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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
IMPLEMENTACIÓN DE USO DE APLICACIONES
COMPLEMENTARIAS DE SOFTWARE DISPLACE 3D CON LA
FINALIDAD DE OPTIMIZAR VOLÚMENES DE LECHADAS DE
CEMENTO EN POZOS DE LA CUENCA DEL ORIENTE
ECUATORIANO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO DE PETRÓLEOS
JUAN CARLOS PROAÑO SALCEDO
DIRECTOR: ING. VINICIO MELO
Quito, Septiembre 2013
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2013
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo JUAN CARLOS PROAÑO SALCEDO, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Juan Carlos Proaño Salcedo
C.I. 1708517113
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Implementación de
uso de aplicaciones complementarias de Software Displace 3D con la
finalidad de optimizar volúmenes de lechadas de cemento en pozos de
la cuenca del Oriente Ecuatoriano”, que, para aspirar al título de Ingeniero
de Petróleos fue desarrollado por Juan Carlos Proaño Salcedo, bajo mi
dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple
con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación
artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Vinicio Melo
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I. 1001048105
DEDICATORIA
El presente trabajo está dedicado a Carmita, Sofía, Carlos Eduardo,
Estéfano, mi familia que han sido la razón, motivo y motor de mi vida, los
mismos que me han dado la fuerza para poder mantenerme en este camino.
Al ingeniero Vinicio Melo por su valioso aporte con todos los conocimientos y
experiencia para el desarrollo de este trabajo especial de grado por su
tiempo, paciencia y la ayuda prestada.
A Jorge Viteri, por ser la persona que me empujó a culminar algo que
empecé hace 24 años.
Este logro es para ustedes.
Juan Carlos Proaño
AGRADECIMIENTO
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, sus maestros, decano,
personeros, alma mater en donde adquirí los conocimientos que me han
sabido guiar por el sendero de la vida manteniendo los principios de
honestidad, actitud positiva, confianza en si mismo, profesionalismo, bases
fundamentales en la actitud del ser humano para poder conseguir los logros
y éxitos planteados.
A mi esposa, Carmita, por que sin su apoyo nunca hubiese podido superar
todos los obstáculos que se han presentado en este camino, a mi Padre que
desde el cielo ha seguido guiando mis pasos, a mi Madre que con su cariño
y perseverancia me dio el ejemplo a seguir demostrándome que por mas
difícil que sea la tarea siempre hay que afrontarla con optimismo y con la
convicción de que es posible realizarla.
A mis compañeros de Universidad, que si menciono algún nombre temo
olvidarme de alguno, para no hacer parecer por ello que son menos
importantes, ya que con su jovialidad espíritu de colaboración,
compañerismo y complicidad hicieron revivir en mí la juventud que todavía
me queda dentro.
A Halliburton, empresa que me ha brindado la oportunidad de desarrollarme,
crecer y aportar con mi trabajo.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN x
ABSTRACT xii
CAPÍTULO I .................................................................................................. 2
1. MÉTODOS CONVENCIONALES PARA EL CÁLCULO DE
VOLÚMENES DE LECHADAS 2
1.1. HISTORIA DE LA CEMENTACIÓN 2
1.1.1. CEMENTACIÓN PRIMARIA 3
1.1.2. CEMENTACIÓN SECUNDARIA ............................................. 4
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 6
1.3. OBJETIVO GENERAL 6
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 7
1.5. JUSTIFICACIÓN 7
1.6. HIPÓTESIS 8
CAPÍTULO II ............................................................................................... 10
2. CÁLCULOS VOLUMÉTRICOS 10
2.1. CÁLCULOS DE VOLÚMENES 10
2.1.1. VOLUMEN ANULAR HUECO ABIERTO ............................... 10
2.1.2. VOLUMEN JUNTA DE ZAPATO ........................................... 10
2.1.3. VOLUMEN ANULAR ENTRE CASING’S .............................. 11
2.1.4. VOLUMEN DEL CASING ANTERIOR .................................. 11
2.1.5. CÁLCULO DE SACOS DE CEMENTO ................................. 12
2.1.6. PESO DE LA LECHADA Y ADITIVOS .................................. 13
2.1.7. DENSIDAD DE LA LECHADA .............................................. 14
2.1.8. PUNTO DE CEDENCIA DE LA LECHADA ........................... 14
2.1.9. CÁLCULO DE AGUA REQUERIDA ...................................... 15
ii
2.2. UNIDADES DE MEDIDAS 15
2.3. EXPERIENCIAS DEL ÁREA PARA CÁLCULOS VOLUMÉTRICOS 17
2.4. USO DE EXCESOS DE VOLÚMENES DE ACUERDO A
EXPERIENCIAS DE ÁREA 19
CAPÍTULO III .............................................................................................. 24
3. REOLOGÍAS 24
3.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 24
3.1.1. ESFUERZO DE CORTE Y VELOCIDAD DE CORTE ........... 25
3.1.2. ESFUERZO DE CORTE ....................................................... 27
3.1.3. VISCOSIDAD EFECTIVA...................................................... 28
3.1.4. VISCOSIDAD APARENTE .................................................... 29
3.1.5. PUNTO CEDENTE ............................................................... 29
3.1.6. VISCOSIDAD A BAJA VELOCIDAD DE CORTE Y LSRV .... 31
3.1.7. TIXOTROPÍA Y ESFUERZOS DE GEL ................................ 31
3.2. MODELOS REOLÓGICOS 36
3.2.1. MODELOS REOLÓGICOS ................................................... 36
3.3. FLUIDOS 36
3.3.1. FLUIDOS NEWTONIANOS ................................................... 36
3.3.2. FLUIDOS NO NEWTONIANOS ............................................ 39
3.4. TIPOS DE COMPORTAMIENTOS DE FLUJOS 58
3.4.1. REGÍMENES DE FLUJO ...................................................... 58
CAPÍTULO IV
4. SOFTWARE Displace 3D .............................................................. 62
4.1. DESCRIPCIÓN 62
4.2. APLICACIONES 65
4.3. SIMULACIONES 66
4.3.1. HIDRAULICAS 2D ................................................................ 67
iii
4.3.2. DESPLAZAMIENTO EN 3D .................................................. 70
4.3.3. ANÁLISIS DE ESFUERZOS ................................................. 71
4.3.4. CALCULADORES ................................................................. 72
4.4. COMPARACIÓN DE RESULTADOS 79
4.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 80
4.5.1 TEMPERATURA. 80
4.6 DESPLAZAMIENTO EN 3D 81
4.7 ANÁLISIS DE ESFUERZOS 82
4.8 HIDRÁULICAS 82
4.9 APLICACIONES DISPLACE 3D 83
4.9.1 DISEÑO CONVENCIONAL: ..................................................... 83
4.9.2 DISEÑO USANDO DISPLACE 3D: .......................................... 84
4.9.3 BENEFICIOS DEL USO DE DISPLACE 3D ............................. 92
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 94
5.1. CONCLUSIONES 94
5.2. RECOMENDACIONES 95
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 96
NOMENCLATURA O GLOSARIO .............................................................. 97
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Ejemplo de las experiencias de excesos utilizados en el
“Campo 1” en las cementaciones de casing superficiales
20
Tabla 2. Experiencias de excesos utilizados en el “Campo 1” en
las cementaciones de liner’s de producción.
21
Tabla 3. Modelos reológicos y parámetros asociados 54
Tabla 4. Características del modelo GHB 54
Tabla 5. Datos necesarios para realizar las diferentes
simulaciones en el Software Integrado
77
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Unidades de medidas 16
Figura 2. Hoyos muy lavados con presencia de cavernas 17
Figura 3. Hoyos lavados con menos presencia de cavernas 18
Figura 4. Hoyos menos lavados con poca presencia de
cavernas
18
Figura 5. Hoyos en calibre sin presencia de cavernas 19
Figura 6. Velocidad de corte y esfuerzo de corte 26
Figura 7. Esfuerzos de gel 33
Figura 8. Comportamiento tixotrópico 35
Figura 9. Fluido newtoniano 37
Figura 10. Perfil de velocidad de un fluido newtoniano (laminar) 38
Figura 11. Perfil de velocidad de un fluido no newtoniano
(laminar)
39
Figura 12. Efecto de la velocidad de corte sobre la viscosidad
efectiva de un fluido no newtoniano
40
Figura 13. Efecto de disminución de la viscosidad con el
esfuerzo de corte en los fluidos no newtonianos
41
Figura 14. Diagrama de flujo del lodo newtoniano y típico 44
Figura 15. Modelo de Bingham y fluido no newtoniano típico 45
Figura 16. Comparación del modelo de Ley Exponencial 45
Figura 17. Efecto del índice “n” de Ley Exponencial sobre la
forma del perfil de flujo
47
Figura 18. Efecto del índice “n” de Ley Exponencial sobre el
comportamiento del fluido
48
Figura 19. Efecto del índice “n” de Ley Exponencial sobre el
perfil de velocidad
49
Figura 20. Comparación de los modelos reológicos 51
Figura 21. Gráfico logarítmico de comparación de los modelos
reológicos
51
vi
Figura 22. Etapas de flujo 58
Figura 23. Menú superior del Software Integrado 65
Figura 24. Menú de simulaciones del Software Integrado 67
Figura 25. Presión de circulación y densidad equivalente en las
zonas de fractura y de reservorio
67
Figura 26. Comparación entre caudales de entrada y de salida 68
Figura 27. Presión superficial calculada 68
Figura 28. Circulación del pozo: Presión vs. Caudal 69
Figura 29. Densidad equivalente de circulación (ECD) 70
Figura 30. Desplazamiento en 3D 70
Figura 31. Eficiencia de desplazamiento 71
Figura 32. Remanencia del cemento después de ser sometido a
diversas cargas durante las etapas de completación,
curado y producción
72
Figura 33. Menú superior de cálculos adicionales 72
Figura 34. Torque generado 73
Figura 35. Arrastre generado 74
Figura 36. Medida de Stand Off (cuan excéntrica queda la
tubería con los centralizadores ubicados)
74
Figura 37. Valor de Stand Off a diferentes profundidades 75
Figura 38. Orden jerárquico de los fluidos (el fluido más pesado
y viscoso desplaza al menos pesado y viscoso
76
Figura 39. Surge y Swab (efecto sobre la zona reservorio al
hacer Surg y Swab de la tubería)
76
Figura 40. Menú de librerías del Software integrado 78
Figura 41. Posición final de fluidos (Software integrado vs
Software convencional)
80
Figura 42. Comportamiento de Temperatura 81
Figura 43. Visualización en 2D de posicionamiento de fluidos 84
Figura 44. Visualización en 3D de posicionamiento final de
fluidos
86
vii
Figura 45. Visualización de canalización de cemento 87
Figura 46. Comportamiento de eficiencia de desplazamiento 88
Figura 47. Simulación de reciprocación y rotación 89
Figura 48. Comparativo de resultados con y sin rotación y
reciprocación
90
Figura 49. Simulación final con 100% de stand off 91
Figura 50. Simulación con 100% de eficiencia de
desplazamiento
91
viii
ÍNDICE DE ECUACIONES
PÁGINA
Ecuación 1. Volumen anular hueco abierto 10
Ecuación 2. Volumen junta de zapato 10
Ecuación 3. Volumen anular entre casing’s 11
Ecuación 4. Volumen del casing anterior 12
Ecuación 5. Cálculo de sacos de cemento 12
Ecuación 6. Volumen absoluto 13
Ecuación 7. Densidad de lechada 14
Ecuación 8. Punto de cedencia de la lechada 14
Ecuación 9. Cálculo de agua requerida 15
Ecuación 10. Esfuerzo de corte y velocidad de corte 25
Ecuación 11. Velocidad de corte 27
Ecuación 12. Velocidad de corte igual a velocidad rotacional 27
Ecuación 13. Viscosimetro rotacional K1 27
Ecuación 14. Esfuerzo de corte 28
Ecuación 15. Viscosimetro rotacional K2 28
Ecuación 16. Viscosidad aparente 29
Ecuación 17. Punto cedente 29
Ecuación 18. Punto cedente 29
Ecuación 19. Esfuerzo de corte 37
Ecuación 20. Flujo plástico de Bingham 43
Ecuación 21. Ley Exponencial 46
Ecuación 22. Exponente Ley Exponencial 49
Ecuación 23. Indice de consistencia 49
Ecuación 24. Viscosidad efectiva 50
Ecuación 25. Modelo Herschel - Bulkley 52
Ecuación 26. Exponente Ley Exponencial 52
Ecuación 27. Indice de consistencia 53
Ecuación 28. Modelo generalizado Herschel - Bulkley 53
ix
Ecuación 29. Modelo generalizado Herschel - Bulkley 53
Ecuación 30. Variaciones del modelo GHB 55
Ecuación 31. Fluidos viscoelasticos 57
Ecuación 32. Fluidos viscoelasticos 57
Ecuación 33. Tangente del ángulo 58
x
RESUMEN
En la tesis titulada IMPLEMENTACIÓN DE USO DE APLICACIONES
COMPLEMENTARIAS DE SOFTWARE DISPLACE 3D CON LA FINALIDAD
DE OPTIMIZAR VOLÚMENES DE LECHADAS DE CEMENTO EN POZOS
DE LA CUENCA DEL ORIENTE ECUATORIANO, se detallá el proceso que
se ha dado con el tiempo sobre la cementación de pozos desde sus inicios
hasta el dia de hoy, en donde la innovación ha sido un permanente cambio
dentro del mismo.
A continuacion en el capítulo 1 se detalla una breve historia desde donde
nació la necesidad de cementar los pozos petroleros utilizando varios
métodos convencionales para el cálculo de los volúmenes de lechadas, y
como en un principio el único objetivo fue llenar el espacio anular entre el
agujero perforado y la tubería de revestimiento con el cemento.
A medida que pasa el tiempo nuevos parámetros van tomando importancia
dentro de este proceso, como se puede analizar en el capítulo 2 donde se
aprecia los cálculos básicos de volúmenes, y los rendimientos de cada tipo
de lechada utilizada para este fin, es por esto que en el capítulo 3 se
describen los fundamentos teóricos tales como los tipos de fluidos,
reologías, canalización, jerarquía reológica, y tiempo de bombeabilidad de
las mismas.
En el capítulo 4 se detalla como se obtienen las simulaciones que el
software Displace 3D arroja luego de introducir todos los datos requeridos el
mismo que ayuda a determinar mediante simulaciones el éxito o fracaso de
una operación de cementación, ya que al poder introducir variables
operativas analiza la condición del pozo, el tipo de fluidos, la centralización, y
sobre todo si los volúmenes calculados son los correctos y sí los mismos
cubren todas las zonas del yacimiento de manera satisfactoria para que la
xi
producción de petróleo se obtenga de acuerdo a lo esperado en el pozo
cementado.
En el capítulo 5 se presentan las respectivas conclusiones y
recomendaciones de todo el proyecto.
xii
ABSTRACT
TheIn the thesis entitled IMPLEMENTATION OF ADDITIONAL
APPLICATIONS USING 3D displace SOFTWARE IN ORDER TO OPTIMIZE
CEMENT SLURRY VOLUME WELLS MIDDLE BASIN OF ECUADOR,
details the process that has occurred over time on well cementing from its
beginnings to the present day, where innovation has been a permanent
change within it.
Below in Chapter 1 is a brief history from where came the need for cementing
oil wells using various conventional methods to calculate the volumes of
grout, and as initially the sole purpose was to fill the annular space between
the hole perforated casing with cement.
As time passes new parameters are gaining importance in this process, as
can be analyzed in Chapter 2 where you can see the basic calculations of
volumes and yields of each type of grout used for this purpose, which is why
in Chapter 3 describes the theoretical foundations such as the types of fluids,
rheology, channeling, rheological hierarchy and pumpability time thereof.
Chapter 4 details how the simulations are obtained Displace 3D software
throws after entering all the required data the same simulations helps
determine the success or failure of a cementing operation because the power
input operating variables analyzed well condition, type of fluid, centralization,
and especially if the calculated volumes are correct and yes the same cover
all areas of the site to the satisfaction of that oil production is obtained
according to expectations in well cemented.
Chapter 5 presents some conclusions and recommendations for the entire
project
1
INTRODUCCIÓN
2
CAPÍTULO I
1. MÉTODOS CONVENCIONALES PARA EL
CÁLCULO DE VOLÚMENES DE LECHADAS
1.1. HISTORIA DE LA CEMENTACIÓN
Dentro de las fases de construcción de un pozo petrolero, se encuentra la
etapa de cementación. Este trabajo se enfoca al estudio de la cementación
de la tubería de revestimiento de producción (casing de producción). La
cementación del casing de producción es un trabajo muy delicado debido a
las implicaciones que podrían afectar el futuro del pozo. Por tanto, debe ser
lo más minucioso posible ya que de una buena práctica de cementación
depende la vida útil o productiva del pozo.
La cementación es un proceso que consiste en mezclar cemento seco y
ciertos aditivos con agua, para formar una lechada que es bombeada al pozo
a través de la sarta de revestimiento y colocarlo en el espacio anular entre el
hoyo y el diámetro externo del revestidor.
El volumen a bombear es predeterminado para alcanzar las zonas críticas
(alrededor del fondo de la zapata, espacio anular, formación permeable,
hoyo desnudo, etc.). Luego se deja fraguar y endurecer, formando una
barrera permanente e impermeable al movimiento de fluidos detrás del
revestidor.
Entre los propósitos principales de la cementación se pueden mencionar los
siguientes:
Proteger y asegurar la tubería de revestimiento en el hoyo.
3
Aislar zonas de diferentes fluidos.
Aislar zonas de agua superficial y evitar la contaminación de las
mismas por el fluido de perforación o por los fluidos del pozo.
Evitar o resolver problemas de pérdida de circulación y pega de
tuberías.
Reparar pozos por problemas de canalización de fluidos.
Reparar fugas en el revestidor.
La cementación tiene una gran importancia en la vida del pozo, ya que los
trabajos de una buena completación dependen directamente de una buena
cementación.
Después de la cementación del casing de producción, continúan una serie
de operaciones como la completación, pruebas de producción y presión,
workovers, etc., las mismas que podrían afectar al cemento. Por esta razón,
las lechadas de cemento deben tener propiedades que aseguren la
efectividad del cemento ante situaciones normalmente previstas. Aún más
cuando se trata de las zonas de interés, para evitar canalizaciones y fallas
en la lechada, etc.
1.1.1. CEMENTACIÓN PRIMARIA
Se realiza al cementar los revestidores del pozo (conductor, superficial,
intermedio, producción, etc.) durante la perforación. Entre los objetivos
principales de esta cementación se pueden mencionar los siguientes:
Adherir y fijar la sarta de revestimiento.
Restringir el movimiento de fluidos entre las formaciones productoras
y el confinamiento de los estratos acuíferos.
Proteger la sarta contra la corrosión.
4
Reforzar la sarta contra el aplastamiento debido a fuerzas externas y
reforzar la resistencia de la sarta a presiones de estallido.
Proteger la sarta durante los trabajos de cañoneo (completación).
Sellar la pérdida de circulación en zonas "ladronas".
1.1.2. CEMENTACIÓN SECUNDARIA
Es el proceso de forzamiento de la lechada de cemento en el pozo, que se
realiza principalmente en reparaciones/reacondicionamientos o en tareas de
terminación de pozos. Pueden ser cementaciones forzadas y tapones de
cemento.
Los propósitos principales de esta cementación son:
Reparar trabajos de cementación primaria deficientes.
Reducir altas producciones de agua y/o gas.
Reparar filtraciones causadas por fallas del revestidor.
Abandonar zonas no productoras o agotadas.
Sellar zonas de pérdidas de circulación.
Proteger la migración de fluido hacia zonas productoras.
El primer tipo de cemento usado en un pozo petrolero fue el llamado
cemento Portland, el cual fue desarrollado por Joseph Aspdin en 1824,
esencialmente era un material producto de una mezcla quemada de calizas
y arcillas.
El cemento Portland es un material cementante disponible universalmente.
Las condiciones a las cuales es expuesto en un pozo difieren
significativamente de aquellas encontradas en operaciones convencionales
de construcciones civiles.
5
Este tipo de cemento es el ejemplo más común de un cemento hidráulico,
los cuales fraguan y desarrollan resistencia a la compresión como un
resultado de la hidratación. Este fenómeno involucra una serie de reacciones
químicas entre el agua y los componentes del cemento.
Por definición, el cemento Portland es el que proviene de la pulverización del
clínker obtenido por fusión incipiente de materiales arcillosos y calizos, que
contengan óxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro en cantidades
convenientemente dosificadas y sin más adición posterior que yeso sin
calcinar, así como otros materiales que no excedan del 1% del peso total y
que no sean nocivos para el comportamiento posterior del cemento.
Los cementos tienen ciertas características físicas y químicas y en base al
uso que se les puede dar en cuanto a rango de profundidad, presiones y
temperaturas a soportar, etc., según el API, los cementos pueden ser
clasificados en:
Clase A: usado generalmente para pozos desde superficie hasta
6000’, cuando no se requieren propiedades especiales. La relación
agua/cemento recomendada es 5.2 gal/sx.
Clase B: usado generalmente para pozos desde superficie hasta
6000’, cuando hay condiciones moderadas a altas resistencia al
sulfato. La relación agua/cemento recomendada es 5.2 gal/sx.
Clase C: usado generalmente para pozos desde superficie hasta
6000’, cuando se requieren condiciones de alto esfuerzo. La relación
agua/cemento recomendada es 6.3 gal/sx.
Clase D: usado generalmente para pozos desde 6000’ hasta 10000’,
para condiciones moderadas de presión y temperatura. Está
disponible para esfuerzos moderados a altos. La relación
agua/cemento recomendada es 4.3 gal/sx.
6
Clase E: usado generalmente para pozos desde 10000’ hasta 14000’,
para condiciones altas de presión y temperatura. La relación
agua/cemento recomendada es 4.3 gal/sx.
Clase F: usado generalmente para pozos desde 10000’ hasta 16000’,
para condiciones extremas de presión y temperatura. Está disponible
para esfuerzos moderados a altos. La relación agua/cemento
recomendada es 4.3 gal/sx.
Clase G y H: usado generalmente para pozos desde superficie hasta
8000’ o puedan ser usados con aceleradores o retardadores para
cubrir una amplia variedad de rangos de presión y temperatura. La
relación agua/cemento recomendada es 5.0 gal/sx.
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Para el cálculo de volúmenes de lechadas en Cementaciones primarias
solamente se usan cálculos volumétricos, más un exceso determinado por la
experiencia del área, no son tomados en cuenta parámetros como
viscosidades de fluidos, diferencia de densidades de los fluidos, ángulo de
desvío, velocidad de fluido.
1.3. OBJETIVO GENERAL
Demostrar que el software Displace 3D es una herramienta que ayuda a
optimizar costos, reduce excesos, reduce deshechos y mejora la eficiencia
de las cementaciones en pozos de la cuenca del Oriente Ecuatoriano.
7
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Comparar Resultados de Displace 3D vs cálculos volumétricos
convencionales.
Analizar diferencias y determinar causas de por qué se obtienen estas
diferencias y analizar la aplicabilidad del software.
Demostrar que usando el software podemos determinar con mejor
eficiencia el volumen de lechadas a ser usadas en los pozos de la
cuenca del Oriente Ecuatoriano.
1.5. JUSTIFICACIÓN
En la actualidad los únicos métodos utilizados para determinar volúmenes de
lechadas a ser usados en la cementación de pozos de la cuenca del Oriente
Ecuatoriano se lo realiza a base de cálculos volumétricos y experiencias de
campo, las mismas que tienen fiabilidad limitada, debido a que en estos
cálculos no se incluye las características de los fluidos a ser desplazados por
las lechadas de cemento y espaciadores, teniendo como consecuencias en
ocasiones, canalizaciones, exceso de contaminación, pobre remoción del
mud cake, ocasionando malas cementaciones primarias.
Con el uso del Software Displace 3D podemos introducir todas estas
variables ayudándonos a determinar posibles problemas durante las
operaciones de cementación y tomar medidas preventivas para obtener
resultados exitosos en cementaciones primarias.
8
1.6. HIPÓTESIS:
El uso de cálculos volumétricos y experiencias de campo no es totalmente
exacto para poder determinar los óptimos volúmenes de lechada en
cementaciones primarias, Con el uso del software Displace 3D se pueden
agregar parámetros no utilizados anteriormente como son: características
del lodo a ser desplazado, velocidad de fluidos, características de
espaciadores, características de calibre de pozo, contaminación inter fase de
fluidos, pudiendo así determinar de manera más exacta los volúmenes de
lechada a ser utilizados en las operaciones de cementación.
9
MARCO TEÓRICO
10
CAPÍTULO II
2. CÁLCULOS VOLUMÉTRICOS
2.1. CÁLCULOS DE VOLÚMENES
2.1.1. VOLUMEN ANULAR HUECO ABIERTO
Este cálculo comprende el espacio entre el hueco perforado y el liner de
producción. Se calcula utilizando la siguiente ecuación:
[1]
Donde:
V = Volumen anular hueco abierto – liner en, bl
= Diámetro del hueco abierto, plg
= Diámetro externo del liner, plg
= Longitud hueco abierto, pies
1,15 = Factor que considera un exceso de volumen del 15 %
2.1.2. VOLUMEN JUNTA DE ZAPATO
Volumen ocupado por el espacio comprendido entre el zapato guía y el collar
flotador y se calcula mediante la siguiente ecuación:
[2]
11
Donde:
= Volumen de la junta de zapato, bl
= Diámetro interno, plg
= Longitud de la junta de zapato, pies
2.1.3. VOLUMEN ANULAR ENTRE CASING’S
Cuando se cementa un Liner de producción queda colgado desde una parte
del casing anterior por esta razón es necesario calcular el volumen anular
entre casing’s.
Se calcula con la aplicación de la siguiente ecuación:
[3]
Donde:
= Volumen anular entre casing’s, bls
= Diámetro interno del casing anterior, plg
= Diámetro externo del liner de producción, plg
= Longitud entre casing de producción
2.1.4. VOLUMEN DEL CASING ANTERIOR
Cuando se realiza una cementación de liner de producción, por precaución
se deja un volumen de cemento sobre el liner de producción a cierta
longitud, se lo puede calcular mediante la siguiente ecuación:
12
[4]
Donde:
= Volumen sobre liner, bl
= Diámetro interno del casing anterior, plg
= Longitud de cemento que queda sobre liner, pies
La constante 1029,4 transforma las unidades de volumen a barriles.
Por lo general en los pozos productores del bloque 15, la cementación del
liner de producción se realiza con dos lechadas una lead (lechada delantera)
y una tail (lechada de cola).
Los volúmenes calculados para el hueco abierto y para la junta de zapato
corresponden a la lechada de cola, y los volúmenes entre casing’s y
volumen sobre el liner corresponde a la lechada delantera.
2.1.5. CÁLCULO DE SACOS DE CEMENTO
El cálculo de sacos de cemento se realiza por separado para las lechadas
lead y tail.
Utilizando la siguiente ecuación:
[5]
Donde:
= Volumen anular hueco abierto, bls
= Volumen junta de zapato, bls
13
= Factor de conversión 1 bl/5,615 ft3
El punto de cedencia varía de acuerdo al tipo de lechada ya sea lead o tail y
su valor está dado en ft3/sacos.
2.1.6. PESO DE LA LECHADA Y ADITIVOS
2.1.6.1. VOLUMEN ABSOLUTO
El volumen absoluto está definido como la cantidad de volumen ocupada por
unidad de masa. El volumen absoluto de los distintos materiales se obtiene
de tablas utilizando el factor de conversión adecuado, o se puede calcular a
partir de la gravedad específica de los materiales, determinando la densidad
del material e invirtiendo el valor de la misma, utilizando la siguiente
ecuación:
[6]
Donde:
= Volumen absoluto, gl.
= Peso del material, lb.
= Gravedad específica.
La constante 8,33 es el valor de la densidad del agua medida en lb/gl.
En ciertos casos los aditivos vienen dados por el volumen absoluto en gal/
saco, para estos casos se calcula el peso del aditivo mediante la ecuación
1.6 despejando el peso del material.
Al final se suma el valor de todos los volúmenes calculados y de todos los
pesos calculados.
14
2.1.7. DENSIDAD DE LA LECHADA
Es la suma de todos los pesos de los materiales que componen la lechada
dividido para la suma de los volúmenes. Se puede calcular con la siguiente
ecuación:
[7]
Donde:
= Densidad de la lechada
Peso total = Cantidad de masa en lbm
= Volumen total de partículas
2.1.8. PUNTO DE CEDENCIA DE LA LECHADA
Este cálculo ayuda a determinar los sacos de cementos calculados en la
ecuación 2.5 mediante la siguiente ecuación:
[8]
Donde:
= Volumen absoluto, bls.
La constante 7,4805 da el valor del punto de cedencia en ft3/sacos.
15
2.1.9. CÁLCULO DE AGUA REQUERIDA
De la experiencia se tiene que, para el cálculo de agua requerida para una
lechada de 16 lb/gl necesitamos más o menos 5 gl/saco de agua. La
cantidad de agua requerida se calcula con la siguiente ecuación:
[9]
Donde:
= Volumen de agua, gl
2.2. UNIDADES DE MEDIDAS
Las unidades comunes de medida que se utilizan en la industria del petróleo
son las del sistema API (Inglés) y las internacionales SI, aunque en muchos
países o locaciones existe una combinación de unidades. En el caso de
Ecuador se utilizan el Sistema API, como se puede observar en la figura 1.
16
Figura 1. Sistema API
Instituto Americano del Petróleo
17
2.3. EXPERIENCIAS DEL ÁREA PARA CÁLCULOS
VOLUMÉTRICOS
Básicamente a los cálculos volumétricos se les adiciona un exceso sobre el
diámetro nominal del hoyo, las experiencias en la cuenca Oriente se ha
basado en el tipo casing a cementar, el tipo de formación, litología y trabajos
realizados en el pozo previo a la bajada de casing y cementación.
En las figuras 2, 3, 4 y 5 se puede visualizar los diferentes tipos de hoyo que
se pueden presentar dependiendo de la litología de la zona, los tipos de
hoyos que podemos encontrar tenemos a continuación:
Figura 2. Hoyos muy lavados con presencia de cavernas
Halliburton – Production Enhancement, Sand Control
18
Figura 3. Hoyos lavados con menos presencia de cavernas
Halliburton – Production Enhancement, Sand Control
Figura 4. Hoyos menos lavados con poca presencia de cavernas
Halliburton – Production Enhancement, Sand Control
19
Figura 5. Hoyos en calibre sin presencia de cavernas
Halliburton – Production Enhancement, Sand Control
2.4. USO DE EXCESOS DE VOLÚMENES DE ACUERDO A
EXPERIENCIAS DE ÁREA
Una de las causas en la falla de las cementaciones primarias es la mala
estimación del volumen del pozo y la falta de exceso, para cubrir posibles
contaminaciones. Se debe recomendar en todo momento, la corrida de un
caliper de 6 brazos (mínimo de 4 brazos), para la determinación del tamaño
del hueco. En caso de falta del mismo, se debe realizar un lag test y estimar
un exceso sobre el mismo. En la tabla 1 se presentan diversas experiencias
utilizadas en las cementaciones superficiales del Campo 1.
20
Tabla 1. Ejemplo de las experiencias de excesos utilizados en el “Campo 1” en las cementaciones de casing superficiales
Campo Campo 1
Pozo 1 2 3 4 5
Desviación Maxima 23 23 23 23 23
Profundidad Final(ft) 5872 5872 5872 5872 5872
Diámetro Broca(in) 16 16 16 16 16
Diámetro Lag Test (in) N/A N/A N/A N/A N/A
Exceso (%) 30% 30% 30% 30% 30%
Diámetro Equivalente (in) 16.71 16.71 16.71 16.71 16.71
Volumen Lavadores 0 0 0 0 0
Volumen Espaciadores
40 bbl Dual Spacer (D)
40 bbl Dual Spacer (D)
40 bbl Dual Spacer (D)
40 bbl Dual Spacer (D)
40 bbl Dual Spacer (D)
40 bbl Dual Spacer (V)
40 bbl Dual Spacer (V)
40 bbl Dual Spacer (V)
40 bbl Dual Spacer (V)
40 bbl Dual Spacer (V)
LEAD
Nombre de Lechada
EconoCem EconoCem EconoCem EconoCem EconoCem
Volumen(bbl) 530 530 530 530 530
Longitud Lechada (ft)
5372 5372 5372 5372 5372
Cantidad de cemento (sks)
1640 1640 1640 1640 1640
TAIL
Nombre de Lechada
HalCem HalCem HalCem HalCem HalCem
Volumen(bbl) 500 500 500 500 500
Longitud Lechada (ft)
55 55 55 55 55
Cantidad de cemento (sks)
290 290 290 290 290
En la tabla 2 se presentan experiencias de excesos utilizados en el Campo 1
en las cementaciones de liner’s de producción.
21
Tabla 2. Experiencias de excesos utilizados en el “Campo 1” en las
cementaciones de liner’s de producción
Generalmente para las cementaciones de Casing superficiales e intermedios
no es frecuente tomar registros caliper para verificar el tamaño del hoyo, por
este motivo en el área del “campo 1” se acostumbra a trabajar con un
exceso de 30% sobre el diámetro de la broca. En el caso de que una
formación productora o por otros motivos se decida registrar la calidad de
cemento en estas zonas es necesario tomar un registro caliper o caso
Campo Campo 1
Pozo 1 2 3 4 5
Desviación Maxima 41 38 2 20 153
Temp. BHCT (°F)
183 183 163 163 190
BHST (°F) 210 235 212 210 210
Profundidad Final(ft) 11978 11927 10447 10467 10116
Diámetro Broca(in) 8.5 8.5 8.5 8.5 8.5
Diámetro Caliper (in) 8.82 8.8 8.82 8.91 8.73
Exceso (%) 15% 20% 15% 20% 10%
Diámetro Equivalente (in) 9.06 9.11 9.06 9.245 9
Objetivo Principal
Lower U Lower "U" Lower "U" Main "T"
Lower "U" Main "T"
Main "T"
Objetivo Secundario
Main "T" Hollin
Hollin Hollin Lower "U"
Volumen Lavadores (Tipo/ Volumen)
30 bbl Mud Flush 30 bbl Mud
Flush 20 bbl Mud Flush
20 bbl Mud Flush
20 bbl Mud Flush
10 bbl MCA 10 bbl MCA 10 bbl MCA 10 bbl MCA 10 bbl MCA
Volumen Espaciadores
50 BBL Tuned Spacer
40 BBL Tuned Spacer
40 BBL Tuned Spacer
40 BBL Tuned Spacer
40 BBL Tuned Spacer
III+20 bbl Scaveger III+20 bbl Scaveger
III+20 bbl Scaveger
III+30 bbl Scaveger
III+20 bbl Scaveger
LEAD
Nombre de Lechada VersaCem VersaCem VersaCem VersaCem VersaCem
Volumen(bbl) 23 23 21 22 22
Longitud Lechada (ft) 294 220 282 292 200
Cantidad de cemento (sks)
120 120 110 115 120
Exceso % 15 20 15 0 15
TAIL
Nombre de Lechada ElastiCem ElastiCem ElastiCem LifeCem ElastiCem
Volumen(bbl) 35 32 27 32 26
Longitud Lechada (ft) 826 878 811 766
Cantidad de cemento
(sks) 180 160 140 145 140
Exceso % 15 20 754 20 15
SGS (min) 3.5 21 13 2 7
22
contrario trabajar con un exceso mayor para asegurar que la calidad de
cemento cubra los intervalos de interés.
Para el caso de una zona de producción en la mayoría de los casos se toma
registro caliper, la confiabilidad de estos datos depende mucho si el caliper
es de 2, 4 o 6 brazos, siendo los datos más confiables los del caliper de 6
brazos o más.
El exceso en la zona productora especialmente va a depender del dato
promedio del caliper y de cuantas operaciones adicionales se hacen
después de registrado el pozo, por ejemplo viajes para registros de presión
ya que mientras más viajes se realice más se lavará el hoyo. La experiencia
en el “Campo 1” es de 20% a 15% de exceso sobre el diámetro del caliper.
23
METODOLOGÍA
24
CAPÍTULO III
3. REOLOGÍAS
3.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Reología es la ciencia que trata de la deformación y del flujo de la materia.
Una definición más moderna expresa que la reología es la parte de la física
que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales
que son capaces de fluir. La reología es una parte de la mecánica de medios
continuos. Una de las metas más importantes en reología es encontrar
ecuaciones para modelar el comportamiento de los materiales.
Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir
mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes
tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa.
Algunas de las propiedades reológicas más importantes son:
Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de
corte)
Coeficientes de esfuerzos normales
Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio)
Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (comportamiento
viscoelástico lineal)
Funciones complejas de viscoelasticidad no lineal
Los estudios teóricos en reología en ocasiones emplean modelos
microscópicos para explicar el comportamiento de un material. Por ejemplo
25
en el estudio de polímeros, éstos se pueden representar como cadenas de
esferas conectadas mediante enlaces rígidos o elásticos.
3.1.1. ESFUERZO DE CORTE Y VELOCIDAD DE CORTE
La viscosidad (μ) se pueden describir como la relación del esfuerzo de corte
() a la velocidad de corte (). Por definición:
[10]
Donde:
= viscosidad del fluido
= esfuerzo de corte
= velocidad de corte
Los conceptos de velocidad de corte y esfuerzo de corte se aplican al flujo
de todos los fluidos. Dentro de un sistema de circulación, la velocidad de
corte depende de la velocidad media del fluido en la geometría en que está
fluyendo. Por lo tanto, las velocidades de corte son mayores en las
geometrías pequeñas (dentro de la columna de perforación) y menores en
las geometrías grandes (como la tubería de revestimiento y los espacios
anulares del riser).
Las velocidades de corte más altas suelen causar una mayor fuerza resistiva
del esfuerzo de corte. Por lo tanto, los esfuerzos de corte en la columna de
perforación (donde hay mayores velocidades de corte) exceden los del
espacio anular (donde las velocidades de corte son menores). El total de las
pérdidas de presión a través del sistema de circulación (presión de bombeo)
26
está frecuentemente asociado con el esfuerzo de corte, mientras que la
velocidad de bombeo está asociada con la velocidad de corte. Esta relación
entre la velocidad de corte y el esfuerzo de corte para un fluido define la
manera en que dicho fluido corre.
La Figura 6. es una representación simplificada de dos capas de fluido (A y
B) que se mueven a diferentes velocidades cuando se aplica una fuerza.
Cuando un fluido está fluyendo, hay una fuerza en el fluido que se opone al
flujo. Esta fuerza se llama esfuerzo de corte. Se puede describir como un
esfuerzo de fricción que aparece cuando una capa de fluido se desliza
encima de otra. Como el corte ocurre más fácilmente entre capas de fluido
que entre la capa exterior del fluido y la pared de una tubería, el fluido que
está en contacto con la pared no fluye. La velocidad a la cual una capa pasa
por delante de la otra capa se llama velocidad de corte. Por lo tanto, la
velocidad de corte () es un gradiente de velocidad.
Figura 6. Velocidad de corte y esfuerzo de corte
Halliburton – Production Enhancement, Sand Control
La fórmula para la velocidad de corte () es:
27
[11]
Donde:
= Velocidad de corte en segundos recíprocos
V2 = Velocidad en la Capa B (pies/seg)
V1 = Velocidad en la Capa A (pies/seg)
d = Distancia entre A y B (pies)
La velocidad de corte (), es igual a la velocidad rotacional RPM () del
viscosímetro multiplicada por K1. Este factor se deriva de la geometría del
manguito y del balancín del viscosímetro.
(seg–1) = K1 x [12]
Para un viscosímetro rotacional K1 se calcula mediante:
[13]
Donde R2 y R1 son los radios de los cilindros concéntricos (R2 > R1), en
pulgadas
3.1.2. ESFUERZO DE CORTE
El esfuerzo de corte () es la fuerza requerida para mantener la velocidad de
corte. El esfuerzo de corte está expresado en unidades estándar del campo
petrolífero, es decir las libras de fuerza por cien pies cuadrados (lb/100
pies2) requeridas para mantener la velocidad de corte.
28
Las indicaciones del cuadrante del viscosímetro () tomadas con la
combinación de balancín y resorte estándar número uno (1), pueden ser
convertidas en un esfuerzo de corte () con unidades de lb/100 pies2,
multiplicando la indicación por K2.
(lb/100 pies2) = K2 x [14]
Las indicaciones del viscosímetro son frecuentemente usadas como
indicación del esfuerzo de corte () en lb/100 pies2 sin realizar la conversión,
ya que la diferencia es pequeña.
Para un viscosímetro rotacional K2 se puede calcular mediante la siguiente
fórmula:
[15]
Donde F es el factor del resorte de torsión del instrumento en libras-fuerza.
Se usan una variedad de viscosímetros para medir la viscosidad del fluido de
perforación. Los viscosímetros FANN (VG) y los reómetros están diseñados
para simplificar el uso de los modelos reológicos. Los viscosímetros también
son usados para medir las propiedades tixotrópicas o los esfuerzos de gel de
un fluido.
3.1.3. VISCOSIDAD EFECTIVA
La viscosidad de un fluido no newtoniano cambia con el esfuerzo de corte.
La viscosidad efectiva (μe) de un fluido es la viscosidad de un fluido bajo
condiciones específicas. Estas condiciones incluyen la velocidad de corte, la
presión y la temperatura.
29
3.1.4. VISCOSIDAD APARENTE
La viscosidad efectiva a veces es llamada Viscosidad Aparente (VA). La
viscosidad aparente está indicada por la indicación del viscosímetro de lodo
a 300 RPM (300) o la mitad de la indicación del viscosímetro a 600 RPM
(600). Cabe indicar que ambos valores de viscosidad aparente concuerdan
con la fórmula de viscosidad:
[16]
La viscosidad plástica se describe generalmente como la parte de la
resistencia al flujo que es causada por la fricción mecánica. La viscosidad
plástica es afectada principalmente por:
La concentración de sólidos.
El tamaño y la forma de los sólidos.
La viscosidad de la fase fluida.
La presencia de algunos polímeros de cadena larga
Las relaciones aceite-agua (A/A) o Sintético-Agua (S/A) en los fluidos
de emulsión inversa.
3.1.5. PUNTO CEDENTE
El Punto Cedente (PC) en libras por 100 pies cuadrados (lb/100 pies2) se
calcula a partir de los datos del viscosímetro FANN (VG), de la siguiente
manera:
YP (lb/100 pies2) = 2 x 300 – 600 [17]
YP (lb/100 pies2) = 300 – PV [18]
30
El punto cedente, segundo componente de la resistencia al flujo en un fluido
de perforación, es una medida de las fuerzas electroquímicas o de atracción
en un fluido. Estas fuerzas son el resultado de las cargas negativas y
positivas ubicadas en o cerca de las superficies de las partículas. El punto
cedente es una medida de estas fuerzas bajo las condiciones de flujo, y
depende de: (1) las propiedades superficiales de los sólidos del fluido, (2) la
concentración volumétrica de los sólidos, y (3) el ambiente eléctrico de estos
sólidos (concentración y tipos de iones en la fase fluida del fluido).
El punto cedente es la parte de la resistencia al flujo que se puede controlar
con un tratamiento químico apropiado. El punto cedente disminuye a medida
que las fuerzas de atracción son reducidas mediante el tratamiento químico.
La reducción del punto cedente también reducirá la viscosidad aparente.
El punto cedente es usado frecuentemente como indicador de las
características de dilución por esfuerzo de corte de un fluido y de su
capacidad de suspender el material densificante y retirar los recortes del
pozo, pero puede inducir a error.
Cualquier fluido con un punto cedente superior a cero disminuye en cierta
medida su viscosidad con el esfuerzo de corte. Los fluidos con puntos
cedentes muy bajos no suspenderán el material densificante, pero es posible
que los fluidos con altos puntos cedentes tampoco suspendan el material
densificante.
Las medidas de sus esfuerzos de corte a bajas velocidades de corte indican
que su esfuerzo de corte a una velocidad de corte de cero seg-1 es igual a
cero (0). La capacidad de un fluido para suspender la barita depende más de
los esfuerzos de gel, de la viscosidad a baja velocidad de corte y de la
tixotropía de un fluido
31
3.1.6. VISCOSIDAD A BAJA VELOCIDAD DE CORTE Y LSRV
El uso cada vez más frecuente de la perforación de desviación controlada,
de alcance extendido y horizontal y el uso de biopolímeros para controlar las
propiedades reológicas han producido un cambio de opinión en lo que se
refiere a las propiedades reológicas que son consideradas necesarias para
lograr una limpieza eficaz del pozo en los pozos desviados. A través de
numerosos estudios de laboratorio y en base a la experiencia de campo, se
ha determinado que los valores de viscosidad a baja velocidad de corte (6 y
3 RPM) tienen un mayor impacto sobre la limpieza del pozo que el punto
cedente, además de proporcionar la suspensión de la barita bajo
condiciones tanto dinámicas como estáticas.
Además de las indicaciones de 6 y 3 RPM, se determinó que la viscosidad
de baja velocidad de corte creada por la red de polímeros en los sistemas
era crítica para la limpieza del pozo y la suspensión de sólidos en pozos
horizontales y de alto ángulo. Esta LSRV se mide usando un viscosímetro de
Brookfield a una velocidad de corte de 0.3 RPM (el equivalente de 0.037
RPM en un viscosímetro VG).
Estas propiedades reológicas de bajo corte llenan el vacío entre las medidas
dinámicas tradicionales de VP y PC, y las medidas estáticas del esfuerzo de
gel.
3.1.7. TIXOTROPÍA Y ESFUERZOS DE GEL
La tixotropía es la propiedad demostrada por algunos fluidos que forman una
estructura de gel cuando están estáticos, regresando luego al estado de
fluido cuando se aplica un esfuerzo de corte. La mayoría de los fluidos de
perforación base agua demuestran esta propiedad, debido a la presencia de
partículas cargadas eléctricamente o polímeros especiales que se enlazan
32
entre sí para formar una matriz rígida. Las indicaciones de esfuerzo de gel
tomadas con el viscosímetro FANN (VG) a intervalos de 10 segundos y 10
minutos, y a intervalos de 30 minutos para las situaciones críticas,
proporcionan una medida del grado de tixotropía presente en el fluido.
La resistencia del gel formado depende de la cantidad y del tipo de sólidos
en suspensión, del tiempo, de la temperatura y del tratamiento químico. Es
decir que cualquier cosa que fomenta o impide el enlace de las partículas,
aumentará o reducirá la tendencia a gelificación de un fluido.
La magnitud de la gelificación, así como el tipo de esfuerzo de gel, es
importante en la suspensión de los recortes y del material densificante. No
se debe permitir que la gelificación alcance un nivel más alto del necesario
para cumplir estas funciones. Los esfuerzos de gel excesivos pueden causar
complicaciones, tales como las siguientes:
Entrampamiento del aire o gas en el fluido.
Presiones excesivas cuando se interrumpe la circulación después de
un viaje.
Reducción de la eficacia del equipo de remoción de sólidos.
Pistoneo excesivo al sacar la tubería del pozo.
Aumento brusco excesivo de la presión durante la introducción de la
tubería en el pozo.
Incapacidad para bajar las herramientas de registro hasta el fondo.
La formación de geles progresivos o geles instantáneos puede indicar
problemas en el sistema de fluido. Una variación amplia entre la indicación
inicial de gel y las indicaciones de gel a 10 o 30 minutos constituye la
formación de geles progresivos e indica la acumulación de sólidos. Si las
indicaciones de gel inicial y a 10 minutos son altas y muestran muy pocas
diferencias entre ellas, esto representa la formación de geles instantáneos y
puede indicar que la floculación ha ocurrido.
33
En el caso de que los esfuerzos de gel son altos y planos, se debe a la red
de polímeros creada. Los esfuerzos de gel frágiles son muy comunes en los
fluidos de perforación de polímeros. La Figura 7. ilustra gráficamente los
diferentes tipos de esfuerzo de gel.
Figura 7. Esfuerzos de gel
Halliburton – Production Enhancement
El esfuerzo de gel y el punto cedente son medidas de las fuerzas de
atracción en un sistema de fluido. El esfuerzo de gel inicial mide las fuerzas
de atracción estáticas, mientras que el punto cedente mide las fuerzas de
atracción dinámicas. Por lo tanto, el tratamiento que se usa para el esfuerzo
de gel inicial excesivo es el mismo que para el punto cedente excesivo.
Además, la gelificación le proporciona a un fluido una “memoria” de su
pasado y debe ser tomada en cuenta cuando se toman medidas
significativas de las propiedades reológicas. Si se deja reposar un fluido por
un tiempo determinado antes de medir el esfuerzo de corte a una velocidad
de corte determinada, será necesario mantener dicha velocidad de corte por
34
cierto tiempo, antes de que se pueda medir un esfuerzo de corte en el
equilibrio. Todos los enlaces entre partículas que pueden romperse a dicha
velocidad de corte deberán romperse, si no el esfuerzo de corte medido será
más alto que el esfuerzo de corte en el equilibrio verdadero. El tiempo
requerido depende del grado de gelificación que haya ocurrido en la
muestra.
Después de tomar una medida a 600 RPM y de reducir la velocidad de corte
a 300 RPM, el fluido tiende a recordar sus antecedentes de corte a 600
RPM. Se requiere un tiempo determinado para que ciertos enlaces entre
partículas que pueden existir a la velocidad de corte reducida se formen de
nuevo, antes de que se pueda medir un esfuerzo de corte en el equilibrio
verdadero. El esfuerzo de corte indicado será demasiado bajo inicialmente, y
aumentará gradualmente hasta alcanzar un valor de equilibrio.
El primer valor indicado de esfuerzo de corte a cualquier velocidad de corte
depende de los antecedentes de corte inmediatos de la muestra. Si se mide
el esfuerzo de gel inicial de un fluido inmediatamente después de cortar el
fluido a 600 RPM, el valor indicado será inferior al esfuerzo de cedencia
verdadero del fluido.
Como la formación o descomposición de una estructura de gel depende del
tiempo, muchas relaciones diferentes de esfuerzo de gel/velocidad de corte
pueden ser usadas para pasar de una velocidad de corte a otra.
Esto está ilustrado en la Figura 8 donde la curva continua representa la
relación estabilizada de esfuerzo de corte/velocidad de corte que ocurre
cuando la velocidad de corte del fluido es modificada muy lentamente. Sin
embargo, si el fluido parte del punto A a un valor de equilibrio del alto
esfuerzo de corte que disminuye repentinamente a una velocidad de corte
igual a cero, el esfuerzo de corte seguirá la curva inferior, la cual es inferior
en todos los puntos a la curva de equilibrio.
35
Figura 8. Comportamiento tixotrópico
Halliburton – Production Enhancement
Una vez que el fluido está inactivo, el esfuerzo de gel aumenta hasta que se
alcance el punto B. Si la velocidad de corte es aumentada repentinamente
después de la gelificación hasta el punto B, el esfuerzo de corte seguirá una
trayectoria más alta desde el punto B hasta el punto C, la cual es más alta
en todos los puntos que la curva de equilibrio. Con el tiempo, a esta alta
velocidad de corte, el esfuerzo de corte disminuirá desde el punto C hasta el
valor de equilibrio en el punto A. En cambio, si la velocidad de corte es
aumentada lentamente después de la gelificación hasta el punto B, el
esfuerzo de corte disminuirá inicialmente, y luego seguirá la curva de
equilibrio hasta el punto A.
Se puede seguir la curva de B a C si el fluido de perforación no está siendo
tratado correctamente. Esto resultaría en presiones de circulación muy altas.
Periodos muy largos pueden ser necesarios para alcanzar el punto de
equilibrio A. Los fluidos de perforación tratados correctamente siguen la
36
trayectoria más corta hasta la curva de equilibrio, resultando en presiones de
bombeo más bajas.
3.2. MODELOS REOLÓGICOS
3.2.1. MODELOS REOLÓGICOS
Un modelo reológico se usa para describir las características de flujo de un
fluido. Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el
esfuerzo de corte () que experimenta el fluido y la tasa de corte ( ).
3.3. FLUIDOS
3.3.1. FLUIDOS NEWTONIANOS
La clase más simple de fluidos es la clase de fluidos newtonianos. En estos
fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de
corte. Por ejemplo como agua dulce, agua salada, aceite, diesel, aceites
minerales y sintéticos. Los puntos forman una línea recta que pasa por el
punto de origen (0,0) del gráfico según coordenadas cartesianas. La
viscosidad de un fluido newtoniano es la pendiente de esta línea de esfuerzo
de corte/velocidad de corte. Como lo muestra la Figura 9, El esfuerzo de
cedencia (esfuerzo requerido para iniciar el flujo) de un fluido newtoniano
siempre será cero (0).
37
Figura 9. Fluido newtoniano
Halliburton – Production Enhancement
Los fluidos newtonianos no suspenderán los recortes y el material
densificante bajo condiciones estáticas.
Sólo se requiere una medida del esfuerzo de corte a determinada velocidad
de corte, porque el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la
velocidad de corte para un fluido newtoniano. A partir de esta medida, se
puede calcular el esfuerzo de corte a cualquier otra velocidad de corte,
usando la siguiente ecuación:
[19]
El fluido que corre dentro de una tubería cilíndrica según un flujo laminar u
ordenado, se desplaza en capas concéntricas, de la manera indicada en la
Figura 10 (A) y (B) se muestra un perfil de velocidad típico para un fluido
newtoniano que fluye dentro de una tubería. El perfil de flujo tiene la forma
de una parábola o de una bala.
38
Figura 10. Perfil de velocidad de un fluido newtoniano (laminar)
Halliburton – Production Enhancement
La razón de cambio de velocidad con la distancia (velocidad de corte) es la
pendiente del perfil de velocidad en cualquier punto dentro de la tubería. La
pendiente del perfil de velocidad alcanza su nivel máximo en la pared de la
tubería y disminuye hasta cero en el centro de la tubería. Por lo tanto, la
velocidad de corte es máxima en la pared y nula en el centro de la tubería.
En la pared de la tubería, la pendiente del perfil de velocidad es paralela a la
pared de la tubería y tiene una pendiente infinita (máxima). Esta pendiente
disminuye con la distancia a medida que se aleja de la pared, y en cierto
punto tiene una pendiente de 45º que tendría una pendiente de 1. En el
centro de la tubería, la pendiente del perfil de velocidad es perpendicular a la
pared de la tubería y tiene una pendiente de cero (mínima) (ver la Figura 10.
B). Por lo tanto, el esfuerzo de corte también será máximo en la pared.
39
3.3.2. FLUIDOS NO NEWTONIANOS
Cuando un fluido contiene arcillas o partículas coloidales, estas partículas
tienden a “chocar” entre sí, aumentando el esfuerzo de corte o la fuerza
requerida para mantener una velocidad de corte determinada. Si estas
partículas son largas en comparación con su espesor, la interferencia
causada por las partículas será importante cuando estén orientadas al azar
en el flujo. Sin embargo, a medida que se aumenta la velocidad de corte, las
partículas se “alinearán” en el flujo y el efecto de la interacción de las
partículas disminuye. Esto hace que el perfil de velocidad dentro de una
tubería sea diferente al perfil del agua. En el centro de la tubería, donde la
velocidad de corte es baja, la interferencia causada por las partículas es
grande y el fluido tiende a fluir más como una masa sólida.
El perfil de velocidad se aplana de la manera indicada en la Figura 11. este
aplanamiento del perfil de velocidad aumenta la eficacia de barrido de un
fluido para desplazar a otro fluido, y también aumenta la capacidad que un
fluido tiene para transportar partículas más grandes.
Figura 11. Perfil de velocidad de un fluido no newtoniano (laminar)
Halliburton – Production Enhancement
40
Si las partículas se atraen eléctricamente, el efecto es similar. A bajas
velocidades de corte, las partículas se enlazan entre sí, aumentando la
resistencia al flujo, pero a altas velocidades de corte, los enlaces se rompen.
Bajo estas circunstancias, el esfuerzo de corte no aumenta en proporción
directa a la velocidad de corte. Los fluidos que se comportan de esta manera
son llamados fluidos no newtonianos.
Los fluidos no newtonianos demuestran una relación de esfuerzo de
corte/velocidad de corte, de la manera ilustrada en la Figura 12 donde la
relación de esfuerzo de corte a velocidad de corte no es constante, sino
diferente a cada velocidad de corte. Esto significa que un fluido no
newtoniano no tiene ninguna viscosidad única o constante que pueda
describir su comportamiento de flujo a todas las velocidades de corte. Para
describir la viscosidad de un fluido no newtoniano a una velocidad de corte
en particular, se usa una “viscosidad efectiva”.
Figura 12. Efecto de la velocidad de corte sobre la viscosidad efectiva de un fluido no newtoniano
Halliburton – Production Enhancement
41
La viscosidad efectiva se define como la relación (pendiente) de esfuerzo de
corte a velocidad de corte, a una velocidad de corte determinada, y se ilustra
como la pendiente de una línea trazada desde la curva de esfuerzo de corte
(a la velocidad de corte considerada) hasta el punto de origen (ver la Figura
12.). Como se indica, la mayoría de los fluidos no newtonianos demuestran
un comportamiento de “disminución de la viscosidad con el esfuerzo de
corte”, de manera que la viscosidad efectiva disminuye cuando la velocidad
de corte aumenta.
Como se muestra en la Figura 13, cuando se traza la viscosidad efectiva
junto a la curva de esfuerzo de corte-velocidad de corte, es fácil observar la
naturaleza de disminución de la viscosidad con el esfuerzo de corte que
exhiben la mayoría de los fluidos de perforación.
Figura 13. Efecto de disminución de la viscosidad con el esfuerzo de corte en los fluidos no newtonianos
Halliburton – Production Enhancement
42
Los fluidos No-Newtonianos se dividen en tres grandes grupos: (A)
independientes del tiempo, (B) dependientes del tiempo, y (C) fluidos visco-
elásticos
3.3.2.1. FLUIDOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO
Para los fluidos independientes del tiempo la velocidad de corte en un punto
dado es únicamente dependiente del esfuerzo aplicado instantáneamente en
dicho punto. Se consideran tres categorías generales de los fluidos
independientes del tiempo:
Dilatante
Pseudoplástico
Plástico de Bingham
Quicksand and starch solutions son ejemplos de fluidos dilatantes. Los
fluidos dilatantes son raros en la industria del petróleo, por lo tanto, son de
interés limitado, mientras que los fluidos pseudoplásticos son comunes y se
les presta mayor atención.
Las ecuaciones constitutivas comunes para los fluidos independientes del
tiempo incluyen la de Ostwald-de Waele o Ley de Potencia, el modelo de
fluido de Ellis, el modelo de Carreau, el modelo plástico de Bingham, el
modelo de Herschel-Bulkley y el de Robertson
a) Modelo de Flujo Plástico de Bingham
Éste es uno de los más antiguos modelos reológicos que son usados
actualmente. Este modelo describe un fluido en el cual se requiere una
43
fuerza finita para iniciar el flujo (punto cedente) y que luego demuestra una
viscosidad constante cuando la velocidad de corte aumenta (viscosidad
plástica). La ecuación para el modelo de Flujo Plástico de Bingham es la
siguiente:
[20]
Donde:
= Esfuerzo de corte
0 = Punto cedente o esfuerzo de corte a una velocidad de corte de
cero (intersección de Y)
= Viscosidad plástica o tasa de aumento del esfuerzo de corte
con el aumento de la velocidad de corte (pendiente de la línea)
= Velocidad de corte
La mayoría de los fluidos de perforación no son verdaderos fluidos Plásticos
de Bingham. Para el lodo típico, si se hace una curva de consistencia para
un fluido de perforación con los datos del viscosímetro rotativo, se obtiene
una curva no lineal que no pasa por el punto de origen, según se muestra en
la Figura 14.
El desarrollo de los esfuerzos de gel hace que la intersección en el eje Y se
produzca en un punto por encima del punto de origen, debido a la fuerza
mínima requerida para romper los geles e iniciar el flujo. El flujo tapón,
condición en que un fluido gelificado fluye como un “tapón” que tiene un
perfil de viscosidad plano, comienza a medida que esta fuerza aumenta. A
medida que la velocidad de corte aumenta, el flujo pasa del flujo tapón al
flujo viscoso. Dentro de la zona de flujo viscoso, los incrementos iguales de
la velocidad de corte producirán incrementos iguales del esfuerzo de corte, y
el sistema adopta la configuración del flujo de un fluido newtoniano.
44
Figura 14. Diagrama de flujo del lodo newtoniano y típico
Halliburton – Production Enhancement
La Figura 15. ilustra un perfil de flujo verdadero de un fluido de perforación
con el modelo ideal de Flujo Plástico de Bingham. Esta figura muestra no
solamente la comparación entre el “punto cedente verdadero” y el punto
cedente de Bingham, sino también la desviación de la viscosidad a bajas y
altas velocidades de corte en comparación con la viscosidad Plástica de
Bingham. El punto cedente de Bingham es más alto que el esfuerzo de
cedencia verdadero.
45
Figura 15. Modelo de Bingham y fluido no newtoniano típico
Halliburton – Production Enhancement
Por lo general, la mejor manera de estimar el punto cedente verdadero es a
partir del valor de esfuerzo de gel inicial, como se muestra en la Figura 16.
Figura 16. Comparación del modelo de Ley Exponencial
Halliburton – Production Enhancement
46
b) Modelo de Ley Exponencial
El modelo de Ley Exponencial procura superar las deficiencias del modelo
de Flujo Plástico de Bingham a bajas velocidades de corte. El modelo de Ley
Exponencial es más complicado que el modelo de Flujo Plástico de Bingham
porque no supone que existe una relación lineal entre el esfuerzo de corte y
la velocidad de corte, como lo indica la Figura 17 sin embargo, como para
los fluidos newtonianos, las curvas de esfuerzo de corte vs velocidad de
corte para los fluidos que obedecen a la Ley Exponencial pasan por el punto
de origen.
Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta
según la velocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia
determinada. Matemáticamente, el modelo de Ley Exponencial se expresa
como:
[21]
Donde:
= Esfuerzo de corte
K = Índice de consistencia
= Velocidad de corte
n = Exponente de Ley Exponencial
Al ser trazada en un gráfico en escala log-log, la relación de esfuerzo de
corte/velocidad de corte de un fluido que obedece a la Ley Exponencial
forma una línea recta, como lo indica la Figura 17 la “pendiente” de esta
línea es “n”. K’ es la intersección de esta línea.
47
El exponente “n” de Ley Exponencial indica el grado de comportamiento no
newtoniano de un fluido sobre un rango determinado de velocidades de
corte. Cuanto más bajo sea el valor de “n”, el fluido disminuye más su
viscosidad con el esfuerzo de corte sobre dicho rango de velocidades de
corte, y más curvada será la relación de esfuerzo de corte/velocidad de
corte, como se muestra en la Figura 17.
Figura 17. Efecto del índice “n” de Ley Exponencial sobre la forma del perfil de flujo
Halliburton – Production Enhancement
Según el valor de “n”, existen tres tipos diferentes de perfiles de flujo y
comportamientos del fluido:
1. n < 1: El fluido es un fluido no newtoniano que disminuye su
viscosidad con el esfuerzo de corte.
2. n = 1: El fluido es un fluido newtoniano
3. n > 1: El fluido es un fluido dilatante que aumenta su viscosidad con el
esfuerzo de corte
48
La Figura 18. muestra una comparación entre un fluido de perforación típico
y un fluido que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte, un fluido
newtoniano y un fluido dilatante.
Figura 18. Efecto del índice “n” de Ley Exponencial sobre el comportamiento del fluido
Halliburton – Production Enhancement
El efecto de “n” sobre el perfil de flujo y el perfil de velocidad es muy
importante para los fluidos no newtonianos que disminuyen su viscosidad
con el esfuerzo de corte. A medida que el perfil de viscosidad se aplana (ver
la Figura 19.), la velocidad del fluido aumenta sobre un área más grande del
espacio anular, lo cual aumenta considerablemente la limpieza del pozo.
Ésta es una de las razones por las cuales los fluidos de bajo valor de “n”
proporcionan una limpieza del pozo tan buena. El índice de consistencia “K”
es la viscosidad a una velocidad de corte de un segundo recíproco (seg-1).
Este índice está relacionado con la viscosidad de un fluido a bajas
velocidades de corte. La eficacia con la cual un fluido limpia el pozo y
suspende los materiales densificantes y los recortes puede ser mejorada
aumentando el valor de “K”.
49
Figura 19. Efecto del índice “n” de Ley Exponencial sobre el perfil de velocidad
Halliburton – Production Enhancement
Los términos “K” y “n” sólo son verdaderamente pertinentes cuando están
relacionados con una velocidad de corte específica. Sin embargo, cuando la
curva de un fluido está descrita por un número finito de medidas, los
segmentos de la línea para estas medidas describen a “K” y “n”.
Los valores de “K” y “n” pueden ser calculados a partir de los datos del
viscosímetro. Las ecuaciones generales para los valores de “n” y “K” son las
siguientes:
[22]
[23]
50
Donde:
n = Índice de Ley Exponencial o exponente.
K = Índice de consistencia o índice de fluido de la Ley Exponencial
(dina seg–n/cm2)
1 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte
más baja
2 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte
más alta
1 = RPM del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más
baja
2 = RPM del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte más
alta
Ecuación general de la viscosidad efectiva (cP) mediante la Ley
Exponencial:
[24]
c) Ley Exponencial Modificada o Modelo de Herschel – Bulkley
El modelo de Ley Exponencial no describe totalmente a los fluidos de
perforación, porque no tiene un esfuerzo de cedencia y calcula un valor
demasiado bajo de la LSRV (viscosidad a muy baja velocidad de corte),
como se mostró previamente en la Figura 19 el modelo de Ley Exponencial
modificada, o modelo de Herschel-Bulkley, puede ser utilizado para tomar en
cuenta el esfuerzo requerido para iniciar el movimiento del fluido (esfuerzo
de cedencia).
51
Figura 20. Comparación de los modelos reológicos
Halliburton – Production Enhancement
Figura 21. Gráfico logarítmico de comparación de los modelos reológicos
Halliburton – Production Enhancement
Los diagramas mostrados en las Figuras 20 y 21 ilustran las diferencias
entre los modelos de Ley Exponencial modificada, Ley Exponencial y Flujo
52
Plástico de Bingham. Está claro que el modelo de Ley Exponencial
modificada se parece más al perfil de flujo de un lodo de perforación típico.
En cada caso, el modelo de Ley Exponencial modificada está ubicado entre
el modelo de Flujo Plástico de Bingham, siendo éste el más alto, y el modelo
de Ley Exponencial, el más bajo. El modelo de Ley Exponencial modificada
es ligeramente más complicado que el modelo de Flujo Plástico de Bingham
o el modelo de Ley Exponencial. Sin embargo, este modelo puede
aproximarse más al comportamiento reológico verdadero de la mayoría de
los fluidos de perforación.
Matemáticamente, el modelo de Herschel-Bulkley es el siguiente:
[25]
Donde:
= Esfuerzo de corte
0 = Esfuerzo de cedencia o fuerza para iniciar el flujo
K = Índice de consistencia
= Velocidad de corte
n = Índice de Ley Exponencial
En la práctica, se acepta el esfuerzo de cedencia como valor para la
indicación a 3 RPM o el esfuerzo de gel inicial en el viscosímetro VG. Al
convertir las ecuaciones para aceptar los datos del viscosímetro VG, se
obtienen las ecuaciones para “n” y “K”.
[26]
53
[27]
Donde:
n = Exponente de la Ley Exponencial o índice de comportamiento
de flujo
K = Índice de consistencia o índice de fluido de la Ley Exponencial
(dina seg–n/cm2)
1 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte
más baja.
2 = Indicación del viscosímetro de lodo a una velocidad de corte
más alta.
0 = Esfuerzo de gel nulo o indicación a 3 RPM.
1 = Viscosímetro (RPM) a una velocidad de corte más baja.
2 = Viscosímetro (RPM) a una velocidad de corte más alta.
d) Modelo Generalizado Herschel – Bulkley (GHB)
Este modelo se basa en el concepto fundamental originalmente propuesto
por Ofoli. El modelo GHB está expresado por la siguiente ecuación:
[28]
Donde ref fue seleccionado convenientemente como:
[29]
54
El modelo GHB se introduce para proveer mayor flexibilidad para
caracterizar las funciones de viscosidad aparente de sistemas de fluidos
multifásicos, como lechadas de cemento alivianadas, espumas, y lechadas
de alta densidad. Sin embargo, el modelo GHB puede reducirse a modelos
más simples de acuerdo a lo descrito en la Tabla 3.
El modelo es desarrollado para abarcar una población más global de los
fluidos del pozo mediante la adaptación de sus propiedades físicas bajo
ambientes de esfuerzo de corte comunes y extremos. Las características del
modelo GHB se resumen en la Tabla 4.
Tabla 3. Modelos reológicos y parámetros asociados
Tabla 4. Características del modelo GHB
Modelo YP
finito
Viscosidad de Alto
Corte finita
Índice de Shear
Thinning Variable
Índice de Esfuerzo de Corte Variable
Precisión al evaluar el YP
con información limitada
Newtoniano X
Ley Exponencial X
Plástico de Bingham X X Baja
Herschel-Bulkley X X Mejorada
GHB X X X Xa
Mayor Precisión
a Provee una mejorada precisión en la predicción del YP con información limitada
55
Las siguientes dos características diferencian el Modelo GHB de los otros
modelos usados:
1. El modelo GHB acomoda fluidos No-Newtonianos mediante la
incorporación de dos posibilidades:
a. El fluido puede o no tener esfuerzo de cedencia.
b. El esfuerzo de corte puede ser una función no lineal de la
velocidad de corte.
2. El esfuerzo de corte puede ser una función no lineal de cualquier otro
parámetro en la ecuación, y por si mismo puede ser elevado a una
potencia no unitaria. Esta característica proporciona una mejor
estimación del punto cedente del cemento con información limitada.
Las variaciones del modelo GHB son:
[30]
Donde:
1. For GHB-2 Model: m = n = 0.5
2. For GHB-3 Model: m = n y varían de 0.5 a 1
3. For GHB-4 Model: m≠n, m y n varían de 0.5 a 1
4. For HB Model: m = 1 y n varía de 0.5 a 1
3.3.2.2. FLUIDOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO
Para los fluidos dependientes del tiempo la velocidad de corte es una función
tanto de la magnitud como de la dirección del esfuerzo de corte y,
posiblemente, también una función del lapso de tiempo entre aplicaciones
consecutivas de esfuerzo de corte. Los fluidos dependientes del tiempo
pueden dividirse en fluidos tixotrópicos y fluidos reopécticos.
.nnm
o
m
56
Los fluidos tixotrópicos muestran una disminución en el esfuerzo de corte
con el tiempo a una velocidad de corte constante y temperatura fija. Si a un
fluido tixotrópico se le aplica un esfuerzo de corte incrementando
constantemente la velocidad de corte y luego a una velocidad decreciente,
se obtiene una curva similar a un lazo de histéresis. La posición del lazo será
diferente para diferentes historias. Ejemplos de fluidos tixotrópicos son el
cemento, fluidos de impresión, margarina, pinturas, grasas, etc.
Los fluidos reopécticos son a veces referidos como anti-tixotrópicos ya que
su comportamiento es opuesto a de los fluidos tixotrópicos. Exhiben un
incremento en el esfuerzo de corte con el tiempo a una velocidad de corte
constante y temperatura fija. Un lazo de histéresis puede obtenerse con
estos fluidos. Nuevamente, la ubicación del lazo depende de la historia en
tiempo. Ejemplos de estos fluidos son suspensiones de pentóxido de
vanadio, suspensiones de arcilla bentonita, suspensiones de yeso, etc.
3.3.2.3. FLUIDOS VISCOELÁSTICOS
Estos fluidos no retornan a su estado original una vez que el esfuerzo de
corte es removido. Dicha respuesta se llama respuesta viscosa.
Por otro lado, también se tiene a sólidos que retornan a su estado original
una vez que el esfuerzo es removido. Esta respuesta se conoce como una
respuesta elástica. Fluidos que exhiben ambas respuestas elástica y viscosa
simultáneamente se conocen como fluidos viscoelásticos. Los fluidos
viscoelásticos son llamados también “fluidos con memoria” porque sus
esfuerzos internos son función de la historia pasada de deformación en
conjunto con la historia actual de deformación. Las propiedades reológicas
de fluidos viscoelásticos no pueden ser descritas usando solamente una
relación entre el esfuerzo y la velocidad de corte. Se requiere la inclusión de
derivativas en tiempo tanto para el esfuerzo como para la velocidad de corte.
57
Ejemplos de fluidos viscoelásticos son los reductores de fricción, fluidos de
fractura crosslinqueados, polímeros, soluciones poliméricas derretidas, etc.
Mediciones de esfuerzos constantes de un fluido viscoelástico con un
viscosímetro solamente dará como resultado la viscosidad aparente y no sus
propiedades elásticas. Las propiedades viscoelásticas no pueden
caracterizarse usando medidas de esfuerzo estables. Por tanto, los fluidos
viscoelásticos pueden estudiarse únicamente utilizando mediciones
oscilatorias dinámicas.
Las propiedades reológicas de los fluidos viscoelásticos pueden
determinarse mediante la aplicación de pequeñas fuerzas de corte
oscilatorias al fluido de prueba. Cuando se aplica una fuerza sinusoidal al
fluido de prueba el resultado es un esfuerzo oscilatorio. Si el fluido es
Newtoniano el esfuerzo estará desfasado 90 grados con la fuerza. Si el
fluido es elástico el esfuerzo estará en fase con la fuerza. Si el fluido es
viscoelástico el esfuerzo estará desfasado con la fuerza con menos de 90
grados dando componentes “en-fase” y “fuera-de-fase”. El módulo de corte
complejo, G*, se define manipulando las relaciones de amplitud y fase entre
el esfuerzo osilatorio y la fuerza en términos de sus equivalentes complejos.
Esto es la razón del esfuerzo oscilatorio a la fuerza oscilatoria.
[31]
O,
[32]
El componente “en-fase”, G’, representa el carácter elástico del material y
por tanto es llamado “módulo de almacenaje”. El componente “fuera-de-
58
fase”, G”, representa el carácter viscoso y es llamado “módulo de pérdida”.
La tangente del ángulo de fase es a veces llamado ángulo de pérdida.
[33]
3.4. TIPOS DE COMPORTAMIENTOS DE FLUJOS
3.4.1. REGÍMENES DE FLUJO
Los fluidos del pozo están sometidos a una variedad de configuraciones del
flujo durante el proceso de perforación de un pozo. Estas configuraciones del
flujo pueden definirse como diferentes etapas de flujo, de la manera ilustrada
en la Figura 22.
Figura 22. Etapas de flujo
Halliburton – Production Enhancement
59
Etapa 1 – Ningún flujo. . La mayoría de los fluidos de perforación resisten
con fuerza suficiente al flujo, de manera que es necesario aplicar una
presión para iniciarlo. El valor máximo de esta fuerza constituye el esfuerzo
de cedencia verdadero del fluido. En un pozo, el esfuerzo de cedencia
verdadero está relacionado con la fuerza necesaria para “romper la
circulación”.
Etapa 2 – Flujo tapón. Cuando se excede el esfuerzo de cedencia
verdadero, el flujo comienza en la forma de un tapón sólido. En el flujo tapón,
la velocidad es la misma a través del diámetro de la tubería o del espacio
anular, excepto para la capa de fluido que está contra la pared del conducto.
Muchas veces se hace referencia al flujo de la pasta dentífrica dentro del
tubo para describir un ejemplo de flujo tapón. El perfil de velocidad del flujo
tapón es plano.
Etapa 3 – Transición de flujo tapón a flujo laminar. A medida que el
caudal aumenta, los efectos de corte comenzarán a afectar las capas dentro
del fluido y a reducir el tamaño del tapón en el centro del flujo. La velocidad
aumentará desde el pozo hasta el borde del tapón central. El perfil de
velocidad es plano a través del tapón que tiene la mayor velocidad, y decae
o disminuye a cero en la pared del conducto.
Etapa 4 – Flujo laminar. A medida que se aumenta el caudal, los efectos
del caudal y de la pared sobre el fluido siguen aumentando. A cierto punto, el
tapón central dejará de existir. A este punto, la velocidad alcanzará su nivel
más alto en el centro del flujo y disminuirá a cero en la pared del conducto.
El perfil de velocidad tiene la forma de una parábola. La velocidad del fluido
está relacionada con la distancia a partir del espacio anular o de la pared de
la tubería. Dentro de una tubería, se puede describir al flujo como una serie
de capas telescópicas cuya velocidad aumenta de capa en capa hacia el
centro. Todo el fluido através de la tubería o del espacio anular se moverá
en la dirección de flujo, pero a diferentes velocidades. Esta etapa de flujo
60
regular se llama laminar debido a las capas o láminas formadas por las
diferentes velocidades.
Etapa 5 – Transición de flujo laminar a flujo turbulento. A medida que el
caudal aumenta, el flujo regular comienza a descomponerse.
Etapa 6 – Flujo turbulento. Cuando el caudal sigue aumentando, el flujo
regular se decompone totalmente y el fluido tiene un flujo vorticial y
turbulento. El movimiento del fluido total sigue siendo a lo largo del espacio
anular o de la tubería en una dirección, pero la dirección del movimiento será
imprevisible en cualquier punto dentro de la masa del fluido. Bajo estas
condiciones, el flujo es turbulento. Una vez que estas condiciones han sido
alcanzadas, cualquier aumento del caudal producirá simplemente un
aumento de la turbulencia.
Estas etapas de flujo tienen varias implicaciones diferentes. La presión
requerida para bombear un fluido dentro de un flujo turbulento es
considerablemente más alta que la presión requerida para bombear el
mismo fluido dentro de un flujo laminar. Una vez que el flujo es turbulento,
los aumentos del caudal aumentan geométricamente la presión de
circulación. En el flujo turbulento, cuando se duplica el caudal, la presión se
multiplica por cuatro (22). Cuando se multiplica el caudal por tres, la pérdida
de presión se multiplica por ocho (23).
Las pérdidas de presión asociadas con el flujo turbulento dentro del espacio
anular pueden ser críticas cuando la Densidad Equivalente de Circulación
(ECD) se aproxima al gradiente de fractura. Además, el flujo turbulento
dentro del espacio anular está asociado con la erosión del pozo y los
socavamientos en muchas formaciones. En las zonas propensas a la
erosión, el diámetro del pozo se desgastará de tal manera que el flujo vuelva
a ser un flujo laminar. Al perforar estas zonas, el caudal y las propiedades
reológicas del lodo deberían ser controlados para impedir el flujo turbulento.
61
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
62
CAPÍTULO IV
4. SOFTWARE Displace 3D
4.1. DESCRIPCIÓN
En este capítulo se presenta el simulador computacional de fluidos en
estado dinámico que sirve para modelar aspectos múltiples del
desplazamiento del lodo durante la cementación. En el año 2001, Crook
describió los ochos pasos para realizar trabajos de cementación exitosos.
Los cinco primeros pasos se relacionan directamente con la colocación
exitosa de la lechada de cemento, y nunca antes un simulador había sido
capaz de modelar todos los cinco pasos en conjunto. El simulador CFD
modela dinámicamente en tres dimensiones (3D), la intermezcla de los
fluidos del pozo dentro de la tubería y del anular con el movimiento del
casing durante la limpieza del hueco y la colocación de la lechada de
cemento.
El verdadero valor que tiene este proceso de simulación es que el usuario
puede practicar con el simulador antes de ir al pozo. Ya que los procesos no
ocurren en dos dimensiones, este simulador 3D puede ayudar a los
ingenieros y operadores a tomar las mejores decisiones para evitar trabajos
de cementación fallidos, mejorar la integridad del pozo y controlar los costos
de taladro asociados con las cementaciones remediales. El menú interactivo
del programa 3D permite visualizar al usuario diferentes escenarios y le
ayuda a crear el mejor diseño de una vez, para evitar costosos trabajos
remediales posteriores.
63
En la completación de un pozo de petróleo y gas, las operaciones de
cementación se emplean para proporcionar aislamiento zonal. El factor
quizás más importante que los ingenieros y operadores deben considerar
para el éxito de un trabajo de cementación es la remoción adecuada del
fluido de perforación. El desplazamiento efectivo del lodo es el factor más
importante que ayuda a asegurar un trabajo de cementación exitoso. Para
ayudar a optimizar la remoción de lodo, la técnica principal usada es
bombear un fluido espaciador con una reología modificada que crea una
favorable interfase fluido - fluido para mejorar el desplazamiento del lodo. En
la mayoría de casos, es muy deseable monitorear cómo evoluciona esta
interfase en el tiempo.
La intermitencia de un fluido podría inhibir la capacidad de ese fluido para
cumplir el objetivo deseado, por ejemplo, intermezclando el fluido espaciador
con la lechada de cemento podría provocar una contaminación del cemento.
Esta contaminación podría causar una falla no deseada de la cementación y
consecuentemente un incremento significativo debido al tiempo de espera o
a trabajos remediales.
Algunos otros factores que directamente impactan el desplazamiento del
lodo son la geometría del pozo, las características del lodo, el movimiento
del casing mediante reciprocación y rotación, centralización del casing y la
tasa de bombeo optimizada. Sin embargo, a menudo se desconoce la
influencia de cómo estas variables afectan el desplazamiento del lodo,
especialmente cuando se aplican en combinación con otro fluido.
Aun una operación relativamente bien ejecutada puede rápidamente
convertirse en un escenario complicado por múltiples variables. En la
industria se han llevado a cabo numerosos estudios físicos a gran escala en
los últimos 50 años para evaluar empíricamente la importancia de estos
factores en la eficiencia del desplazamiento.
64
Más recientemente, sin embargo, varios estudios han recogido la ventaja de
los métodos numéricos computacionales para describir los diferentes
aspectos del proceso del desplazamiento del lodo en las geometrías
anulares. Tehrani discutió estudios combinados teóricos experimentales de
desplazamiento laminar en anulares inclinados excéntricos mediante un
acoplamiento adecuado de la ecuación del momentum con la ecuación de
concentración sugerida inicialmente por Landau y Lifshitz. Varios autores
posteriormente condujeron estudios de flujo helicoidal, flujo viscoso
helicoidal para un solo fluido no newtoniano, flujo a través de espacios
anulares en tubo excéntricos y también el flujo de un solo fluido entre dos
placas paralelas para describir el comportamiento de desplazamiento del
cemento.
Mientras un significativo trabajo experimental fue realizado en el pasado, los
investigadores actuales han construido modelos comprensivos, por ejemplo
el CFD que toma en consideración todos los parámetros físicos que afectan
el fenómeno de desplazamiento, a los ajustes a las tasas de bombeo, a la
intermezcla y difusión de fluido - fluido, a la excentricidad del casing respecto
al hueco, a las geometrías anormales del pozo, a la reología de los fluidos, a
la desviación del pozo, a la reciprocación y rotación del casing. Por lo tanto,
se ha desarrollado un simulador de tres dimensiones para modelar estos
escenarios. El sistema computacional esta formulado en un sistema de
coordenadas curvilíneas cuyas fronteras pueden incluir hasta huecos
irregulares tales como aquellos con zonas erosionadas por la circulación.
Los modelos existentes antes de estos modelos computacionales estaban
limitados a un anular excéntrico muy pequeño y sin movimiento del casing; el
simulador actual maneja efectos reales múltiples y realiza eficientemente
estudios que pueden facilitar la realización de trabajos de cementación más
económicos y efectivos mientras se asegura la vida productiva del pozo.
Actualmente en la industria hay diversos Sofware de cementación que
permiten simular las hidráulicas y centralización entre las principales
65
características, pero recientes investigaciones tecnológicas en base al
movimiento, compatibilidad y temperatura de fluidos con visualización en 3
dimensiones proporcionan información más certera de la posición final de los
fluidos expresado en eficiencia de desplazamiento. Adicional a esto
mediante un análisis de elementos finitos se evalúa la integridad del
cemento durante la vida del pozo sometiéndolo a esfuerzos extremos.
En la figura 23 se observa el menú típico de un software integrado que
proporciona la capacidad de simular hidráulicas, desplazamiento en 3D,
análisis de esfuerzos, entre las más importantes.
Figura 23. Menú superior del Software Integrado
Halliburton – Production Enhancem
4.2. APLICACIONES
Como se mencionó anteriormente en base en la dinámica computacional de
fluidos y análisis de elementos finitos un software integrado puede evaluar y
monitorear las variables específicas antes y después de un trabajo de
cementación, y en tiempo real durante las operaciones. Una amplia variedad
de modelos integrales se pueden ejecutar de manera iterativa para evaluar
las variables que afectan el desplazamiento del lodo de perforación, la
colocación de cemento y la integridad del cemento a lo largo de la vida útil
del pozo.
Estas variables pueden ser evaluadas individual y colectivamente para una
cementación primaria, un trabajo de circulación inversa, un trabajo
obturador, o una investigación después de la operación de cementación en
66
un trabajo irregular por nombrar sólo algunos. Diferentes resultados se
pueden realizar de forma simultánea para una evaluación vigorosa. Esto
permite el análisis de las probables causas de las fallas, así como
información para ayudar a optimizar los diseños actuales y futuros.
Un software integrado ofrece un completo conjunto de capacidades de
modelamiento hidráulico para la simulación en las operaciones de
cementación. La remoción del lodo y la erodabilidad proporcionan un medio
para cuantificar la fuerza necesaria para erosionar la costra de lodo,
tomando en cuenta la geometría y la centralización de una sarta de
revestimiento.
Es un modelado avanzado de propiedades reológicas - perfiles de
viscosidad en función de la temperatura para la simulación más precisa. Los
datos de laboratorio pueden incluir FYSA, o un reómetro personalizable,
varios modelos de reología para cubrir los diferentes tipos de fluidos: fluido
plástico de Bingham, fluidos que siguen la ley exponencial, fluidos
Newtonianos, fluidos Herschel-Bulkley. Otros servicios como el “gas flow
potencial”.
Permite realizar complejos diseños en tierra y costa afuera, ajuste
automático de la velocidad de bombeo para mantenerse por debajo del
gradiente de fractura.
4.3. SIMULACIONES
EL Software integrado presenta 3 módulos de simulación que permiten
realizar un análisis de ingeniería preciso de la cementación, como se
presenta en la Figura 24.
Hidráulicas en 2D
Visualización en 3D
Análisis de Esfuerzos
67
Figura 24. Menú de simulaciones del Software Integrado
Halliburton – Production Enhancem
4.3.1. HIDRAULICAS 2D
La figura 25 muestra la máxima presión hidrostática que ejercen los fluidos
en la zona de interés, la línea roja nos indica la presión incluida la presión de
superficie, en cambio la línea verde es simplemente la presión hidrostática.
Figura 25. Presión de circulación y densidad equivalente en las zonas de
fractura y de reservorio
Halliburton – Production Enhancem
En la figura 26 se indica una comparación de los caudales de entrada vs.
Los caudales de salida durante el proceso de cementación, la línea roja es el
caudal de entrada y la línea verde indica el caudal de salida, este último no
debe superar el caudal de salida para que no ejerza desestabilidad al hoyo.
68
Figura 26. Comparación entre caudales de entrada y de salida
Halliburton – Production Enhancem
La figura 27 muestra la presión de superficie esperada durante el trabajo, la
línea roja es la presión de cabeza y la línea verde es la presión de bombeo
en el camión de cementación, o sea esta presión está incluyendo las
fricciones generadas desde el camión al cabezal del pozo. Al final las
presiones incrementan debido a que el cemento entra al anular, luego
disminuye debido a que el caudal es bajado para chequear el asentamiento
del tapón
Figura 27. Presión superficial calculada
Halliburton – Production Enhancem
69
En la siguiente grafica 28 se indica la presión que se obtiene durante la
circulación del pozo previo a la cementación, este dato es muy importante
para verificar el tamaño del hoyo y la limpieza del mismo, por ejemplo si la
presión real es mayor a la presión de diseño significa que el hoyo está más
pequeño y puede ser que los topes de cemento planificados no alcancen lo
esperado.
Figura 28. Circulación del pozo: Presión vs. Caudal
Halliburton – Production Enhancem
La gráfica 29 mostrada a continuación presenta la densidad equivalente de
circulación vs la profundidad, hay un indicativo especial en la profundidad del
zapato previo. Para esto es necesario ingresar datos del leak off test a
diferentes profundidades para hacer simulaciones más precisas con
respecto a la ECD.
70
Figura 29. Densidad equivalente de circulación (ECD)
Halliburton – Production Enhancem
4.3.2. DESPLAZAMIENTO EN 3D
La simulación en 3D es una herramienta novedosa y de última tecnología en
software de cementación, así la figura 30 es una gráfica dinámica que
muestra cómo se van posicionando los fluidos en el anular, esta simulación
toma en cuenta compatibilidad de fluidos así como la facilidad que tienen a
mezclarse los fluidos en base a un índice de miscibilidad. Con esta
simulación se tiene un dato más exacto de los topes reales de cemento.
Figura 30. Desplazamiento en 3D
Halliburton – Production Enhancem
71
La eficiencia de desplazamiento también es un dato dinámico, la figura 31 es
un grafica obtenida de conjugar todas las practicas de cementación, al final
de aplicar todas ellas se tiene un porcentaje el cual indica que tan
desplazado quedo uno u otro fluido, este dato es muy importante para
verificar la eficiencia de desplazamiento en un punto dato de profundidad.
Figura 31. Eficiencia de desplazamiento
Halliburton – Production Enhancem
4.3.3. ANÁLISIS DE ESFUERZOS
Mediante el estudio de análisis de esfuerzos o análisis de estrés el software
integrado permite simular el comportamiento que tendrá el sello de cemento
bajo diferentes cargas a lo largo del tiempo.
Las propiedades mecánicas del cemento es un factor crítico al momento de
evaluar si la lechada de cemento soportaría o no las cargas durante la vida
productiva del pozo. La gráfica 32 muestra la remanencia del cemento
después de ser sometido a diversos eventos como son el curado o evento
de estimulación, y en la gráfica de la derecha indica el tipo de falla ya sea
por crack, deformación, etc., así se puede saber el porcentaje de
remanencia que tendría el cemento.
72
Figura 32. Remanencia del cemento después de ser sometido a diversas
cargas durante las etapas de completación, curado y producción.
Halliburton – Production Enhancem
4.3.4. CALCULADORES
Además el Software integrado es capaz de realizar cálculos precisos
adicionales de torque, stand off, reología y surge & swab, como se muestra
en la figura 33.
Figura 33. Menú superior de cálculos adicionales
Halliburton – Production Enhancem
El Displace 3D presenta los siguientes Calculadores:
Torque y arrastre de la tubería
Stand Off
73
Jerarquía reológica
Surgencia y Swabeo
4.3.4.1. TORQUE Y ARRASTRE
La figura 34 muestra el torque ejercido sobre la tubería, este dato depende
mucho de las condiciones del hoyo y con esta curva se puede determinar si
es factible o no rotar la tubería. Básicamente es el torque que se obtendría
en superficie que como se ve va creciendo mientras se va profundizando.
Con esta información se determina si podríamos rotar o no una tubería o si
necesitaríamos o no usar anillos de torque en las cuplas.
Figura 34. Torque generado
Halliburton – Production Enhancem
La figura 35 muestra el arrastre que genera la tubería mientras esta es
bajada por el hoyo abierto y hueco entubado. El arrastre incrementa
respecto a la profundidad toma en cuenta un factor de fricción que se le da al
hueco y tubo. Este es un dato muy importante para verificar si los
centralizadores ejercen más arrastre durante la bajada del casing.
Tenemos la línea azul que es el arrastre estático, este equivale
prácticamente al peso de toda la tubería, la línea roja es el peso bajando la
tubería y la línea verde es el peso sacando la tubería.
74
Figura 35. Arrastre generado
Halliburton – Production Enhancem
4.3.4.2. STAND OFF
El stand off es una medida de la excentricidad de la tubería respecto al hoyo,
en este caso la grafica 36 simula el stand off en función del número de
centralizadores que se ubicaron. Tenemos la línea verde que representa el
stand off en el punto medio entre los dos centralizadores, y la línea roja
corresponde al stand off en el centralizador. A la derecha las líneas cortas
rojas representan los centralizadores.
Figura 36. Medida de Stand Off (cuan excéntrica queda la tubería con los centralizadores ubicados)
Halliburton – Production Enhancem
75
La gráfica 37 muestra en forma tabular a la profundidad de cada
centralizador el stand off y la fuerza de restauración del fleje del
centralizador. Esta información se la usa cuando se desea mas detalle de
información, también al lado derecho tenemos el diagrama de la trayectoria
del pozo en 3D.
Figura 37. Valor de Stand Off a diferentes profundidades
Halliburton – Production Enhancem
4.3.4.3. JERARQUÍA REOLÓGICA
La gráfica 38 muestra la jerarquía reológica de todos los fluidos que se
planea bombear al pozo, aquí se simula las caídas de presión vs el caudal
de bombeo. Por ejemplo en el recuadro lila esta resaltado los caudales a los
cuales se desplazara, en este caso tenemos una buena jerarquía ya que el
lodo (lila) será desplazado por la lechada lead (verde) y este será
desplazado por la lechada tail (amarillo).
Measured Depth (ft)
Restoring Force
(lbf)
Standoff at Centralizer (%)
9,940.0 27,276 40.7
9,960.0 148 45.2
9,980.0 145 68.9
10,000.0 118 78.1
10,013.3 93 78.6
10,026.7 90 82.9
10,040.0 85 83.0
10,053.3 84 83.0
10,066.7 83 83.0
10,080.0 290 78.6
10,160.0 292 44.1
10,180.0 115 82.1
10,200.0 205 80.2
10,256.7 178 80.7
10,270.0 66 83.1
10,283.3 66 83.1
10,296.7 66 83.1
10,310.0 70 83.0
10,323.3 72 83.0
10,336.7 71 83.0
10,350.0 60 83.2
10,360.0 76 82.9
10,380.0 98 40.5
10,400.0 94 65.4
10,420.0 91 65.5
10,440.0 43 83.9
76
Figura 38. Orden jerárquico de los fluidos (el fluido más pesado y viscoso desplaza al menos pesado y viscoso
Halliburton – Production Enhancem
4.3.4.4. SURGE Y SWAB
La figura 39 muestra las presiones de Swab y Surge, la presión de swab
(verde) es el decremento de presión debido al movimiento de la tubería
hacia arriba en cambio Surge (rojo) es la presión adicional que se obtiene
mientras se mueve la tubería hacia abajo ya que se hace un efecto pistón.
Figura 39. Surge y Swab (efecto sobre la zona reservorio al hacer Surg y Swab de la tubería)
Halliburton – Production Enhancem
77
A continuación se muestra un cuadro con los datos necesarios para realizar
los diversos cálculos en el programa:
Tabla 5. Datos necesarios para realizar las diferentes simulaciones en el Software Integrado.
Data Input 2D
Hydraulics
3D
Displacement
Stress
Analysis
Torque &
Drag
Surge &
Swab Standoff
Well Explorer / Datum Screen
Map to EDM x x x x X x
Enter valid Datum information x x x x X x
Select onshore or offshore x x x x X x
Enter well total depth x x x x X x
Pore Pressure Profile (@ at least 1
depth) x
x
X
Fracture Gradient Profile ( @ at least
1 depth) x
x
X
Stress Analysis Definitions
x
Temperature Profiles Screen
Geothermal Gradient
x
Dynamic Pre-Job Profile
Non-Dynamic Circulating Profile x x
x X
Administrative Information
2D Temperature Profile x
2D Volume Increment x
2D Reservoir Zone MD x
2D Fracture Zone MD x
Injected Fluid Temperature
3D Temperature Profile
x
3D Time Step
x
Run Calculation Pipe and/or Annulus
x
Grid Spaces
x
Use Compatibility Test Data
Wellbore Geometry Screen
Wellbore Geometry (valid) x x x x X x
Valid Pure Fluid Properties x x
X
Coupling Information
Contact Friction Factor
x
Average Joint Length
Returns at Sea Floor and Sea Water
Density
Pump Schedule Screen
Pump Schedule (valid) x x
Top of Centralized Interval
x
x
Fluid Profile
x
x
78
Data Input 2D
Hydraulics
3D
Displacement
Stress
Analysis
Torque &
Drag
Surge &
Swab Standoff
Spacing Limits
x
x
Interval (i.e. at least one centralizer
in row) x
x
Enter standoff method x x x
Torque & Drag Screen
Drilling Fluid Density
x
Traveling assembly weight
x
Use Standoff Devices (option on)
Surge & Swab Screen
Open Pipe Option (On)
Pipe Speed
X
Pipe Acceleration
X
Drilling Fluid Density
x
Spacer Density and Top
x
Lead Cement Density and Top
x
Operation Type (at least one)
x
4.3.4.5. LIBRERÍAS
El Software integrado cuenta con librerías de fluidos, formaciones y
centralizadores. Estas librerías tienen información cargada por defecto, pero
también se pueden crear nuevos ítems. La tarea de estas librerías es dar la
posibilidad de colocar datos mucho más reales a fin de tener simulaciones
más exactas.
La figura 40 describe el menú superior del software en el mismo constan
todas las librerías que se pueden usar para crear nuevos fluidos, para
ingresar pruebas de compatibilidades, para ingresar las propiedades de la
formación esto para hacer simulaciones de propiedades mecánicas y
finalmente la librería de los centralizadores.
Figura 40. Menú de librerías del Software integrado
Halliburton – Production Enhancem
79
4.4. COMPARACIÓN DE RESULTADOS
EL Software Integrado recoge los resultados de las siguientes aplicaciones
que se usan para realizar un programa de cementación:
Software de estándar de cementación, Modelador de hidráulicas,
topes y bases, cálculos volumétricos, centralización.
Modelador en 3 dimensiones tomando en cuenta la mezclabilidad de
los fluidos.
Modelador de esfuerzos que soportaría un cemento con el paso del
tiempo.
Modelador dinámico de temperatura.
El Software Integrado presenta una interface gráfica más fácil de entender
juntando todos los modeladores antes mencionados en uno solo. Al ser una
plataforma amigable las conclusiones a las que se puede llegar son más
precisas y utilizando menor tiempo.
En el ejemplo mostrado a continuación en la figura 41 vemos la comparación
de la presentación del gráfico de un pozo en su sección de liner. Se observa
en el gráfico de la izquierda al software integrado y a la derecha un software
convencional. En el gráfico del software integrado la inclusión de la
inclinación del pozo y su mejor presentación esquemática permite entender
mejor como quedarán los fluidos una vez que se concluya la cementación.
En esta figura 41 se describen las posiciones finales de fluidos en 2D la cual
muestra la configuración del pozo, esta figura también hace una
comparación con el antiguo software Opticem en el cual no se podía graficar
la posición final de fluidos y la desviación del pozo al mismo tiempo.
80
Figura 41. Posición final de fluidos (Software integrado vs Software convencional)
Halliburton – Production Enhancem
4.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Los resultados obtenidos del Software Integrado en la simulación de un
diseño de cementación son muy diversos por múltiples razones entre las
cuales tenemos:
4.5.1 TEMPERATURA.
Con el uso de la temperatura geotermal de la roca y los modelos de cálculo
dinámico se pueden visualizar temperaturas circulantes y estáticas más
reales, dependiendo de las condiciones de circulación, viajes o condiciones
estáticos del pozo. La temperatura es un factor crítico al momento de evaluar
la calidad del cemento, con este módulo se puede predecir con más
OptiCemFluid Positions at Job End
Time = 51.47 min, Volume In = 329.74 bbl
15 10 5 0 5 10 15 20 25
Diameter (in)
8 10 12 14 16
Density (lb/gal)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Mea
sure
d D
epth
(ft
)
Fluids PumpedLodo
Mud Flush III
MCA
Mud Flush III
Tuned Sapcer
Mud Flush III
Lechada removedora
VersaCem
ElastiCem
Agua
Lodo
Down Hole Depth
7907.2 (7438.0) 8111.6 (7642.4) 8316.0 (7846.8) 8520.4 (8051.2)
9133.6 (8664.5) 9338.1 (8868.9)
9746.9 (9277.7) 10000.0 (9530.8)
MD (TVD) Casing
Annulus
Customer: Job Date: 07-Jul-2010 Sales Order #:
Well Description: AUCA 82D UWI:OptiCem v6.4.707-Jul-10 09:59
81
exactitud la temperatura en el fondo con la cual se trabaja en las pruebas de
laboratorio.
La figura 42 muestra una simulación de temperaturas dinámicas, siendo la
línea amarilla la temperatura si disturbo o en nuestro caso la BHST, después
tenemos tres temperaturas adicionales que son calculadas en base a
ecuaciones de intercambio de calor, la line roja es la temperatura del casing,
la línea verde es la temperatura en el anular y la línea azul es la temperatura
en las cercanías de la formación. Para cuestiones de pruebas de laboratorio
especialmente el tiempo de bombeo usamos como BHCT la temperatura del
anular ya que es la más indicada en vista que los fluidos van a seguir esa
trayectoria.
Figura 42. Comportamiento de temperatura.
Halliburton – Production Enhancem
4.6 DESPLAZAMIENTO EN 3D
El desplazamiento en 3D con la adición de datos como compatibilidades que
según principios de difusión se visualiza cuan contaminado puede quedar el
cemento al mezclarse con el espaciador. Además con el módulo de
82
desplazamiento 3D se identifica zonas potenciales de canalización de
cemento, con esto se identifica con mayor exactitud el tope real el cemento
después de la cementación.
4.7 ANÁLISIS DE ESFUERZOS
Con los resultados obtenidos de este módulo se analizan los resultados de
resistencia del cemento después de ser sometido a diversas cargas durante
su vida productiva. Por ejemplo se puede determinar si el cemento resiste un
trabajo de fracturamiento hidráulico con presiones extremadamente
elevadas. También se podría determinar si el cemento es apto para
condiciones geotermales.
Un factor importante además es poder visualizar si el cemento sufre algún
tipo de despegue o crack en la etapa de completación, si se dispara con
cargas especiales o en la etapa de producción al genera un draw down alto.
4.8 HIDRÁULICAS
Con los resultados de hidráulicas, centralización, surge y swab y torque y
arrastre en el Software Integrado se obtiene una mejor interpretación de los
resultados para efectuar un trabajo de cementación óptimo, aplicando todos
los principios básicos de cementación.
Por ejemplo se puede diseñar una cementación con rotación y reciprocación
de la tubería de revestimiento mientras se baja o se cementa, esto pudiera
causar torques altos mientras se rota o surgencia mientras se reciproca,
pero si tenemos las simulaciones adecuadas podemos estar prevenidos y
aplicar un límite antes que ocurra el problema.
83
4.9 APLICACIONES DISPLACE 3D
Para verificar las aplicaciones del Displace 3D se va a hacer una
comparación del Displace 3D con un diseño realizado de la forma
convencional.
4.9.1 DISEÑO CONVENCIONAL:
Se realizan los cálculos de volúmenes en base a hojas de cálculo o en base
a software convencional.
Ventajas:
Se obtiene todos los cálculos volumétricos de acuerdo al registro
caliper.
Se obtiene el cálculo de presiones en la circulación antes de
cementar y durante la cementación, también se obtiene la presión
final del trabajo.
Se obtiene los topes teóricos de cemento.
Diseño en 2D
Desventajas:
No se puede simular la erodabilidad del lodo
No se puede visualizar e identificar el tope real de cemento
No considera mezclabilidad de fluidos
No considera compatibilidad entre fluidos
No considera eficiencia de desplazamiento
No usa la excentricidad del la tubería en el cálculo hidráulico
84
En la gráfica 43 se observa el posicionamiento de fluidos en 2D, esta
simulación se la hacía en el pasado sólo con el fin de visualizar los topes
teóricos de cemento sin tomar en cuenta factores de gravedad y miscibilidad
de fluidos.
Figura 43. Visualización en 2D de posicionamiento de fluidos.
Halliburton – Production Enhancem
4.9.2 DISEÑO USANDO DISPLACE 3D:
Se realizan los cálculos volumétricos en base al software Displace 3D ya sea
por tope deseado o por longitud de lechada requerida.
Ventajas al diseñar usando Displace 3D
85
Se obtienen todos los cálculos volumétricos de acuerdo al registro
caliper
Se obtiene el cálculo de presiones en la circulación antes de
cementar y durante la cementación, también se obtiene la presión
final del trabajo.
Se obtiene los topes teóricos de cemento.
Diseño en 2D
Diseño en 3D
Visualización del Tope Real de las lechadas de cemento
Verificación de la eficiencia de desplazamiento en cualquier punto
Capacidad de realizar simulaciones con rotación y reciprocación de
la tubería
Capacidad de realizar simulaciones con compatibilidades de los
fluidos (coeficiente de difusión entre ellos)
Capacidad de visualizar la canalización efectiva del cemento de
acuerdo a la excentricidad de la tubería en el hoyo
De los puntos mencionados arriba vamos a desarrollar los que le hacen la
diferencia con los métodos convencionales:
4.9.2.1 DISEÑO EN 3D
La grafica muestra en 3 Dimensiones como los fluidos se acomodaban en el
anular, las ventajas de esta gráfica es que se la puede mirar en el tiempo,
es decir podemos ver cómo se van desplazando los fluidos dentro del casing
y cuando salen hacia el anular. Al final de;l trabajo se observa cómo quedan
los fluidos, unos más contaminados que otros.
En la figura 44 se observa el posicionamiento de fluidos en 3D, esta
simulación toma en cuenta factores de miscibilidad de fluidos, movimiento de
tubería, centralización de la tubería y uso de tapones de desplazamiento.
86
Aquí se puede mirar la uniformidad del tope de cemento, mientras mejor
centralizada este la tubería mejor distribución de cemento se tendrá en los
360 grados. En este caso tenemos una buena cobertura de lechada LifeCem
aunque tiene una cara baja que el tope de cemento es inferior a lo
planificado.
Figura 44. Visualización en 3D de posicionamiento final de fluidos.
Halliburton – Production Enhancem
4.9.2.2 VISUALIZACIÓN DEL TOPE REAL DE LAS LECHADAS DE
CEMENTO
Esta es una de las ventajas más importantes del Displace 3D, ya que se
observa claramente cómo queda distribuido el Tope Real de la lechada tail
(rojo), en el ejemplo si se observamos el cursor (+) @727 m se ve que por la
parte alta del pozo hay cemento tail pero en la parte baja hay espaciador
(plomo) que no pudo ser desplazado por el cemento.
87
En la figura 45 se observa una canalización severa, en el corte transversal
inferior se puede visualizar la parte inferior del pozo de color plomo el mismo
que representa al espaciador que no pudo ser removido y sólo en la cara
superior hay cobertura de cemento, esto también corrobora la figura en 3D
que muestra el perfil del pozo y la forma como se canalizó el cemento por el
alto ángulo del pozo.
La gráfica de la izquierda representa la profundidad del pozo en el cual hay
un cursor el mismo que se le puede ubicar a la profundidad que se desee ver
la eficiencia de desplazamiento.
Figura 45. Visualización de canalización de cemento.
Halliburton – Production Enhancem
88
4.9.2.3 VERIFICACIÓN DE LA EFICIENCIA DE DESPLAZAMIENTO EN
CUALQUIER PUNTO
El concepto de Eficiencia de desplazamiento es cuanto cemento se
encuentra posicionado en el anular o cuanto lodo/espaciador han sido
desplazados en una profundidad determinada. Por ejemplo interpretando la
gráfica del ejemplo anterior como se puede ver en la figura 46 se tiene un
79% de eficiencia de desplazamiento a la profundidad de 727 m. Esto se
explica de la siguiente manera:
A 727 m se tiene 79% de cemento tail (rojo), 7% de cemento lead (amarillo),
12% de espaciador (café) y 2% de lodo (celeste).
Figura 46. Comportamiento de eficiencia de desplazamiento y posicionamiento final de fluidos.
Halliburton – Production Enhancem
89
4.9.2.4 CAPACIDAD DE REALIZAR SIMULACIONES CON
COMPATIBILIDADES DE LOS FLUIDOS (COEFICIENTE DE
DIFUSIÓN ENTRE ELLOS)
El Displace 3D permite ingresar compatibilidades de los fluidos el cual
mediante un coeficiente de discusión mide la mezclabilidad entre ellos y esto
se lo visualiza en el displace 3D.
4.9.2.5 Capacidad de realizar simulaciones con rotación y
reciprocacion de la tubería
En la figura 47 se observa como ingresan los parámetros para rotar y
reciprocar la tubería durante la cementación, por ejemplo a los 50 min se
empieza a rotar la tubería con 1 rpm, mientras que a los 60 min empiezan a
reciprocar la tubería 10 ft. Esto se controla por tiempos y los efectos son
vistos en la grafica 3D. En el menú inferior se puede ver las etapas de todos
los fluidos respecto al tiempo así se puede establecer durante que etapa
queremos mover la tubería.
Figura 47. Simulación de reciprocación y rotación.
Halliburton – Production Enhancem
90
Una de las buenas prácticas de cementación más influyentes en los
resultados es el movimiento de la tubería, así el Displace 3D permite incluir
parámetros de rotación y reciprocación con lo cual se compara cuanto
mejoran los resultados al final de la cementación.
En la figura 48 hay una comparación con y sin movimiento de la tubería, se
ve como mejora la cobertura de cemento en el segundo gráfico así mismo
como disminuye la canalización de fluidos.
Sin rotación /reciprocación: Con rotación /reciprocación:
Figura 48. Comparativo de resultados con y sin rotación y reciprocación.
Halliburton – Production Enhancem
4.9.2.6 CAPACIDAD DE VISUALIZAR LA CANALIZACIÓN EFECTIVA
DEL CEMENTO DE ACUERDO A LA EXCENTRICIDAD DE LA
TUBERÍA EN EL HOYO
Del mismo ejemplo anterior con un 100% de stand off se tienen los topes de
cemento más parecidos a los teóricos en vista que no hay definida una
diferencia entre la cara alta y baja del pozo.
91
En la figura 49 se ha realizado la misma simulación pero con una mejor
centralización mejorando el stand off al 100%, entonces se puede ver que
hay una cobertura mucho más uniforme de todos los fluidos en el anular,
este sería el caso ideal al cual queremos llegar.
Figura 49. Simulación final con 100% stand off
Halliburton – Production Enhancem
En la figura 50 se tiene un 100% de eficiencia de desplazamiento en el punto
planificado
Figura 50. Simulación con 100% de eficiencia de desplazamiento.
Halliburton – Production Enhancem
92
4.9.3 BENEFICIOS DEL USO DE DISPLACE 3D
Después de aplicar todas las buenas prácticas, en el displace 3D se puede
generar los resultados con una eficiencia de desplazamiento del 100% o
dicho en otras palabras que se tendría que hacer para tener el tope de
cemento en el lugar planeado.
Estas son las ventajas de diseñar una cementación con displace 3D ya que
con el método convencional sólo se calcularían los volúmenes y la
hidráulica.
93
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
94
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Existen buenas prácticas para una cementación en la industria
petrolera y la aplicación de ellas es un punto decisivo para obtener
buenos resultados. El software convencional simula hidráulicas
básicas, cálculos volumétricos, y simulaciones de stand off, pero con
estas simulaciones no es suficiente si se quiere comprobar la
aplicación correcta de todas las buenas prácticas de cementación
(ayudas mecánicas, movimiento de la tubería, acondicionamiento del
lodo, diseño de la lechada, caudal de bombeo, compatibilidad,
jerarquía reología, etc).
El Software integrado nos brinda la capacidad de realizar
simulaciones con una visión más allá, verificando topes reales de
cemento, con la eficiencia de desplazamiento en un punto
determinado, visualización en 3D, modelamientos con temperaturas
dinámicas, y propiedades mecánicas del cemento, todas estas
mediciones son muy importantes para mejorar y optimizar los
resultados finales de un cemento.
95
5.2. RECOMENDACIONES
Para cada fase de Cementación debe hacerse el análisis con
Displace 3 D para conocer el posicionamiento final de los fluidos.
El control de calidad de los productos es un paso que no debe
evitarse.
Realizar pruebas de laboratorio con suficiente antelación y
preferiblemente con los materiales y fluidos a ser utilizados en la
cementación.
Una buena limpieza del pozo antes de cementar ayuda a obtener
mejores resultados finales.
La centralización de la tubería es estrictamente necesaria para poder
obtener buenos resultados de cementación.
Reciprocar la tubería, es una práctica poco utilizada pero necesaria.
Acondicionar el lodo ayuda al momento de cementar, los fluidos
bombeados se posicionen de una mejor manera.
Es preferible realizar el registro eléctrico de la calidad de cemento
luego que el mismo haya alcanzado al menos 1500 psi de resistencia
a la compresión.
96
BIBLIOGRAFÍA
Cementing 1 Student Workbook Developed by Halliburton Energy
Institute for the HES, USA, 2003.
Cementing Product Service Line revisado Junio 2003; Seccion 3
Cementos API y aditivos.
Halliburton Cementing Tables Version 2007 ; Technical Data p 230 a
240.
Cementing Technology Manual Prepared for Cementing Technology
by COREStaff communication Services.
Casing Sales Manual Halliburton.
Fundamentos de reología. Orlando Rojas, Maria Isabel Briceño y
Jorge Avendaño.
Introducción a la Cementación. Halliburton 2007.
Primary Cementing Best Practices. Revised 6/14/00 RRF, JFH.
I Cem Training Manual.
97
NOMENCLATURA O GLOSARIO
API American Petroleum Institute.
Barita Es un mineral de la clase de los sulfatos y del tipo AXO4.
Químicamente es el sulfato de bario (BaSO4). Es la principal
mena del bario, debido a su densidad, se usa en los lodos de
perforación de pozos.
Caliper Es una herramienta que mide el diámetro del pozo, el cual
puede ser de mucha utilidad a la hora de diferenciar litologías
resistentes de las poco resistentes.
Cañoneo Consiste en bajar un cañón a través del pozo, ponerlo en
profundidad y disparar sus cargas explosivas frente a la capa
potencialmente productiva de esta forma se comunican los
fluidos, contenidos en la capa, con el pozo.
Casing También llamado revestidor, es el tubo utilizado desde la
superficie hasta el pozo usado como protector de las paredes
de este.
Cemento
hidráulico:
Es un material pulverizado, constituido básicamente por
compuesto calcáreos sílico aluminosos que, por interacción
química con agua fragua y endurece, tanto en el aire como
sumergido en agua, siendo los productos resultantes de la
hidratación estables en ambos medios.
Clinker: También conocida como caliza, es la principal materia prima
de la que se obtiene el cemento.
Completación: Son el conjunto de trabajos que se realizan en un pozo
después de la perforación o durante la reparación, para
dejarlos en condiciones de producir eficientemente los fluidos
de la formación o destinarlos a otros usos.
Diámetro nominal Representa el tamaño estándar para tuberías de presión.
Draw down Caída de presión, generalmente asociada a un daño en la
formación.
Durge & swab Término utilizado para definir los efectos de presión por
movimiento de tubería en el pozo.
ECD Densidad Equivalente de Circulación (Equivalent Circulating
Density)
98
Emulsión inversa Son esencialmente formulaciones con base de aceite mineral
con salmuera de cloruro de calcio emulsionada en proporción
desde 5 a 50% de la fase líquida. El contenido aromático de la
base aceite es menor al 10%.
Erodabilidad Es un índice que indica la vulnerabilidad o susceptibilidad a la
erosión y que depende de las propiedades intrínsecas de cada
material.
Espacio anular Es el espacio entre dos círculos. En el caso de un pozo, es el
espacio entre dos tuberías o entre una tubería y la pared del
hueco.
Fuerzas
electroquímicas
Las reacciones químicas que se dan en la interfase de un
conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal
o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito)
pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un
sólido.
FYSA Equipo usado para medir el límite elástico de diferentes tipos
de fluidos, tales como fluidos con partículas suspendidas,
fluidos espumados y fluidos emulsionados. (Fann Yield Stress
Adapteer)
Gas flow potencial Potencial de flujo de gas.
Gravedad
específica
También llamada densidad relativa está definida como el
cociente entre la densidad que primordialmente es de una
sustancia y la de otra sustancia tomada como referencia.
Lag test Prueba con lodo para determinar el agujero. Prueba
volumétrica con trazadores para definir volumen.
Lazo de histéresis Es la tendencia de un material a conservar una de sus
propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado.
Lechadas de
cemento
Mezcla de cemento y agua. También llamada pasta de
cemento.
Liner Es una sección del casing o revestidor que está suspendida
del casing superficial o del casing intermedio.
LSRV Viscosidad a muy baja velocidad de corte.
Mud cake También llamado enjarre, es la capa de material sólido que
genera el lodo de perforación en las paredes de la formación.
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Punto de
cedencia de la
lechada
Es el punto en donde la deformación del material se produce
sin incremento sensible en el esfuerzo.
Quicksand and
starch solutions
Resistencia a la
compresión
Esfuerzo máximo que presenta un material a la compresión sin
romperse.
Riser Conector de dos tramos adyacentes de tubería ascendente.
Stand off Excentricidad de la tubería de revestimiento (casing) con
relación al hueco abierto.
Workovers Consiste en un equipo de componentes similares al de
perforación pero normalmente de menor potencia y capacidad
ya que trabaja, en principio, dentro del pozo ya entubado, y por
consiguiente, con menores diámetros y volúmenes que los
utilizados durante la perforación, y por consiguiente, menor
riesgo.
Zapata Es el primer tubo que va en el hoyo, se le enrosca y se le fija
por soldadura en el extremo inferior de la tubería. Sirve para
guiar la tubería en su descenso hasta la profundidad donde se
va a cementar. En su parte interna lleva un mecanismo de
obturación que actúa como una válvula de un solo paso, la
cual no permite que el fluido de perforación entre en la sarta,
pero sí que el fluido que se ponga en la sarta pueda
bombearse hacia el espacio anular.