Guía de Diseño para el Lavado de Pozos CONTENIDO 1. Objetivo 2. Introducción 3. Metodología de diseño a. Sarta de lavado. b. Tipo, posición y cantidad de baches. c. Volumen o longitud lineal de baches. d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento. e. Ingeniería de fluidos. e.1. Velocidades anulares. e.2. Régimen de flujo. e.3. Eficiencia de transporte. e.4. Gasto óptimo de desplazamiento. f. Nivel de turbidez (NTU).
Apéndice 1. Nomenclatura. Apéndice 2. Presión diferencial dinámica. Apéndice 3. Caracterización de los baches viscosos. Apéndice 4. Guía rápida de cálculo . Una de las operaciones importantes durante la etapa de terminación es el lavado de pozo , mediante la cual se evita la depositación de sólidos en el intervalo productor y, por consiguiente, la disminución de la permeabilidad de la misma. Esta guía presenta una metodología práctica para diseñar apropiadamente el lavado de pozos.
Guías de Diseño
1. OBJETIVO Desarrollar una guía práctica para diseñar y estandarizar el lavado de pozos durante la terminación, considerando los conceptos de ingeniería, así como el principio de daño a la formación, con la finalidad de realizar una operación efectiva, rápida y al menor costo posible.
2. INTRODUCCIÓN El proceso de lavado de pozo tiene la finalidad de desplazar el lodo y remover los sólidos adheridos a las paredes de la tubería para eliminar partículas como barita, recortes, cemento y sedimento; esto, con el objeto de tener un fluido libre de contaminantes, y así evitar daño a la formación durante las operaciones de disparos, estimulación, y/o fracturamiento. La operación de lavado de pozo consiste en desplazar el lodo de perforación empleado en la última etapa con un fluido de terminación libre de sólidos. Esto se realiza empleando baches de separadores, lavadores y viscosos, como se ilustra en la
Lodo
Figura 1. En la mayoría de los casos, el fluido de terminación es filtrado para eliminar partículas contaminantes. Si la operación de lavado es ineficiente, los sólidos no removidos pueden taponar los poros y canales de la formación productora durante los disparos, causando una drástica reducción de la permeabilidad y con esto una disminución de la producción. El alcance de esta guía es el diseño de una operación de lavado rápida, efectiva y al menor costo posible; por lo que las recomendaciones del tipo y las propiedades del fluido de terminación quedan fuera del alcance de esta guía. Lo anterior, debido a la gran variedad en tipos y composición química de los fluidos de terminación, así como las características mineralógicas y propiedades de los yacimientos productores en México. Por lo que, para una selección apropiada de fluido de terminación se recomienda realizar pruebas de laboratorio para verificar la interacción y compatibilidad entre roca–fluido y fluido–fluido.
Espaciador
Lavador
Viscoso Fluido de Terminación
Pozo lleno con lodo
Desplazamiento de lodo por fluido de terminación
Figura 1. Ilustración de lavado de pozo.
Pozo lleno con fluido de terminación
Lavado de Pozos
Las operaciones de lavado de pozos que se realizan actualmente en UPMP son muy variadas en forma y metodologías usadas, desde una manera muy simple hasta otras muy complejas y costosas.
Tuberia de perforación
Se utilizan diferentes accesorios en la sarta de lavado (cepillos, escareadores, tubería franca, tubo aguja o niple, etc.), además la cantidad, posición, tipo y volumen de los baches son muy diversos. También se ha observado que las propiedades de los fluidos lavadores y viscosos son variadas, así como el criterio para el nivel de turbidez.
Escareador
Combinación
Tuberia de perforación
3. METODOLOGÍA DE DISEÑO En esta guía se consideran los siguientes parámetros para efectuar el diseño de lavado de pozo: a. Sarta de lavado. b. Tipo, posición y cantidad de baches. c. Volumen o longitud lineal de los baches. d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento. e. Ingeniería de fluidos. • Propiedades de los baches. • Velocidades anulares. • Régimen de flujo. • Eficiencia de transporte. • Gasto óptimo de desplazamiento. f. Nivel de turbidez (NTU)
a. Sarta de lavado Respecto a la sarta de lavado se recomienda utilizar la tubería de perforación, tubo o niple aguja en la parte inferior y escareadores en serie cuando existan dos diámetros de tubería de revestimiento, como se muestra en la Figura 2. La utilización de herramientas, como cepillos, difusores, escareadores rotatorios o algún otro elemento mecánico que pretende mejorar la eficiencia de la limpieza, deberá ser analizada antes de su introducción al pozo, con la finalidad de evaluar el riesgo y el beneficio esperado por el incremento de recursos a emplear. En algunas ocasiones el lavado se realiza con
Escareador Tuborecomendada. o niple aguja Figura 2. Sarta de lavado
molino, barrena o alguna herramienta soltadora. Esto es correcto siempre y cuando sea técnicamente factible y el objetivo del viaje no sea únicamente lavar el pozo, pues se evitaría un viaje adicional para el desplazamiento de lodo. Asimismo, en algunas áreas esta operación se ha hecho con el aparejo de producción, lo cual es conveniente siempre y cuando se considere lo anterior.
b. Tipo, posición y cantidad de baches Analizando operaciones previas de lavado, se ha observado que no se requiere una gran variedad y cantidad de baches para ejecutar una operación rápida y exitosa de lavado, por lo que se sugiere emplear únicamente los siguientes tipos de fluidos: • • • •
Fluido espaciador (agua o diesel) Fluido lavador. Fluido viscoso. Fluido de terminación.
El orden adecuado con que deben introducirse lo muestra la Figura 3.
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cuales son matemáticamente representados por las ecuaciones 1.1 y 1.2, y seleccionar el correspondiente al de menor volumen.
Fluido de perforación
Fluido espaciador (agua o diesel) Fluido lavador
Fluido viscoso Fluido de terminación
Figura 3.Tipo y posición recomendada de baches.
c. Volumen o longitud lineal de baches La función del bache espaciador es separar dos fluidos para evitar su contaminación; por lo tanto, éste debe proveer una distancia suficiente para mantener los fluidos alejados uno del otro. Debido a lo anterior, se recomiendan un volumen de bache espaciador equivalente a 500 m lineales en el espacio anular más amplio. Esto, siempre y cuando no altere el programa de líquidos en el equipo. Para casos específicos, se debe considerar la logística y el costo del diesel.
d. Presión diferencial máxima durante el desplazamiento Se requiere obtener la presión diferencial máxima con el objeto de determinar el equipo de bombeo a utilizar. Si la presión diferencial es mayor a la presión de trabajo de las bombas de lodo, se deberá emplear la unidad de alta presión, de lo contrario se deben emplear las bombas de lodo con el mayor diámetro de camisa posible. Esto, con la finalidad de alcanzar el mayor gasto de bombeo. La ecuación 1.3 considera condiciones estáticas, lo cual es una buena aproximación para definir el equipo por emplear. Si se desea calcular la diferencial máxima de presión en condiciones dinámicas, considerando las pérdidas de presión en el sistema, puede referirse al Apéndice 2.
(1.3) prof vert ∗ ( ρ fp − ρ fs )
Respecto al cálculo del volumen de los baches lavadores y viscosos para la operación de lavado, se recomiendan los siguientes criterios:
Si
∆ p ≥ p tbl
UAP
1. 150 m lineales en el espacio anular más amplio.
Si
∆ p ≤ p tbl
BL
Vol = 0.5067 (d 22 − d 12 )∗150
10
(1.1)
2. 10 minutos de tiempo de contacto en el espacio anular. Vol = q ∗ 37.85
∆ p =
(1.2)
El tiempo de contacto se refiere al tiempo que estarán los baches en contacto con un punto específico en el espacio anular. Se recomienda calcular el volumen de los baches empleando los dos criterios, los
e. Ingeniería de fluidos Como se comentó anteriormente, los fluidos que realizan el lavado de un pozo, es decir el desprendimiento y acarreo de los sólidos, son los baches lavadores y viscosos. Por tanto, se analizaron los modelos reológicos que caracterizan el comportamiento de éstos y se encontró lo siguiente: los baches lavadores se comportan como fluidos
Lavado de Pozos
newtonianos; por otra, parte los baches viscosos se comportan como fluidos nonewtonianos, siguiendo el modelo de ley de potencias. Baches lavadores
determinar el gasto mínimo requerido durante la operación de desplazamiento del fluido lavador. v =
Considerando lo anterior, el esfuerzo de corte en los baches lavadores es directamente proporcional a la velocidad de corte; por tanto, la viscosidad es constante. Es conocido que el desplazamiento más eficiente es cuando el flujo alcanza el régimen turbulento; esto es debido a que la energía del fluido remueve más fácilmente los sólidos adheridos en las paredes del revestimiento. Por lo tanto, un buen criterio es predecir las condiciones en las cuales inicia el fenómeno de turbulencia. Para obtener el tipo de flujo que se presenta en las diferentes secciones del sistema, es necesario conocer el número de Reynolds. Es sabido que para alcanzar un régimen turbulento en este tipo de fluidos, se requiere alcanzar el número de Reynolds mayor a 2100; en otras palabras, éste sería el número de Reynolds crítico.
N Re µ 6 ,318 . 7 ρ (d 2 − d 1 )
2 2 q min = 2 . 448 v (d 2 − d 1 )
(1.4)
(1.5)
Para saber si se está llevando a cabo una operación adecuada de desplazamiento, se calcula la eficiencia de transporte de los sólidos en el sistema, la cual es función de la velocidad de deslizamiento de la partícula y de la velocidad del fluido. Ver Figura 4.
v sl =
2 1152( ρ s − ρ )d p
F T = 1 −
µ
(1.6)
v sl v fl
(1.7)
El fluido lavador representado por el modelo Newtoniano es definido matemáticamente como sigue: τ = Esfuerzo de corte
τ = µ γ
γ = Velocidad de corte µ = Viscosidad
Determinación del gasto adecuado de lavado. ≤ 2100 Flujo Laminar Re N Re ≥ 2100
Flujo Turbulento
Una vez conocido el número de Reynolds que se requiere obtener (2100), la geometría de flujo y las propiedades del fluido lavador, se calcula la velocidad mínima para alcanzar las condiciones de turbulencia. Posteriormente se puede
Figura 4. Comportamiento de líneas de flujo sobre la partícula.
La velocidad de deslizamiento es función de las características de los sólidos a transportar y del fluido lavador. En este proceso se presentan diferentes partículas,
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como barita, sedimentos, contaminantes, etc. La barita es una de las partículas más pesadas en el proceso, por lo cual este análisis dará un buen resultado si se considera la barita como el sólido a evaluar. El rango API de la barita varía de 25 a 75 micrones, por lo que se considerará el máximo tamaño para este cálculo (75 micrones = 0.003 pulgadas).
Determinación del gasto adecuado de lavado Determinar el índice de comportamiento de flujo: (1.8)
θ 600 θ 300
n = 3.322 log
Baches viscosos
A diferencia de los fluidos lavadores, los baches viscosos se comportan como fluidos no-newtonianos, los cuales se ajustan al modelo de la Ley de potencias. El Apéndice 3 presenta la caracterización de estos fluidos. El modelo de la Ley de potencias requiere dos parámetros para su caracterización: el índice de comportamiento y el índice de consistencia. El primero es considerado como una medida del grado de desviación de un fluido con comportamiento newtoniano; con un valor de uno, el fluido se comportará como un fluido Newtoniano. Por otra parte, el segundo parámetro es indicativo del grado de bombealidad o espesamiento del fluido. Estos índices se obtienen empleando las lecturas del viscosímetro rotacional “Fann-35” En el modelo de la Ley de potencias se requiere calcular la viscosidad aparente para obtener el número de Reynolds. Ésta es función de los índices que caracterizan el fluido, así como de la geometría y la velocidad de flujo. Para alcanzar condiciones de turbulencia, el número de Reynolds tiene que ser mayor que el número de Reynolds crítico, este último es función del índice de comportamiento de flujo. El flujo más apropiado de los baches viscosos es el turbulento. Esto se puede visualizar analizando la ecuación de eficiencia de transporte. La condición para alcanzar este escenario es teniendo un número de Reynolds mayor al crítico; por tanto, después de obtener el índice de
Obtener el Índice de consistencia: K =
(1.9)
510θ 300 511n
Calcular el número de Reynolds crítico: (1.11) (1.10) N Re c = 3470 − (1370)n N Re ≤ N Re c
Flujo Laminar
N Re ≥ N Re c
Flujo Turbulento
Obtener la velocidad crítica: N Re c =
6,318.7 ρ v (d 2 − d 1 )
µ a
(1.12) n
µ a =
K (d 2 − d 1 )
(1− n )
144v (1− n )
1 2+ n 0.0208 (1.13) 1
n 1 2 − n 2 + N K Re c n vc = d d 909 , 893 0 . 0208 ( ) ρ 2 − 1
1.14 Determinar el gasto mínimo de bombeo: q min = 2.448v c (d 22 − d 12 )
Lavado de Pozos
comportamiento es posible conocer el número de Reynolds crítico. Una vez que se conoce el número de Reynolds crítico, tenemos dos ecuaciones con dos incógnitas, resolviendo estas simultáneamente se puede calcular la velocidad crítica, la cual sería la mínima requerida para alcanzar el régimen turbulento. El procedimiento para determinar el gasto adecuado de lavado es el siguiente: 1. Determinar el índice de comportamiento de flujo. ( n ) 2. Calcular el índice de consistencia. ( K ) 3. Obtener el número de Reynolds. ( N Re c ) 4. Determinar la velocidad crítica. ( vc ) 5. Estimar el gasto mínimo adecuado de bombeo. ( qmin ) Debido a la alta viscosidad de los baches, es difícil alcanzar condiciones de turbulencia, por lo que se tienen que modificar las viscosidades a niveles donde se presente la mejor eficiencia de transporte.
Determinación de la eficiencia de transporte v sl = 692
d p2
µ a
(1.15)
( ρ s − ρ ) n
1 (1− n ) 2 + (1.16) K (d 2 − d 1 ) n µ a = 144v (1− n ) 0.0208
F T = 1 −
v sl
(1.17)
v fl
Como se comentó anteriormente, la eficiencia de transporte depende de la velocidad de deslizamiento de la partícula. En este caso se aplicarán las ecuaciones para fluidos de la Ley de potencias, representadas por las ecuaciones 1.15 y 1.16. Como se ilustra en el análisis de la Figura 5, que muestra el gasto mínimo para alcanzar las condiciones de turbulencia, los fluidos
Figura 5. Gasto mínimo para alcanzar condiciones d e turbulencia.
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con viscosidades de 50 segundos Marsh, fluyendo en condiciones de turbulencia, alcanzan una capacidad de transporte similar a un fluido de viscosidad de 250 segundos en régimen laminar. Por tanto, en la mayoría de los casos es más conveniente emplear un bache agua polímero (económico) de baja viscosidad en lugar de un bache de composición compleja (costoso) muy viscoso.
f. Nivel de turbidez La turbidez de un fluido es una medida de la luz dispersada por las partículas suspendidas en el fluido, y es medida con un nefelómetro. Un fluido limpio ha sido definido como el que no contiene partículas de diámetro mayor a dos micras y da un valor de turbidez no mayor a 30 NTU. Por lo tanto, se deberá filtrar únicamente hasta que se alcance un valor de 30 NTU. Se recomienda realizar una gráfica de valores de filtrado con respecto al tiempo.
NTU
Tiempo (min)
Figura 6. Tiempo vs NTU.
Siguiendo esta simple guía, se podrá obtener un eficiente lavado de pozo a un bajo costo. El Apéndice 4 muestra una guía rápida de cálculo para el lavado de pozo. Este formato indica de manera sencilla el procedimiento para obtener los parámetros necesarios para una operación adecuada de lavado.
Apéndice 1
Apéndice 1. Nomenclatura d P =
Diámetro de la partícula (pg)
d 1 =
Diámetro externo de la T.P. (pg)
d 2 =
Diámetro interno de la T.R. (pg)
F T =
Factor de transporte (%)
K =
Índice de consistencia (eq cp)
n=
ρ s =
Densidad de la partícula (gr/cc)
∆ p =
Diferencial de presión (kg/cm2)
θ N =
Lectura del viscosímetro Fann a velocidad N
θ 300 =
Lectura del viscosímetro Fann a 300
Índice de comportamiento de flujo
θ 600 =
Lectura del viscosímetro Fann a 600
N =
Velocidad del rotor Fann
µ a =
Viscosidad aparente (cp)
N Re =
Número de Reynolds
µ =
Viscosidad (cp)
N Re c =
Número de Reynolds crítico
ptbl =
Presión de trabajo de la bomba (kg/cm2)
prof vert = Profundidad vertical de la sarta (m) q=
Gasto de bombeo (gal/min)
v=
Velocidad media de flujo (pies/seg)
vc =
Velocidad crítica de flujo (pies/seg)
v fl =
Velocidad de los baches (pies/seg)
Vol =
Volumen de los baches (lt)
v sl =
Velocidad de deslizamiento (pies/seg)
ρ =
Densidad de los baches (gr/cc)
ρ fl =
Densidad del fluido lavador (gr/cc)
ρ fs =
Densidad del fluido separador (gr/cc)
ρ fp =
Densidad del fluido de perforación (gr/cc)
Apéndice 2
Apéndice 2. Presión diferencial dinámica Cuando la densidad del lodo es mayor que la del fluido de terminación, la presión diferencial máxima se presenta cuando la interfase se encuentra en el fondo del pozo. La presión en P 1 es igual a: P 1 = P hy −lodo + P fric −lodo La presión en P 2 es igual a: P 2 = P hy − fluido − P fric − fluido + P bba Sabemos que:
P 1 = P 2
Igualando y resolviendo las ecuaciones previas para la presión de bombeo tenemos: P bba = P hy −lodo + P fric −lodo − P hy − fluidoo + P fric− fluido P bba = ∆ p + P fric−lodo + P fric − fluido
1
2
Apéndice 3
Apéndice 3. Caracterización de los baches viscosos Se tomaron las lecturas en el viscosímetro Fann de tres baches con tres diferentes viscosidades y los datos se graficaron en coordenadas rectangulares y logarítmicas. El comportamiento que exhibieron fue claramente el de un modelo de la Ley de potencias
Apéndice 4
Apéndice 4. Guía rápida de cálculo 1. Datos del pozo. Profundidad interior vertical Profundidad interior desarrollada Diámetro externo de las tuberías de la sarta de lavado d1.1. = Profundidad vertical de la sarta de lavado = d1.2. = d1.3. = Diámetro interno de las TR’s expuestas al fluido de terminación. d1.1. = d1.2. = d1.3. = Datos del fluido de perforación. Tipo = ρ fp = 2. Datos del bache separador. Tipo = ρ fs = µ = 3. Datos del bache lavador. Tipo = ρ = µ = 4. Datos del bache viscoso. L600 = L300 = Velocidad Marsh = 5. Datos de las bombas de lodo. Máxima presión de trabajo = Máximo gasto = 6. Cálculo de volúmenes de los baches. Estos se calculan en el espacio anular más amplio. Bache separador. Vol = 0.5067(d 22 − d 12 ) ∗ 500
Bache lavador. Vol = 0.5067(d 22 − d 12 )∗150
Bache viscoso. Vol = q ∗ 37.85
7. Cálculo de la presión diferencial estática. ∆ p =
prof vert ∗ ρ fp − ρ fs 10
Apéndice 4
8. Gasto mínimo de bombeo considerando turbulencia del bache lavador y eficiencia de transporte. v=
2100 µ 6,318.7 ρ (d 2 − d 1 )
qmin = 2.448v (d 22 − d 12 ) v sl =
1152( ρ s − ρ )d p2
µ
F T = 1 −
v sl v fl
9. Gasto mínimo de bombeo considerando turbulencia del bache lavador y eficiencia de transporte. θ 600 θ 300
n = 3.322 log K =
510θ 300 511n
N Re c = 3470 − (1370 )n
1 2+ N K n Re c vc = ρ 909 , 893 0 . 0208 − d d ( ) 2 1
n
1 2−n
qmin = 2.448vc (d 22 − d 12 ) 1 (1− n ) 2 + K (d 2 − d 1 ) n µ a = (1− n ) 144v 0.0208
v sl = 692
F T = 1 −
d p2 µ a
n
( ρ s − ρ )
v sl v fl
Nota: En caso de requerir un gasto de bombeo sumamente elevado, disminuir la viscosidad del bache hasta alcanzar un gasto razonable. Si esto es aún elevado, realizar el desplazamiento con el mayor gasto posible.
