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Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores

Principios sobre Hidráulica de Perforación 1

IPM

Principios sobre Hidráulica de Perforación

Hidráulica de la Perforación • Contenido: • Objetivos, • Conceptos básicos de Hidráulica, • Pérdidas de Presión y Densidad Equivalente de Circulación, • Selección de Toberas para la Barrena, • Optimización Hidráulica.

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Hidráulica de la Perforación • Objetivos: • Al final de esta presentación USTED PODRA: • Entender los conceptos básicos de la hidráulica de la perforación, • Describa varias pérdidas de presión • Factores que afectan la DEC • Seleccione las toberas de la barrena para optimizar la hidráulica de la barrena

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Hidráulica de la Perforación • Circulación de Fluidos: • La circulación del fluido tiene que diseñarse para remover los recortes con eficiencia y también para enfriar la cara de la barrena, • Estos requerimientos pueden satisfacerse al aumentar el caudal o gasto de la bomba, • Sin embargo, el incremento en la velocidad de bombeo del fluido (gasto) puede causar una erosión excesiva de la cara y una falla prematura de la barrena. 4

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Hidráulica de la Perforación • Barrena de Conos de Rodillo: • La velocidad de penetración es función de muchos parámetros incluyendo: • Peso Sobre la Barrena, WOB, • Velocidad de Rotación de la barrena, RPM, • Propiedades del Lodo, • Para evitar un influjo de fluidos desde la formación al agujero, la presión hidrostática del lodo debe ser ligeramente más alta que la presión de la formación (margen de seguridad), • Eficiencia Hidráulica. 5

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Hidráulica de la Perforación • Eficiencia Hidráulica : • Los efectos del aumento de caballaje hidráulico en la barrena son similares a su efecto sobre las barrenas de cono, • El fabricante con frecuencia recomienda un caudal de flujo mínimo en un intento por asegurar que la cara de la barrena se mantenga limpia y la temperatura del cortador se mantenga al mínimo, • Este requerimiento para la tasa de flujo puede tener un afecto adverso sobre la optimización del caballaje hidráulico en la barrena, HHP. 6

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Hidráulica de la Perforación • Importancia de una buena Hidráulica para perforar: • Remoción de recortes en el espacio anular, • Presión hidrostática para balancear la presión del poro y prevenir que se colapse el agujero del pozo, • DEC (Densidad Equivalente de Circulación), • Presiones de Surgencia / suaveo durante los viajes de entrada y salida de la sarta en el pozo • Limitación de la capacidad de bombeo, • Optimización del proceso de perforación (Max HHP consumido en la barrena o Max Impacto del Chorro), • Efectos de Presión y Temperatura. 7

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Hidráulica de la Perforación • Limpieza del Agujero: • Velocidad Anular, • Velocidad de penetración (ROP), • Viscosidad, • Angulo del Agujero, • Densidad del Lodo, • Ensanchamiento del Agujero por erosión (lavado)

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Hidráulica de la Perforación • Sistema de Circulación:

Bomba de lodos Presa de Lodo

Tubería de Perforación Espacio Anular

Barrena 9

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Tubería de Revestimiento & cemento

Agujero Abierto Barrena


Hidráulica de la Perforación • Pérdidas de Presión en el Sistema Circulante: • Pérdida de presión en el equipo de la superficie, • De la bomba al “stand pipe”, manguera rotaria, Kelly o Top Drive, hasta la parte superior de la tubería de perforación. • Pérdida de presión a través de la sarta de perforación, • Pérdida de presión en las herramientas del fondo: • PDM / Turbinas, • Absorbedores de impacto / Martillos de Perforación, • MWD / LWD. • Pérdida de presión a través de las toberas en la barrena, • Pérdidas de presión en el espacio anular. 10

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Hidráulica de la Perforación • Margen Operativo de las Presiones del Lodo:

Profundidad

Presión

Presión de poros

DEC

Presión de Fractura

Presión Hidrostática del Lodo 11

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Hidráulica de la Perforación • Conceptos Básicos de Hidráulica; • Velocidad promedio del fluido, • Velocidad del fluido a través del espacio anular Vf (pies/min);

v

f

=

24 . 51 ∗ Q d 22 − d 12

• Velocidad del fluido a través de la sarta de perforación Vf (pies/min):

v • • • •

=

Q = Gasto o tasa de bombeo (gal/min, gpm), d2 = Diámetro del agujero (pulgadas), d1 = Diámetro externo de la sarta de perforación (pulgadas), d = Diámetro interno de la sarta de perforación (pulgadas). 12

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f

24 . 51 ∗ Q d 2


Hidráulica de la Perforación • Número Reynolds (para flujo en el espacio anular): R N = 43 . 69 * MW / E q Θ 300

  Q * 2 2   Dh − Dp 

2− N '

* [8 . 69 * ( Dh − Dp )]

Laminar si RN < 2000 Transición RN está entre 2000 y 3000 Turbulento si RN >3000 Donde: RN , MW, EqΘ300 Dh, Dp, N’, 13

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Número Anular de Reynolds (sin dimensión) Densidad del Lodo (lbs/gal) Lectura del Viscosímetro Fann a 300 RPM Diámetro del Agujero (pulgadas) Diámetro de la tubería (pulgadas) valor “n” en la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300) Principios sobre Hidráulica de Perforación

N'

Hidráulica de la Perforación • Cálculos para el Flujo Crítico: • La velocidad de bombeo (gasto) a la cual el perfil de flujo en el espacio anular más pequeño pasa de laminar a turbulento. • Es importante mantener el flujo en laminar al perforar a través de formaciones mecánicamente inestables.

Q c = ( Dh

Qc, RNC , Dh , Dp , n, Θ300 , 14

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2

− Dp

2

 R NC θ 300 )  43 . 64 ρ

{ 8 . 69 ( Dh

− Dp ) n

  

}

1 2−n

Gasto o tasa de bombeo ,gpm Número Reynolds crítico , usualmente 2,000 diámetro del agujero en pulgadas diámetro de la tubería en pulgadas valor “n” de la Ley de Potencia = log (Θ600 /Θ300 ) / log (600/300) lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM. Principios sobre Hidráulica de Perforación

Hidráulica de la Perforación • Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Laminar: • Si la tasa de bombeo (gasto) está por debajo del Número Reynolds crítico en el espacio anular el cálculo de pérdida de presión en psi/1000 ft. es: APL

= 3 . 75 θ

Q,,, APL, Dh , Dp , n, Θ300 , 15

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300

/( Dh − Dp ) 2 n + 1

  Q  8 . 69 ( Dh + Dp )   

n

Gasto o tasa de bombeo, gpm pérdida de presión en el espacio anular psi/1000 ft. diámetro del agujero en pulgadas diámetro de la tubería en pulgadas valor “n” en laLey de potencia = log (Θ600 /Θ300 ) /log (600/300) lectura del viscosímetro Fann a 300 RPM Principios sobre Hidráulica de Perforación

Hidráulica de la Perforación • Pérdidas de Presión en el Espacio Anular – Flujo Turbulento:

• Si el gasto de flujo está por arriba del número Reynolds crítico, el cálculo de pérdida de presión del espacio anular en psi/1000 ft. será:

APL Q,, APL, Dh , Dp , RNC , ρ 16

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=

R

NC

163 . 67 ρ ⋅ Q ( Dh − Dp ) 3 ( Dh

2

− Dp ) 2

Gasto o tasa de bombeo ,gpm pérdida de presión en el espacio anular en psi/1000 pies. diámetro del agujero en pulgadas diámetro de la tubería en pulgadas Número Reynolds crítico , usualmente 2,000 densidad del lodo en lbs/gal Principios sobre Hidráulica de Perforación

Hidráulica de la Perforación • Densidad Equivalente de Circulación (DEC): • DEC es la suma de pérdidas de presión en el espacio anular dividida (profundidad x factor). En unidades de campo se expresa como:

DEC

DEC, ∆pa, TVD, ρο 17

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Σ∆ P a = TVD ∗ . 052

+ ρ

o

Desnsidad Equivalente de Circulación en lbs/gal Pérdida de la presión en el espacio anular Profundidad vertical verdadera en pies Densidad del lodo en el pozo en lbs/gal


Hidráulica de la Perforación • Densidad Equivalente de Circulación (DEC): • Factores que afectan la DEC: • Densidad del lodo. • Pérdidas de presión en el espacio anular Pa. • Geometría del agujero, viscosidad efectiva, temperatura, presión, gasto o tasa de bombeo, • Velocidad de penetración y tamaños de los recortes, • Eficiencia de la limpieza del agujero

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Hidráulica de la Perforación • Pérdida de presión dentro de la tubería: • Suponiendo flujo turbulento dentro de la sarta de perforación o el número Reynolds > 2100.

P Pp , fp , ρ Vp, D, L, 19

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p

=

f 25

p

V

. 81

2 p

∗

ρ D

×

L

Pérdida de presión en la tubería en psi Factor de fricción para la tubería Densidad del lodo en lbs/gal Velocidad de promedio dentrode la tubería en pies/seg Diámetro interno de la tubería en pulgadas Longitud de la tubería en pies Principios sobre Hidráulica de Perforación

Hidráulica de la Perforación • Pérdida de fricción en las Toberas de la Barrena:

∆ Pb

∆Pb , Q , Dn , ρ ,

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156 Q = 2 Σ D n

[

2

]

ρ 2

Pérdida de presión en la barrena en psi Gasto o tasa de bombeo en galones por minuto, gpm Diámetro de las toberas en 1/32 de pulgada Densidad del lodo en ppg


Hidráulica de la Perforación • Caballaje Hidráulico: • HHP en la barrena = (∆Pb Q ) / 1714 • Donde; • HHP , caballaje hidráulico, • .∆Pb , pérdida de presión en la barrena en psi, • Q , gasto o tasa de bombeo en gpm. • HHP en la bomba = (∆Pt Q) / 1714 • Donde; • HHP , caballaje hidráulico, • ∆Pt , pérdida total de presión en el sistema, psi (SPP), • Q , gasto o tasa de bombeo en gpm. 21

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Hidráulica de la Perforación • Velocidad del chorro en las Toberas: • Se relaciona muy estrechamente con la acción de limpieza que se está dando en la barrena, • Puede llevar a la erosión del agujero a altas velocidades en formaciones frágiles, • Se expresa como: Vn

=

418 .3 Q Σ D n2

• Donde: • Vn , velocidad del chooro en la tobera en pies/seg • Q, gasto o tasa de bombeo en gpm • .ΣDn 2, suma del cuadrado de los diámetros de las toberas en 1/32 de pulg 22

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Hidráulica de la Perforación • Fuerza de Impacto del Chorro: • La fuerza ejercida por el fluido de salida por debajo de la barrena, • Se expresa como:

Fi =

QV

n

ρ

1930

Donde: Fi , Q, Vn , ρ , 23

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Fuerza de impacto del chorro en libras, gasto o tasa de bombeo en gpm, velocidad del chorro en la tobera en pies/seg Densidad del lodo en lbs/gal Principios sobre Hidráulica de Perforación

Hidráulica de la Perforación • Otras Aplicaciones de la Hidráulica; • Para calcular o estimar las velocidades de asentamiento de los recortes perforados con o sin circulación, • Para calcular las presiones de surgencia y de suabeo, • Para calcular velocidades seguras en corridas de sartas de perforación y de revestimiento, • Para calcular la máxima velocidad de penetración para un gradiente de fractura dado.

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Optimización de la Hidráulica en la Barrena • Máximo Caballaje Hidráulico Debe adoptarse para uso en formaciones blandas a medias. • Máxima Fuerza de Impacto del Chorro Debe adoptarse para uso en formaciones medias a duras.. • Máxima Velocidad del Chorro Se basa en la presión máxima permisible en la superficie a un gasto o tasa de bombeo seleccionado. Cálculo del flujo: 1. Después de determinar el modelo de reología, calcule la capacidad de transporte del fluido. 2. Calcule la caída de presión para el agujero usando ya sea el Max HHP o JIF 3. Decida la combinación de Toberas. 4. Calcule los requerimientos de caballaje de la Bomba. 25

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Hidráulica de la Perforación • Ahora USTED podrá: • Entender los conceptos básicos de hidráulica de la perforación • Describir y calcular las pérdidas de presión en el sistema • Describir los factores que afectan la DEC • Entender el proceso para optimizar la hidráulica de la barrena

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