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Hidrulica de la perforacin
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Hidrulica de la perforacin
Contenido1. Circulacin del fluido de perforacin.2. Sistema de perdidas de presin.3. Fluidos de perforacin.
4. Patrones de flujo.5. Modelos Reologicos Conceptos generales6. Modelos Reologicos para clculos hidrulicos7. Diseo de sistema hidrulico.
8. Consideraciones para trepanos triconicos y PDC9. Ejemplo practico
Resolucin analtica. Resolucin mediante software.
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1. Circulacin del fluido de perforacin
La circulacin del fluido deperforacin comprende todo uncircuito de inyeccin ytratamiento:
El sistema de inyeccinconformado por la(s) bombas,estas son de tipo reciprocante ydesplazamiento positivo que a suvez estn conformado por una
parte mecnica y otra hidrulica.
PUMPSTRO.mpg
http://pumpstro.mpg/http://pumpstro.mpg/8/3/2019 Hidrulica de la perforacin 2008
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1.2 Circulacin de tratamiento
MUDTREAT.mpg El sistema de tratamiento estaconformado por equipos deseparacin de slidos entreestos: Zaranda Cajn de decantamiento Desander Desilter Centrifuga
Cajones preparadores /pildoreros. Cajn chupador
http://mudtreat.mpg/http://mudtreat.mpg/8/3/2019 Hidrulica de la perforacin 2008
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1.3 Esquema del circuito de tratamiento
Lodo74m
11
40m
25m10m
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1.4 Funciones del fluido de perforacin
El fluido de perforacin es acondicionadopara que este pueda cumplir con lassiguientes funciones durante sucirculacin:
Controlar las presiones de formacin.
Brindar empuje adecuado. Servir medio de Transporte Informacin. Fuente de energia para herramientas
como DHM, DHT, MWD, LWD, etc. Refrigeracion del trepano.
Remocin de los cortes. Limpieza de fondo de pozo. Agente de impacto y abrasin hacia la
formacin.
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2. Sistema de perdidas de presin
Friccin en el sistema Geometra del Hoyo y la Tubera
ID y OD rea de Flujo Longitud Restricciones internas
Tasa de Flujo Propiedades del Lodo
Tipo de Fluido Densidad Reologa
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2.1 Sistema superficial y subsuperficial
Equipo de Superficie Tubera de Superficie Goosneck Swivel Kelly / Top Drive
Sarta de Perforacin Drill Pipe
HWDP Drill collars MWD/Motor/Turbina
Boquillas del trepano
Espacio anular
Sistema de circulacin:
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2.2 Sistema de perdidas de presin superficiales
Aspectos generales del Sistemasuperficial:
Tubera superficial (salida de bomba
y stand pipe). Goosneck. Swivel (unin rotativa y restricciones
de paso). Kelly / Top Drive.
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2.3 Sistema de perdidas de presin subsuperficiales
Aspectos generales en la sarta de
Perforacin:
Drill Pipe (dependiendo del tipo ydimetros usados).
HWDP (dem).
Drill collars (y tipo de empaque).
Herramientas especiales(MWD/DHM/DHT/LWD)
Area de Flujo
Dimetro Interno (I.D.)
Longitud de la Seccin
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2.4 Consideraciones en el trepano
Consideracionesgenerales en lasboquillas del trepano Estudio geolgico.
Tipo de trepano. Numero de boquillas. Estudio de
posicionamiento.
Tasa de Flujo Densidad del Lodo Boquillas (jets)
Prdida de Presinen el trepano
Potencia/pulg2
Fuerza de Impacto
Velocidad en los Jets
BITJETS.mpg
http://bitjets.mpg/http://bitjets.mpg/8/3/2019 Hidrulica de la perforacin 2008
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2.5 Circulacin en el espacio anular
Aspectos generales de lacirculacin en el espacio anular:
Tipo de formacin.
Pruebas al fluido deperforacin (filtrado, %slidos, retorta).
Consideraciones de tipo derecortes (tamao, forma,abrasividad).
Tasa de Flujo Densidad del Lodo Concentracin de Cortes Revestimiento ID Sarta de Perforacin OD Tamao del Hoyo Condicin del Hoyo Longitud de la Seccin Patrn de Flujo del Fluido
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3. Fluidos de perforacin
Fluido comprendidos dentro de ladinmica de los cuerposflexibles, y estudiados dentrode la mecnica de fluidos esdefinido de la siguiente formaen el libro Hydraulic analysis
for rotary drilling de la Reed
Drill Co.:
Fluido es una sustancia incapazde resistir fuerzas o esfuerzosde corte sin desplazarse
un fluido de perforacin escualquier fluido el cual escirculado a travs del pozo conobjetivos especificos
Los fluidos de perforacinusualmente incluyen una faselquida como la fase contnua
Aceite, Agua, Polmeros
Sintticos, Aceites Minerales
Tambin Incluyen: Aire,Mezclas o Espumas
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3.1 Propiedades del fluido de perforacin
Propiedades del fluido deperforacin relacionados con lahidrulica:
Densidad Esfuerzo de Corte Velocidad de Corte Viscosidad Plstica Yield Point Gel strength Filtrado Ph Temperatura
blow-out.mpg blow out venezuela.mpg
http://blow-out.mpg/http://blow%20out%20venezuela.mpg/http://blow%20out%20venezuela.mpg/http://blow-out.mpg/http://blow-out.mpg/http://blow-out.mpg/8/3/2019 Hidrulica de la perforacin 2008
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3.2 Densidad
Unidad de masa por unidad de volumen
Unidades Estndar Libras por galn (LPG )
Otras Unidades Gramos por centmetro cbico (g/cc) Gravedad especfica (S.G.)
Densidad del agua fresca = 8.34 ppg (1.0 S.G.)
Base Aceite (Diesel) = 7.0 ppg (0.84 S.G.)Los lodos varan desde 8.4 hasta 19.0+ ppg
MUDBALNC.mpg
http://mudbalnc.mpg/http://mudbalnc.mpg/8/3/2019 Hidrulica de la perforacin 2008
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3.3 Shear stress
.es la relacin de la fuerza aplicada (F) sobre un rea de seccintransversal (A)
F F FF
A
- Unidades ComunesLbs/100 ft2
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3.4 Shear rate
es la relacin que representa la diferencia en velocidad (entre las capas de
lodo ) y la distancia entre las mismas
Flujo
v1
v2
Capa
A
Capa
B
Sarta
de
Perforacin
Formacin
Flujo LaminarAnular
- Unidades ComunesLbs/100 ft2
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3.5 Viscosidad plstica
(PV)
Resistencia a fluir debido a la friccin mecnicadependiente de los slidos en suspensin que posea el
fluidoPV = Esfuerzo de Corte (Shear Stress)
Velocidad de Corte (Shear Rate)
Unidades Comunes
Centipoise (cps) Pascales (Pa sec.)
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3.6 Yield point
Resistencia a fluir debido a fuerzas de atraccinelectroqumicas entre los slidos
El movimiento del fluido no ocurre hasta que el
esfuerzo de cedencia noes vencido.
La magnitud de la fuerza es funcin de: Tipo de slidos y sus cargas asociadas
Cantidad de slidos Unidades Comunes
Lbs/100 ft2
Pascals - Pa
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3.7 Gel Strength
..asociacin en redes moleculares tridimensionales que retienenentre sus mallas a la fase liquida..
Unidades Comunes Lbs/100ft2 g/m2
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3.8 YP y PV, rangos recomendados
Grafica de ajuste de rango de PV y YP
ViscosidadPlstica,
YieldP
oint
05
101520253035404550
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Densidad del Lodo, lbs/gal
PV & YP vs. MW
PV Rango Recomendado
YP Rango Recomendado
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4. Patrones de flujo
Tipos de Flujo (Aumentando la Tasa de Flujo)
No flujo Flujo tapn Flujo laminar
Flujo de transicin Flujo turbulento
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4.1 Etapa 1
No Flujo
Anular
Sart
a
de
Perforaci
n
Formacin
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4.2 Etapa 2
Bajas velocidades delFlujo
Perfil del Flujo muyplano
Flujo Tapn
Anular
Sarta
de
Perforacin
Formacin
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4.3 Etapa 3
Transicin (Tapn a Laminar)
Anular
Sarta
de
Perforacin
Incremento en lavelocidad del flujo
Velocidad del flujocercana a cero en elcontacto con la
pared del hoyo
Formacin
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4.4 Etapa 4
Flujo LaminarAnular
Sarta
de
Perforacin
Formacin
Perfil del Flujo enforma de bala
(mayores velocidadesen el centro de lacorriente)
Velocidad del flujocercana a cero en elcontacto con la pareddel hoyo
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4.5 Etapa 5
Transicin (Laminar a Turbulento)
Anular
Sarta
de
Perforacin
Formacin
Las velocidades deFlujo en los bordesse aproximan a lasdel centro de lacorriente
El Flujo ejerceenerga en el
contacto con lapared del hoyo
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4.6 Etapa 6
Flujo Turbulento
Sarta
de
Perforacin
AnularAnular
Formacin
El Flujo asume un perfilsemiplano
Desarrollo total decorrientes en forma de
remolino
El Fluido erosiona lapared del hoyo
Excesivas prdidas depresin por friccin
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4.7 Numero de Reynolds
Indica la transicin de Flujo -Laminar a Turbulento y suscorrespondientes estados intermedios.
Dependiente de:
Densidad del Lodo Geometra del Hoyo Tasa de Flujo
Viscosidad del Fluido
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4.8 Calculo del Nmero de Reynolds
Donde:
D = Dimetro Hidrulico - inchV = Velocidad del Flujo - ft/secMW = Densidad del Lodo - LPGu = PV - cp
RN =15.46 D*Vp (MW)
m
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4.9 Parmetros numricos segn Reynolds
< 2100 Laminar2100 - 4100 Transicional> 4100 Turbulento
Normalmente asumimos Flujo turbulento cuando el
Numero de Reynolds > 2100
La velocidad de flujo a la cual el nmero de Reynoldsindica Flujo Turbulento es llamada Velocidad Crtica
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5. Modelos Reolgicos
Describen la relacin entre el esfuerzo de corte(ShearStress)y la velocidad de corte(Shear Rate)
en un fluido de perforacin.
Requiere medidas de esfuerzo de corte (shear stress) ados o ms velocidades de corte (shear rates) paradefinir la curva.Categoras de los Fluidos
Fluidos Newtonianos Fluidos No Newtonianos
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5.1 Fluidos Newtonianos
Donde el esfuerzo de corte (shear stress) es directamenteproporcional a la velocidad de corte (shear rate)
Fluidos Simples Agua, glicerina y aceite liviano
Presentan la misma viscosidad a
cualquiervelocidad de corte (shear rate)
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5.2 Fluidos No Newtonianos
La relacin entre el esfuerzo de corte (shear stress) y velocidadde corte (shear rate) es ms compleja
Caracterstica de la mayora de los fluidos de perforacin ylechadas de cemento
Corte de adelgazamiento (Shear Thinning) - el esfuerzo de corteincrementa en una proporcin ms baja que la velocidad decorte (el incremento no es proporcionalmente lineal)
En el Flujo laminar el fluido es ms delgado a altas velocidadesde corte que a bajas velocidades de corte
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5.3 Grafica de Modelos Reolgicos (SS vs. SR)
Esfuerzo
deCorte(ShearStress)
Velocidad de Corte (Shear Rate)
Newtonianos
No Newtonianos
Velocidad de Corte vs. Esfuerzo de Corte
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5.4 Grafica de Modelos Reolgicos (YP vs. SR)
Velocidad de Corte vs. Viscosidad
Viscosidad
Velocidad de Corte (Shear Rate)
Newtonianos
No Newtonianos
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6. Modelos de optimizacin de hidrulica
Modelo Plstico de BinghamEs una relacin lineal, la curva matemtica develocidad de corte vs. esfuerzo de corte se
ajusta a una lnea recta.
Basada en las lecturas del remetro de lodo a
dos velocidades de corte fijas: 300 rpm 600 rpm
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6.1 Grafica comparativa curva Bingham - Real
ShearStress
(q)
Shear Rate (RPM)
300 RPM 600 RPM
q600
q300
Yield Point de Bingham
y = m(x)+c
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6.2 Observaciones al modelo de Bingham:
- A Velocidades de corte menores de 300 RPM,algunos lodos varan de este modelo.
- El YP de Bingham es ms alto que el YPverdadero.
- El Modelo no representa con exactitud los fluidosde perforacin a bajas velocidades de corte.
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6.3 Ley de Potencia
La ley de Potencia esta definida por la relacin:
Esfuerzo de Corte = K(Velocidad de Corte)n
Donde: K = Constante de proporcionalidadn = Exponente de Flujo
Se ajusta mejor a la curva que BinghamLa curva de la Ley de Potencia siemprecomienza de el origen (YP = 0)menor que el yield point verdadero
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6.4 Grafica comparativa curva LDP - Real
ShearStress
(q)
Shear Rate (RPM)
q = K(RPM)n
Real
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6.5 Ley de potencia Modificada
Herschel-Buckley (Modificaron la Ley dePotencia)
Mejor modelo para un Fluido en movimiento Incluye el valor del gel strength diferente a cero.
* El calculo de los coeficientes de la ley de potencia incluyen el valor del Gelstrength relacionado con los valores de VP y YP
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6.6 Comparacin grafica de los Modelos Hidrulicos
Comparacin grafica de los Modelos Hidrulicos
ShearStress
(q)
Shear Rate (RPM)
Fluido Newtoniano
Ley de Potencia
Bingham
Fluido Tpico de perforacin
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6.7 Modelo Emprico
Artculo de la SPE (#3530) de 1991 A New PracticalApproach to Rotary Drilling Hydraulics de Kenneth F.Scott.
Se registran las Tasas de Flujo y las Presiones debombeo del trepano a varias Tasas de Flujo.
Se grfica en un papel de escala logartmica paradeterminar la funcin de la curva de prdida depresin.
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7. Diseo del sistema hidrulico
Objetivo: Determinar el tamao de las Boquillas y laTasa de Flujo adecuada para obtener el minimo gastode potencia y maxima fuerza de impacto del trepanorelacionado con la limpieza el hoyo, dentro de la
capacidad del equipo de bombeo.1. Max. Presin de Bombeo (Pmax)2. Tasa de Flujo Min. y Max.3. Potencia Hidrulica disponible
4. Densidad del Lodo5. Consideraciones de herramientasespeciales como MWD, etc.6. Tasa de Flujo Fija7. TFA fijo
Limitaciones:
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7.1 Parmetros Hidrulicos del trepano
Tasa de Flujo (Q) = (Pump Stks x Output/stk)
Pbit = (MWt. x Q2)/(10858 x TFA2)Potencia Hidrulica (HHPbit) = (Pbit x Q)/(1714)Hhp/sq.in. (HSI) = (HHPbit)/(.7854 x D2)
Velocidad en las Boquillas (JV) = (0.32086 x Q)/(TFA)
Fuerza de Impacto (IF) = (JV)x(MWt.)x(Q)x(.000516)
MW = Densidad del Lodo TFA= Area de Flujo Total - Boquillas
D= Dimetro del trepano
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7.2 Tasa de flujo
Se recomienda mantener flujo 25 a 80 GPM por pulgada deldimetro del trepano Extremos:
Muy baja = trepano embotado / pobre limpieza del hoyo Muy alta = alto ECD / Hoyo y tubera lavados (washouts)
Rango deROP GPM / pulg. del diam. de la broca 5 to 10 ft/hr - 25 to 39 10 to 15 ft/hr - 35 to 49
15 to 25 ft/hr - 38 to 50 25 to 50 ft/hr - 40 to 60 > 50 ft/hr - 50 to 80
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7.3 Curvas de perforabilidad Hidrulica
Q1 - Muy Blanda
Q2 - Blanda
Q3 - Media
Q4 - Media-Dura
Q5 - Dura
Q6 Muy Dura
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7.4 Perdida de Presin en la Broca
Diseo Hidrulico para 50% a 65% de Perdida dePresin a travs de la Broca
Puede variar de acuerdo a la Tasa de Flujo requerida 35% a 50% de Prdida de Presin en la Sarta de
Perforacin y el Anular Optimizacin por Fuerza de Impacto (~50%) Optimizacin por Potencia Hidrulica (~65%)
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7.5 Optimizacin de la hidrulica del trepano
Se optimiza para obtener una cada de presin en la broca de ~50% de la presin total de bombeo Usualmente se hace en hoyos
Someros / dimetros grandes,
Formaciones muy blandas,
Con altas ROPs
Se recomienda tambin maximizar la fuerza de impacto conaltas Tasas de flujos y tamaos de Boquillas grandes ayuda a
aliviar el embotamiento de la Brocaen Formaciones Reactivas.
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7.6 Arreglo de las Boquillas en las Brocas PDC
Una configuracin adecuada de las Boquillas facilita larpida evacuacin de los cortes.
Previene que los cortes se vayan hacia zonas derecirculacin del lodo.
Maximiza la velocidad del fluido a lo largo de los canalesde evacuacin de cortes.
La correcta orientacin y tamao de las Boquillasmejoran el ROP y la limpieza del hoyo.
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7.7 Reglas en la configuracin de Boquillas en PDC
En lo posible, siempre coloque Boquillas del mismotamao (arreglo simtrico).
Si usa boquillas de diferente dimetro, siempreasegurese de que la mxima diferencia en tamaoscorresponda a la combinacin de tamaos de boquillaspermitidos(ver tabla).
Coloque las Boquillas deMAYORdimetroen elCENTROde la broca.
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7.8 Combinacin de tamaos de Boquillas
Menor tamao deBoquillas en la Broca 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18
Combinaciones de tamaospermitidos 8 9 10, 11 11, 12 12, 13 13, 14 14, 15 15, 16 16, 18 18 20, 22
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7.9 Comparacin de la Velocidad del Fluido
0 60 120 180 240
Velocidad del Fluido (ft/sec)
7 Bit
260 gpm10 ppg lodoBoquillas: 12/32
Boquillas Estandar Boquillas Mini-Extendidas
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7.10 Estudio de Comparacin del Flujo
7 11 Reglas para la configuracin de Boquillas
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7.11 Reglas para la configuracin de Boquillasen las Brocas Tricnicas
20% o menos del Flujo a travs de la boquilla central (En hoyosgrandes, formaciones blandas y altas ROPs, incremente hasta25% con Boquillas Difusoras).
Boquillas de diferentes dimetros crean Flujo Asimtrico(conveniente).
Use diferentes combinaciones de tipos de Boquillas (2 minis +1 estandar) para crear flujo asimtrico con el mismo tamao deBoquillas.
(1) Boquilla tapada o ciega genera Flujo Cruzado. (Tape laBoquilla opuesta al cono con menor nmero de insertos en lahilera del calibre.
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9. Ejemplo practico
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9.1 Resolucin analtica: Resultados
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9.2 Resolucin mediante Software I
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9.3 Resolucin mediante Software White Tower
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9.3 Otros paquetes..
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10. Bibliografa
Drilling Engineering WorkbookBaker Hugues INTEQHouston TX, USA2005
Standard Handbook of Petroleum and Gas EngineeringGulf professional publishingOxford, UK2005
Formulas and Calculations for Drilling, Production and WorkoverGulf professional publishingBurlinghtown MA, USA2002
Introduction to Drilling HydraulicsSmiths bits Co.South Hampshire, UK2001
Manual PEMEX para el Perforador y AyudantePEMEXCiudad de Mexico2000
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Gracias por su atencin