erosin de las paredes del agujero. Danos mecnicos por vibraciones.

Flujo laminar y turbulento

Describen la forma en que el lodo viaja en el anular. Es importante poner mucha atencin al gasto

puede tener mucho impacto en la eficiencia de limpieza.

El flujo laminar ocurrecuando el lodo fluye en

capas paralelas ycontinuas.

Cuando el fluido tiene unmovimiento caotico sedice que es turbulento.

Introduccin a las hidrulicas de labarrena

El principal objetivo de estashidrulicas es proveer de la mayorenerga hidrulica a la barrena. Limpieza y enfriamiento. Toberas. TFA. Caballos de fuerza hidrulicos. Caballos de fuerza hidrulicos por

pulgada cuadrada (HSI). Mtodos de optimizacin. Optimizacin de hidrulicas.

Limpieza y enfriamiento

Limpieza Es la habilidad del lodo de perforacin y de la energa hidrulica de

remover los recortes de la cara de la barrena y del fondo del pozo. Los recortes se acumulan en la estructura de corte:

Esto reduce la tasa de penetracin. (embolamiento) Ocurre mayormente en lodos base agua

Los recortes se pegan al fondo del pozo Se conoce como embolamiento de fondo. Esto no deja rastros de embolamiento en la barrena.

Enfriamiento de los cortadores Los cortadores o dientes, experimentan un aumento en su temperatura

durante la perforacin. El fluido de perforacin enfra los cortadores y evita que fallen por

temperaturas extremas.

Toberas

Las toberas: Son parte de la seccin del area de flujo. Regulan y dirigen el flujo. Vienen en muchos tamaos y formas.

Por dentro todas tiene el mismo perfil. Las toberas reducen el rea de flujo por la que el fluido puede

pasar Esto genera una cada de presin y hace que el fluido aumente su

velocidad. Esta cada de presin combinada con el gasto es lo que genera la

energa hidrulica.

Configuracin interna de las toberas

La forma interior de las toberas provee un patrn de flujo para el fluido unaves que sale de la tobera

La potencia hidrulica esta en el ncleo delcono o cono interno.

Se extiende a cierta distancia de la tobera.El cono externo tiene mucha menos

potencia que el interno.

Area Total de Flujo (TFA)

Suma del area trasversal de todas las toberas en la barrena.Tamao

32avos de pulgadaDescribe el dimetro del agujero interior de la tobera.

Formula para el rea de un circulo:

ToberasDiametro #*4

* 2

TFA en Impregnadas

Utilizan canales puertos Distribuyen el flujo y potencia hidrulica a lo largo de la cara de la

barrena. El tamao de la barrena y su tipo determinan el TFA en ella y es fijo una

ves que se manufactur. Es muy importante hacer el clculo exacto de las hidrulicas

TFA no es modificable.

Calculo de la potencia Hidrulica

La ecuacin para el calculo de estos caballos de fuerza es muy simple:

Medida de la energa por unidad de tiempo que se aplica en lastoberas.

Es el producto de la presin y el gasto.Mide la cantidad de trabajo que puede hacer el fluido en la barrena.

Potencia hidrulica por pulgadacuadrada HSI

El HSI: es la cantidad de potencia hidrulica dividida entre el area del hueco

que se esta perforando.

estandarizar cantidades apropiadas de la misma en cada barrena.

Mtodos de optimizacin

Hay 2 mtodos bsicos : JIF Fuerza de impacto en las toberas.

HSI.

La diferencia bsica es la cantidad de cada de presin que serequiere en la barrena.

JIT Fuerza de imparto de las toberas

Se Requiere que el 50% de la presin del Stand Pipe seautilizada en la barrena.

Este mtodo de optimizacin maximiza la cantidad de flujo ogasto.

El JIT es comnmente usado como mtodo de optimizacinpara: secciones superficiales dimetros grandes para formaciones suaves (no embolamientos).

Altos ritmos de penetracin y de ah que se requiera muchogasto para limpiar el agujero.

HSI

Se requiere que el 65% de la presin del StandPipe seautilizada en la barrena.

Maximiza la potencia hidrulica en la barrena. Se utiliza en:

Secciones intermedias

Muy profundas.

Si se cree que pueden haber problemas de embolamiento en laaplicacin

Optimizando las hidrulicas

No hay reglas universales Cada equipo y operadora van a tener sus propias necesidades

Com optimizar hidrulicas? Identifica condiciones y objetivos

Tipo de barrena Profundidad. Formaciones. Gasto. Toberas

Entiende limitaciones y requerimientos: Capacidad de bombas. Presin mxima del Stand Pipe. Velocidades anulares. Limpieza del hueco. Tamao de tubera. BHA.

Optimizar por cualquiera de los 2 mtodos.

Optimizacin de hidrulicas en eltaladro

Las condiciones en el taladro varan delas teorticas debido a: Cambios en el lodo. Las profundidades cambiaron. Los componentes del taladro cambian.

Revisar con el cliente antes de la corridael resultado de las hidrulicas.

Ajustar las hidrulicas.

Resumen Optimizar las hidrulicas es entregar la

mayor energa hidrulica posible a labarrena.

2 aspectos en las hidrulicas: Limpieza

Habilidad del fluido para acarrear los recortes. Un buen HSI esta entre 2 y 5.

Enfriamiento. Existen 2 mtodos bsicos para optimizar: HSI (65% de la SPP en la barrena). JIF (50% de la SPP en la barrena).