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Hidráulica para Pozos
Direccionales
Superar la presión de la formación
Estabilizar las paredes del agujero
Enfriar y lubricar a la barrena y a la sarta de perforación
Transporte de los cortes de perforación hasta superficie.
Proporcionar la potencia hidráulicas a las herramientas en el
agujero.
Fluidos de Perforación
Funciones básicas
Propiedades del Fluido sistema de circulación Selección del caudal Selección de las toberas de la barrena Limpieza del agujero, transporte de cortes de
perforación RPM del tubo Erosión del agujero ECD
Tópicos
Copyright © Halliburton 2002 No part of this document may be copied, stored or transmitted without prior written permission
Fluidos de perforación Fundamentales
GAS es altamente compresible. Su volumen es dependiente en la presión y la temperatura
ESPUMA es compresible, la mezcla de aire/gas+agua+químicos
LIQUIDO es levemente compresible , las características están cambiando con la presión y la temperatura
Propiedades de un fluido de perforación
Densidad ppg kg/dm3 SGViscosidad Embudo secViscosidad (PV-YP) cP - lb/100 ft2
Fuerza de Gel lb/100 ft2
Contenido de sólidos vol%
Basic data :
Cómo medimos las características reological del Fluido?
Embudo De Marsh Es el tiempo requerido para que 1 U.S. cuarto de galón (o 946 cm3) de fluido drenen a través de un embudo estandarizado.Ejemplo: el agua tiene una viscosidad de embudo de 26 segundos
Viscosímetro Cilíndrico rotatorio
Medida del esfuerzo de torsión (usualmente a 600,300,200,100,6 y 3 rpm) en los cilindros concéntricos sumergidos en el líquido en estudio. Las figuras en el dial son grados de rotación de un cilindro . Un factor de conversión se requiere para convertir las lecturas del dial a las unidades de esfuerzo cortante.
Principio del Viscosímetro Rotatorio
Newtoniano Bingham-plastic Power Law
Yield-Power Law
Modelos Reologicos (3)
Curva De Flujo Newtoniano
1/s
lb/100 ft2
1022511
R600 - R300
511
rpm300 600
Viscosidad Newtoniana= tan α
α
τ
D
Parámetros del Modelo De Bingham
Al usar un viscosímetro de Fann con R1-B1-F1 combinación rotor -mover–espiral :
PV = (600 rpm lectura ) - (300 rpm lectura) [cP]
YP = 2(300 rpm lectura) - (600 rpm lectura) [lb/100 ft2]
Nota: Para el uso del campo, el factor de la conversión es ignorado
Curva de Flujo Bingham-Plastic
YP
1/s
lb/100 ft2
1022511
R600 - R300
511
rpm300 600
α
Viscosidad Plástica = tan ατ
D
Uso de los Modelos de Fluido de perforación
Modelo Power Law para sistemas de fluidos base agua, sintético-aceite o petrolizado.
Modelo Bingham Plástico para sistemas de fluidos Base-Aceite.
Los mas ajustados:
Fuerza de Gel
La Fuerza de Gel describe el comportamiento dependiente del
tiempo del fluido de perforación. Mide las fuerza de atracción dentro del fluido en
condiciones estáticas.
Incrementa gradualmente con el tiempo (Fuerte) o levemente con tiempo (gel débil ).
El Gel Fuerte es el resultado de la alta concentración de arcilla la cual requiere excesiva presión para romper la circulación.
Puede conducir a la circulación perdida (i.e., los geles fuertes son indeseables .)
El movimiento del fluido es simple, sin disturbio.
El movimiento ocurre al lado de una capa delgada del líquido "que se desliza" a lo largo de una superficie del conductor
El movimiento ocurre como capaz delgada de fluido que se deslizan a lo largo de la superficie del conductor.
El flujo tapón generalmente ocurre a caudales muy bajos.
El límite superior generalmente aceptado para el flujo tapón es Nre = 100
Flujo Tapón
Regímenes Flujo
Laminares son las cáscaras cilíndricas concéntricas que deslizan o se extienden más allá uno de otro como secciones de un telescopio.
La velocidad en las paredes del tubo es “0”; la máxima velocidad esta en el centro del tubo.
Flujo Laminar
Regímenes Flujo
El fluido se mueve como un tapón esencialmente, debido al perfil de movimiento caótico, al azar.
Solamente cerca de las paredes del tubo existe un perfil ordenado existen (capas de límite laminar)
El gradiente de la velocidad es muy cercano a las paredes pero esencialmente plano hasta otra parte - formando remolinos
Flujo Turbulento
Regímenes Flujo
Flujo Régimen Comparación
Formation
Formation
DriLL
Pipe
El flujo fluido puede ser laminar, transitorio o turbulento . ¿Cómo determinamos qué régimen es?
Calcule el Nre y comparar con el numero de Reynolds critico (Nrec) Calcule la velocidad critica – basado en el Nrec – y compare con la velocidad del flujo actual
Nota : Nrec = 2100 para el agua y Fluido Bingham plastic
Nrec = 3470 - 1370 para los fluidos seudoplásticos
Determinando el Régimen de Flujo
Circulación del Fluido de perforación
El fluido de perforación es a presión a traves del manifolds-standpipe, kelly hose, swivel, kelly, tubería de perforación, barras y barrena.
Calcule la velocidad promedio a tarves del tubo como sigue
Típicamente, esta es 1000 ft/min (300 m/min). Es laminar o turbulento?
La caída de presión a trabes de la sarta de perforación es aprox. El 35% del total de la presión de bombeo.
v = q/A
Velocidad del Flujo Anular
Para calcular la velocidad promedio anular ...
(Dh2 - Dp2)Vpromedio =
24.51 x Qft/min
Q Caudal, gpmDh diámetro del agujero, inDp diámetro del tubo, in
Velocidad critica del Flujo anular
Para calcular velocidad crítica en el anular :
3.04 {PV + PV2 + 40.05YP (Dh - Dp)2 x MW }Vc =
(Dh - Dp) x MWm/min
PV Viscosidad critica, cPYP punto cedente, lb/100 sq.ftDh,Dp diámetro del agujero, diámetro del tubo, inchMW densidad del lodo, kg/l
Velocidad Critica del Flujo del Tubo
Para calcular velocidad crítica en el tubo:
2.48 {PV + PV2 + 73.57YP Dpi2 x MW }Vc =
Dpi x MWm/min
PV Viscosidad plástica, cPYP punto cedente, lb/100 sq.ftDpi diámetro interno del tubo, inchMW densidad del fluido, kg/l
Regimen de Flujo
Vaverage < Vcritical = Flujo laminar
Para determinar si el flujo es laminar o turbulento ...
Vaverage > Vcritical = Flujo turbulento
Perdida de Presión en el Sistema de Circulación
Flujo Anular laminar
turbulento
Flujo en el tubo laminar
turbulento
Pa
Pp
Densidad Equivalente de Circulación
Para calcular densidad que circula equivalente ...
ECD = MW + Pa
0.052 x Lppg
MW Densidad de lodo, ppg
Pa Perdida de Presión total en el anular, psi
L longitud del anular, ft
Selección de las Toberas de la Barrena
• 300 fps (100 m/s) Velocidad en las Toberas (o menos, en formaciones duras )
• 48-65% de la presión de bomba como caída de presión en la barrena
• HSI = 2.5 - 7 (según la recomendación del suplidos de la barrena )
• Suficiente caída de presión para la operación del motor de fondo.
• Presión adecuada para MWD, u otras herramientas que
requieran potencia hidráulica en el agujero
Para calcular velocidad de la tobera ...
Hidráulica en la Barrena
0.32 x Q
TFA Vj = fps
Q Caudal, gpmTFA Área total de Flujo, in2
Para calcular caída de presión de la barrena ...
Hidráulica De la Barrena
Pb =10,858 x TFA2
Q2 x MWpsi
Q Caudal, gpmMW Densidad del lodo, ppgTFA Área total de flujo, in2
Optimización de la Hidráulica de la barrena
Maximizando ...
la potencia hidráulica en la Barrena (BHHP)
fuerza de impacto en la barrena (IF)
o
Criterios De Optimización De la Hidráulica De la barrena - BHHP
Maximizando la potencia hidráulica en la barrena requiere 65% de la caída de presión disponible para la mecha
La potencia hidraulica en la barrena es:
BHHP =
Pb caída de presión en la barrena, psi
Qj caudal a través de las toberas, gpm
Pb x Qj
1714hp
Eficiencia Del Transporte
TE =
va - vs
va
x 100 %
Nota : el transporte eficiente debe ser mínimo 50% para una buena (aceptable) limpieza del agujero
Caudal de salida de la bomba de lodo
Cual de salida - bomba a duplex :
Qt = 6.8 x 10-3 nL(D2 - d2/2) gpm
Qt caudal teórico, gpmn strokes (carrera) por minutosL longitud de la carrera, in D diámetro de las camisas, ind diámetro de la barra del pistón, in
Caudal de salida de la bomba de lodo
Caudal de salida – bombas triplex:
Qt = 1.36 x 10-2 nLD2 gpm
Qt caudal teórico, gpmn strokes (carrera) por minutosL longitud de la carrera, in D diámetro de la camisa, in
Eficiencia Volumétrica de la Bomba
Eficiencia volumétrica :
v = Qout/Qt
Qout caudal de salida medido, gpm
Qt caudal teórico, gpm
eficiencia volumétrica : bombas de acción simple = 95% - 98% bombas de doble acción = 90%
la eficiencia es afectada por: presión de descarga velocidad de operación de la bomba diseño de la línea de succión. aireación del fluido Desgaste mecánico
Eficiencia de la bomba de lodo
Potencia Hidráulica de la Bomba de Lodo
Ph =
donde
P presión de la bomba, psi
Q salida de la bomba, caudal, gpm
P x Q
1714hp
Fundamentos De Hidráulica de perforación
para Pozos Desviados
Mientras perforamos direccionalmente la hidráulica es mas compleja?
causas …
•En el agujero, son usados motor, turbina y otras herramientas hidráulicas que se requieren para desviar el pozo
•La telemetría de pulso en el lodo utilizada extensamente en MWD y LWD, estas herramientas, necesita consideraciones especiales
• el transporte de los cortes de perforación es problemático y critico en agujeros altamente desviados.
Pregunta
Tópicos
Propiedades del Fluido sistema de circulación Selección del caudal Selección de las toberas de la barrena Limpieza del agujero, transporte de cortes de
perforación RPM del tubo Erosión del agujero ECD
Selección del caudal Calcular la velocidad anular Calcular la pérdida de presión anular Calcular la pérdida de presión en la sarta Calcular la pérdidas de presión en el motor, MWD Calcular la pérdida de la presión disponible para la
barrena Calcular TFA, tamaño de las toberas y la velocidad. Calcular los Spp Chequear HHP, HHP/sq.in Calcular la pérdida de presión del sistema en
superficie Calcular la presión de bomba, spm, tamaño de las
camisas Calcular la velocidad de caída y la relación de
transporte de los cortes perforados
Diseño Hidráulico
Propiedades del lodo
Requisitos :
• sólidos bajos, y bajo contenido de arena (< 2 %vol) • Lodo de agua fresca, o bajo contenido de aromáticos.•Buena reología para bajas perdidas de presión, pero eficiente transporte de los cortes.• •Bajo coeficiente de fricción en ángulos/horizontal altas del agujero.
Requirements :
Requerimiento hidráulicos del Motor y del MWD
Motor de lodo : a) rango del caudal (gpm, liter/min)b) Max. presión diferencial de trabajo (psi, bar)c) rango de presión en la barrena (psi, bar)
MWD : a) rango del caudal (gpm, liter/min)
b) presión en la barrena (psi, bar)---------------------------------------------------------------------------Ejemplo : 6-3/4” SperryDrill 4/5 lobe, 4.8 stage motor
a) 300 - 600 gpm (1135 - 2270 liter/min)b) 590 psi (40.7 bar)c) 200 - 1200 psi (13.8 - 82.7 bar)
Selección del caudal (1)
• Crucial factor para una acertada limpieza del agujero, especialmente en los desviados
• El requerimiento de herramientas extras en el agujero debe ser considerado. Min-Max rango de caudal especificado para el motor de fondo, turbina y herramientas MWD.
• Guía: usar 2 x va en el agujero entre 50-60° que en un pozo vertical.
• Usar 100 fpm (30 m/min) de velocidad anular como punto iniciar y ajustar de ser necesario.
• Calcular el caudal para la velocidad anular seleccionada y chequear con el rango de caudal de operación del motor y el MWD.
•Consideraciones de flujo Laminar - transición - turbulento :
- Perdida de presión- ECD- Erosión del agujero
Selección del caudal (2)
Sistema de Circulación
Requisitos :
• Mínimo 2 - bombas triplex preferiblemente
• mantenimiento y carga adecuada del dampeners
• eficiente succión de los filtros.
• Imanes en los temblorines
• 3 temblorines para un agujero grande de 16” cuando el motor es planeado.
Es una fuente para incrementar el torque y el arrastre en agujeros altamente desviados:
– Contacto del pozo en el HS del agujero – Falta de limpieza limita el movimiento de la sarta de perforación, ya
que se acumulan los sólidos no removidos en las paredes el agujero, provocando:
– Restricción del diámetro del agujero.– Reducción de la tasa de perforación.
Limpieza del Agujero
Agujero vertical – flujo uniforma y distribución
de los cortes
Agujero con alta inclinación – flujo
irregular y acumulación de los cortes en la parte
baja del agujero
La rotación de la sarta es necesaria para agujeros con alta inclinación!
tubo
pipe
Baja velocidad del flujo Capa de cortes
Alta velocidad del flujo
Otras consideraciones
– Cuando la bomba es parada, la cama de cortes que se forma en las paredes del agujero, con un ángulo critico de desviación causara atascamiento de la tubería.
• Se debe tener una bomba adicional (o una unidad de cementación) para ser conectada en caso que la falla continua.
• Reciprocar intermitentemente la sarta de perforación con alta caudal para que el flujo entre en turbulencia.
• Verificar el retorno en superficie.
Limpieza Del Agujero
Barrenas con mas aletas encuentra mas dificulta durante los viajes
Cortes detrás del BHA
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Limpieza Del Agujero
0 a 30 inclinación de los grados :
– Los métodos convencionales limpian el pozo eficientemente
– Suspensión efectiva de los cortes.– No hay tendencia de formarse capas de cortes.– Aplicación de la velocidad de slip. OK.– Adicionar de 20 a 30% como factor de seguridad en el
tiempo de circulación para agujeros desviados de la vertical
30 a 60 grados de inclinación :
– Problemas :• Tendencia a formar camas de cortes• Pega de tubería por empaque (al parar la circulación)
– Estrategias :• Circular el pozo encima del rango critico de inclinación y en
cada conexión.• Minimizar las paradas de la circulación• Frecuentemente realizar viajes cortos con backreaming. • Disponer de alta tasas de bombeo.• Circular frecuentemente píldoras de baja viscosidad,
seguidas de píldoras de alta viscosidad.
Limpieza Del
Agujero
60 a 90 inclinación de los grados :
– Problemas :• Formación de camas de cortes• Insuficiente velocidad del fluido y transporte de los cortes en la cara baja del
agujero• Excesivo torque y arrastre.
– Estrategias :• Circular el pozo encima del rango critico de inclinación y en cada conexión.• Minimizar las paradas de la circulación• Frecuentemente realizar viajes cortos con backreaming. • Disponer de alta tasas de bombeo.• Circular frecuentemente píldoras de baja viscosidad, seguidas de píldoras de
alta viscosidad.• Disponer de un fluido con baja viscosidad con flujo turbulento en el anular del
agujero abierto
Limpieza Del Agujero
Indicadores Del Problema
Desviación de Tendencia de valores calculados del esfuerzo de torsión y de arrastre Volumen de los cortes disminuye, o carencia de cortes Alta presión en el standpipe después de reiniciar la circulación en cada conexiónBajo o alto transporte de los cortes de perforación durante la circulación de las píldoras.Los cortes son redondeados y pequemos
